Summary
Le présent protocole détermine les propriétés de relaxation des contraintes de traction et de rupture des trachées porcines. Les résultats de ces méthodes peuvent aider à améliorer la compréhension des seuils viscoélastiques et de défaillance de la trachée et à faire progresser les capacités des modèles informatiques du système pulmonaire.
Abstract
Les propriétés biomécaniques de la trachée affectent directement le flux d’air et contribuent à la fonction biologique du système respiratoire. Comprendre ces propriétés est essentiel pour comprendre le mécanisme de lésion dans ce tissu. Ce protocole décrit une approche expérimentale pour étudier le comportement de relaxation du stress de la trachée porcine qui ont été pré-étirées à 0% ou 10% de déformation pendant 300 s, suivies d’une charge de traction mécanique jusqu’à la rupture. Cette étude fournit des détails sur la conception expérimentale, l’acquisition de données, les analyses et les résultats préliminaires des tests biomécaniques des trachées porcines. En utilisant les étapes détaillées fournies dans ce protocole et le code MATLAB d’analyse des données, les études futures peuvent étudier le comportement viscoélastique dépendant du temps du tissu trachée, ce qui est essentiel pour comprendre ses réponses biomécaniques dans des conditions physiologiques, pathologiques et traumatiques. En outre, des études approfondies du comportement biomécanique de la trachée contribueront de manière critique à améliorer la conception de dispositifs médicaux connexes tels que les implants endotrachéaux largement utilisés lors des chirurgies.
Introduction
Malgré son rôle critique dans les maladies pulmonaires, la plus grande structure des voies respiratoires, la trachée, a peu d’études détaillant ses propriétés viscoélastiques1. Une compréhension approfondie du comportement viscoélastique de la trachée, dépendant du temps, est essentielle à la recherche en mécanique pulmonaire, car la compréhension des propriétés matérielles spécifiques des voies respiratoires peut aider à faire progresser la science de la prévention des blessures, du diagnostic et de l’intervention clinique pour les maladies pulmonaires, qui sont la troisième cause de décès aux États-Unis 2,3,4.
Les études de caractérisation tissulaire disponibles ont rapporté les propriétés de rigidité de la trachée 5,6,7,8. Les réponses mécaniques dépendantes du temps ont été peu étudiées malgré leur importance dans le remodelage tissulaire, qui est également modifié par la pathologie 9,10. De plus, le manque de données de réponse dépendantes du temps limite également les capacités prédictives des modèles informatiques de mécanique pulmonaire qui ont actuellement recours à l’utilisation des lois constitutives génériques. Il est nécessaire de combler cette lacune en effectuant des études de relaxation du stress qui peuvent fournir les caractéristiques matérielles requises pour éclairer les études biophysiques de la trachée. La présente étude offre des détails sur les méthodes de test, l’acquisition de données et les analyses de données pour étudier le comportement de relaxation du stress de la trachée porcine.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Toutes les méthodes décrites ont été approuvées par l’Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) de l’Université Drexel. Tous les animaux cadavériques ont été acquis auprès d’une ferme approuvée par le département de l’Agriculture des États-Unis (USDA) située en Pennsylvanie, aux États-Unis. Un cadavre d’un porc mâle du Yorkshire (âgé de 3 semaines) a été utilisé pour la présente étude.
1. Prélèvement de tissus
- Acquérir un cadavre d’un porc d’une ferme agréée et effectuer les expériences dans les 2 heures suivant l’euthanasie. Gardez le cadavre sur la glace jusqu’à ce que la récolte des tissus soit terminée pour s’assurer que les propriétés biomécaniques des tissus frais sont conservées.
REMARQUE : Dans la littérature publiée, les tests de tissus frais chez les animaux sont généralement effectués dans les 2 heures suivant l’euthanasie. Pour plus de détails, voir les références 11,12,13,14,15,16,17,18,19. - Placez le cadavre en décubitus dorsal, faites une incision verticale médiane le long du cou et exposez le cartilage thyroïdien, le cartilage cricoïde et la trachée de l’os hyoïde à l’encoche suprasternale.
- Prélevez le larynx et la trachée pleine longueur à l’aide d’une lame #10 (Figure 1A).
- Séparer l’échantillon de trachée du larynx, puis couper le tube trachéal longitudinalement sur toute la longueur d’un côté à l’aide de la lame #10 (Figure 1B).
- Mesurer l’épaisseur de la trachée à l’aide de l’image en coupe transversale acquise (obtenue à l’aide de l’ImageJ20, voir le tableau des matériaux) (figure 1C). Utilisez l’épaisseur du tissu mesurée pour calculer la section transversale pendant l’analyse des données.
- Couper la trachée en deux bandes circonférentielles d’environ 5 mm de large (proximale) et deux bandes longitudinales d’environ 5 mm de large (distalement), la longueur minimale de ces bandes étant de 25 mm (figure 1D).
- Obtenez des images des quatre échantillons (c.-à-d. des bandes de trachée coupées) à côté d’une règle. Utilisez ces images pour fournir des mesures numérisées de la largeur de l’échantillon à l’aide de l’image J (Figure 1E). Ensuite, utilisez cette largeur mesurée pour calculer la section transversale de l’échantillon pendant l’analyse des données.
- S’assurer que tous les échantillons de tissus sont maintenus hydratés à l’aide d’une solution saline tamponnée au phosphate (PBS) stérile tout au long de l’étude. Gardez les échantillons hydratés dans de la gaze imbibée de PBS jusqu’à ce qu’ils soient prêts à être testés. Immergez le tissu dans PBS juste avant de tester une bonne hydratation.
2. Essais biomécaniques
- Fixez chaque échantillon à une pince conçue sur mesure (voir les rapports précédents 11,12,13,14,15,16,17,18,19) de sorte que l’échantillon soit maintenu longitudinalement entre les pinces (figure 1F).
- Fixez soigneusement les pinces (sans provoquer d’étirement) à une machine d’essai des matériaux (voir Tableau des matériaux), munie d’un capteur de pesage de 50 N fixé à l’actionneur supérieur (figure 1G).
- Mesurez la distance de prise à poignée (c.-à-d. pince) à l’aide d’une règle. Utilisez cette distance comme longueur initiale du tissu pour les calculs de déformation.
- Effectuer le préconditionnement en chargeant chaque échantillon en traction cinq fois à une vitesse de déformation de 1 % / s à une déformation de 1%.
- Maintenez chaque échantillon à un allongement maximal de 0 % ou 10 % pendant 300 s pour étudier la réponse viscoélastique de relaxation du stress.
- Après le test de relaxation du stress, étirez immédiatement le tissu à 1 %/s jusqu’à ce qu’une défaillance mécanique se produise.
- Documenter le site de défaillance et confirmer qu’aucun glissement ne s’est produit en s’assurant de la présence d’échantillons dans les pinces après l’essai (Figure 1H).
3. Acquisition des données
- N’acquérez aucune donnée pendant le préconditionnement.
- Enregistrez les vidéos de test de relaxation du stress et de défaillance à l’aide de n’importe quel appareil photo numérique à un minimum de 30 images / s.
- Acquérir des données de temps, de charge (N) et de déplacement (mm) à l’aide d’un logiciel d’acquisition de données (voir le tableau des matériaux) à une fréquence d’échantillonnage de 250 échantillons/s pendant les essais de relaxation des contraintes et de défaillance.
- Enregistrez les données acquises en tant que fichier .csv et utilisez-les pour l’analyse des données comme détaillé à l’étape 4.
- Acquérir des images fixes du tissu serré avant la relaxation du stress, après la relaxation du stress et après la défaillance (Figure 2).
4. Analyse des données
- Saisie des données
- Téléchargez et installez le logiciel d’analyse de données MATLAB (voir Tableau des matériaux), y compris les boîtes à outils « Optimisation » et « Traitement d’images ».
- Téléchargez le dossier compressé (fichier de codage supplémentaire 1), qui comprend les codes MATLAB et un exemple de jeu de données qui sera utilisé pour expliquer les étapes d’analyse des données.
- Accédez au dossier compressé téléchargé et extrayez son contenu.
- Ouvrez MATLAB et définissez le dossier décompressé comme répertoire de travail. Assurez-vous que le répertoire de travail contient les dossiers et fichiers suivants étiquetés comme mentionné dans la remarque ci-dessous. Assurez-vous qu’aucun dossier ou fichier supplémentaire n’est présent dans ce répertoire de travail, car ils peuvent interférer avec le code et entraîner une erreur.
REMARQUE: (1) Échec (post-relaxation), (2) Échec uniquement, (3) Relaxation, (4) calc_relax_failure.m, (5) main_relax_failure.m, (6) testingDates.xlsx. - Accédez au dossier Échec uniquement .
REMARQUE : Les données contenues dans ce dossier proviennent du groupe témoin de cette étude, c’est-à-dire des données biomécaniques provenant d’échantillons trachéaux qui ont subi une défaillance mécanique à la suite d’un allongement de 0 %. - Stockez les données des échantillons testés à une date particulière dans un fichier Microsoft Excel en utilisant la convention de dénomination de fichier suivante : mmddyy. Par exemple, les données de tous les échantillons trachéaux du groupe témoin testés le 30 avril 2022 doivent être stockées dans Échec seulement | 043022.xlsx.
REMARQUE : Veuillez noter que, dans la présente étude, tous les essais biomécaniques ont été effectués sur une seule journée; toutefois, si les données proviennent de plusieurs dates de test, créez un nouveau fichier Microsoft Excel, nommé dans la convention décrite, pour chacune de ces dates de test. - Échec d’ouverture uniquement | 043022.xlsx et reconnaître qu’il y a plusieurs onglets de feuille de travail, chacun contenant les données brutes de chaque échantillon soumis à une défaillance mécanique à cette date particulière, c’est-à-dire le 30 avril 2022.
- Assurez-vous que les échantillons sont étiquetés selon la convention suivante : [type d’échantillon]_[ numéro d’échantillon]_[insérer le niveau de déformation avant l’étirement]%.
REMARQUE : Par exemple, dans la présente étude, les échantillons trachéaux du groupe témoin ont été soumis à des essais de défaillance mécanique sous charge axiale ou circonférentielle sans relâchement préalable des contraintes. Par conséquent, ces échantillons sont nommés dans le format suivant : TA_1_0 % et TC_1_0 %, respectivement. Le 0% indique qu’il n’y a pas de pré-étirement. Les échantillons trachéaux de notre groupe expérimental ont d’abord été maintenus à un allongement fixe sous une charge axiale ou circonférentielle de 10% pour évaluer la réponse de relaxation de contrainte viscoélastique, puis soumis à une défaillance mécanique. Par conséquent, ces échantillons sont nommés dans le format suivant : TA_1_10 % et TC_1_10 % (voir les étapes 4.1.16 et 4.1.23, qui représentent respectivement les conditions de charge axiale et circonférentielle). - Sélectionnez l’onglet de feuille de calcul TA_1_0 %. Assurez-vous que les colonnes d’en-tête des données brutes sont étiquetées exactement comme indiqué en gras dans la remarque ci-dessous.
NOTE: (1) Temps (sec), (2) Charge (N), (3) Position (mm), (4) Diamètres (mm) (étape 1.7), (5) Surface moyenne de la coupe transversale (épaisseur x largeur, mm 2) (obtenu aux étapes 1.5 et 1.7), (6) Longueur initiale (mm) (étape2.3). - Fermez le fichier Microsoft Excel actuel, échec uniquement | 043022.xlsx.
- Retournez au répertoire de travail du logiciel d’analyse de données.
- Accédez au dossier Relaxation.
REMARQUE : Les données contenues dans ce dossier proviennent du groupe expérimental de cette étude, c’est-à-dire des données biomécaniques provenant d’échantillons trachéaux qui ont été soumis à des essais de relaxation de contrainte à un allongement fixe de 10 % pendant 300 s. - Stockez les données des échantillons de groupe expérimental testés à une date particulière dans un fichier Microsoft Excel en utilisant la convention d’étiquetage suivante : mmjdyy.
REMARQUE : Par exemple, les données de tous les échantillons trachéaux de groupe expérimentaux testés le 30 avril 2022 doivent être stockées dans Relaxation | 043022.xlsx. Reportez-vous à la note de l’étape 4.1.6 pour plus de détails. - Détente ouverte | 043022.xlsx et reconnaître qu’il existe plusieurs onglets de feuille de travail, chacun contenant les données brutes de relaxation de charge de chaque échantillon du groupe expérimental qui a été testé à cette date particulière, c’est-à-dire le 30 avril 2022.
- Faites une pause et notez que chacun des échantillons, comme indiqué par les onglets de feuille de calcul inclus dans ce fichier Microsoft Excel, a ensuite été soumis à une défaillance mécanique sous charge mécanique de traction.
REMARQUE : Les données de défaillance correspondantes pour chacun des échantillons présents doivent être stockées dans le dossier Défaillance (post-relaxation), décrit plus en détail à l’étape 4.1.20. - Assurez-vous que les échantillons sont étiquetés conformément à la convention décrite à l’étape 4.1.8.
- Parcourez chaque onglet de feuille de calcul trouvé dans le fichier Microsoft Excel actuel et reportez-vous à l’étape 4.1.9 pour vous assurer que les données brutes de relaxation de charge pour chaque échantillon, indiquées par un onglet de feuille de calcul donné, sont correctement formatées.
- Enregistrez et fermez le fichier Microsoft Excel actuel, Relaxation | 043022.xlsx.
- Retournez au répertoire de travail du logiciel d’analyse de données.
- Accédez au dossier Échec (post-relaxation).
- Assurez-vous qu’il existe un ou plusieurs fichiers Microsoft Excel avec la même date (reportez-vous à l’étape 4.1.6 pour plus de détails sur le nom des fichiers Microsoft Excel correspondant à chaque date de test) que celui présent dans le dossier Relaxation.
NOTE: Les données contenues dans le dossier courant, Défaillance (post-relaxation), sont les données brutes correspondantes sur les défaillances mécaniques provenant d’échantillons trachéaux soumis à des essais de relaxation sous contrainte à un allongement fixe de 10% pendant 300 s. - Échec ouvert (post-relaxation) | 043022.xlsx et reconnaître plusieurs onglets de feuille de calcul, chacun contenant des données brutes sur les défaillances mécaniques provenant des mêmes échantillons présents dans la | de relaxation. 043022.xlsx.
- Assurez-vous que les échantillons sont étiquetés selon la convention mentionnée à l’étape 4.1.8 et que les étiquettes correspondent à celles de Relaxation | 043022.xlsx.
Remarque : Par exemple, les données dans le fichier Microsoft Excel actuel pour TA_1_10% représentent des données brutes de défaillance mécanique pour l’échantillon trachéal #1 sous charge axiale qui a déjà subi un essai de relaxation de contrainte à 10% d’allongement fixe pendant 300 s. - Passez par chaque onglet de feuille de calcul et reportez-vous à l’étape 4.1.9 pour vous assurer que la colonne d’en-tête des données brutes de défaillance mécanique pour chaque échantillon est correctement formatée.
- Fermez le fichier Microsoft Excel actuel, Échec (post-relaxation) | 043022.xlsx.
- Retournez au répertoire de travail du logiciel d’analyse de données.
- Répétez les étapes 4.1.5 à 4.1.26 pour connaître les dates d’essai supplémentaires, le cas échéant.
- Ouvrez le fichier Microsoft Excel, testingDates.xlsx, qui dirigera le code pour analyser les dates de test spécifiées par l’utilisateur.
- Indiquez les dates des tests dans la première colonne au format suivant : mm/jj/aa.
- Dans la deuxième colonne, indiquez à l’aide d’un Y (pour oui) ou d’un N (pour non) si des échantillons à cette date d’essai particulière provenaient du groupe expérimental (relaxation des contraintes suivie d’une défaillance mécanique).
- Dans la troisième colonne, indiquez à l’aide d’un Y (pour oui) ou d’un N (pour non) si des échantillons prélevés à cette date d’essai particulière provenaient du groupe témoin (défaillance mécanique directe).
- Répétez les étapes 4.1.29 à 4.1.31 pour connaître les dates d’essai supplémentaires.
- Enregistrez et fermez le fichier Microsoft Excel actuel, testingDates.xlsx.
- Retournez au répertoire de travail du logiciel d’analyse de données.
- Ouvrez le fichier de script principal, main_relax_failure.m.
- Sélectionnez la grande flèche verte sur l’interface du logiciel pour exécuter le code. Vous pouvez également taper run main_calc_relax dans la fenêtre de commande.
- Lorsque vous y êtes invité, entrez les niveaux d’allongement fixes séparés par des virgules (en %) pour les différents groupes expérimentaux et appuyez sur OK.
REMARQUE : Dans la présente étude, un seul allongement de relaxation des contraintes a été utilisé, c’est-à-dire entrer 10. N’incluez pas 0 % pour le groupe témoin. Toutefois, si les données ont été dérivées de plusieurs allongements, par exemple 10% et 20%, entrez 10,20. - Lorsque vous y êtes invité, entrez les durées des tests de relaxation des contraintes séparées par des virgules (en secondes) pour les différents groupes expérimentaux et appuyez sur OK.
NOTE: Dans la présente étude, les échantillons trachéaux ont été maintenus à un allongement fixe pendant 300 s et, par conséquent, à l’entrée 300. Cependant, si les données ont été dérivées de plusieurs durées de relaxation des contraintes, par exemple 90 s et 300 s, entrez 90 300.
- Réponse viscoélastique de relaxation du stress
- À l’aide du code (main_relax_failure.m), convertissez les données de temps de charge (ligne de code 144) en données de temps de contrainte nominale à l’aide de l’équation19 suivante :
, où σ représente la contrainte (méga Pascals [MPa]), F représente la charge circonférentielle ou axiale (Newtons [N]) et A0 représente la section transversale initiale (millimètres carrés [mm2]). - À l’aide du code (main_relax_failure.m), déterminer la charge maximale et l’amplitude des contraintes (lignes de code 138 et 146) en réponse à l’application de l’allongement fixe de 10 % sur l’échantillon au début de l’essai de relaxation à 300 s.
NOTE: Ces valeurs sont ci-après appelées charge de pointe initiale et contrainte de pointe initiale, respectivement. - À l’aide du code (main_relax_failure.m), calculer le pourcentage de réduction de la contrainte (ou de la charge) à 300 s (lignes de code 141 et 149) à l’aide de l’équation suivante:
, où Rel% représente le pourcentage de relaxation, σ(0+) représente la contrainte maximale initiale (ou charge de pointe initiale) et σ(300) représente le niveau de contrainte (ou de charge) enregistré après relaxation sur 300 s. - Reportez-vous au code (main_relax_failure.m) pour modéliser la réponse de relaxation de contrainte viscoélastique (lignes de code 152-161) à l’aide d’un modèle de désintégration exponentielle en série de Prony à deux termes. Ce modèle est couramment utilisé pour décrire le comportement viscoélastique de divers tissus biologiques, y compris divers niveaux des voies respiratoires cartilagineuses (trachée, grosses bronches et petites bronches)21,22.
NOTE: Les valeurs de contrainte calculées [σ(t)] sont normalisées pour produire la fonction de relaxation réduite suivante:
et G(0) = 1. Pour comparer les réponses viscoélastiques contrainte-relaxation, G(t) est ajusté en utilisant la régression non linéaire des moindres carrés comme suit: 
, où t est le temps pendant la maintien de la relaxation des contraintes, g est le coefficient de relaxation, τ1 et τ2 et indique les temps de relaxation (en secondes) qui décrivent le comportement à court (initial) et à long terme (équilibre) du tissu, respectivement.
- À l’aide du code (main_relax_failure.m), convertissez les données de temps de charge (ligne de code 144) en données de temps de contrainte nominale à l’aide de l’équation19 suivante :
- Réponse aux défaillances mécaniques
- Utiliser le code (main_relax_failure.m) pour convertir les données de déplacement de charge (lignes de code 143-144) enregistrées par la machine d’essai de traction en données nominales de contrainte-déformation à l’aide des équations mentionnées dans la note ci-dessous.
NOTA:, où σ représente la contrainte nominale (MPa), F représente la charge circonférentielle ou axiale (N) et A 0 représente la section transversale initiale (mm2); 
, où 
représente la déformation résultante, Δ L représente le déplacement et L0 représente la longueur initiale de l’échantillon. Pour les échantillons soumis à un essai de traction de rupture après maintien de la relaxation des contraintes, L0 représente la longueur préétirée du tissu. Par exemple, l’échantillon 3 (longueur initiale de 8 mm) a été préétiré à 10 % et, par conséquent, L0 a été considéré comme 8,8 mm pour le calcul des valeurs de déformation résultantes19. - Utilisez la fonction (calc_relax_failure.m) pour identifier la charge maximale (c.-à-d. la charge de défaillance) et le déplacement de défaillance correspondant, ainsi que la contrainte maximale (c.-à-d. la contrainte de rupture) et la déformation de défaillance correspondante (lignes de code 33 et 61-63).
- Utilisez la fonction (calc_relax_failure.m) pour ignorer les données de déplacement de charge après la charge de défaillance (ligne 34).
- Utilisez la fonction (calc_relax_failure.m) pour tracer la courbe charge-déplacement et, lorsque vous y êtes invité, sélectionnez manuellement deux points dans la région linéaire de la courbe pour estimer la rigidité tissulaire (N/mm) (lignes de code 37-58).
NOTE: Étant donné que la courbe charge-déplacement est normalisée par la section transversale et la longueur initiale de l’échantillon pour obtenir la courbe contrainte-déformation, le code utilise les coordonnées x et y sélectionnées par l’utilisateur de la courbe charge-déplacement pour calculer le module d’élasticité (MPa) à l’aide de l’équation suivante19
: , où E représente le module d’élasticité, x et y représentent les coordonnées sélectionnées sur la courbe charge-déplacement, A 0 représente la section transversale, L0 représente la longueur de l’échantillon au début de la défaillance mécanique et Δσ et Δ représentent respectivement la variation de la contrainte et de la déformation sur la région linéaire de la réponse à la rupture. - Répétez l’étape 4.3.4 pour chaque échantillon.
- Utiliser le code (main_relax_failure.m) pour convertir les données de déplacement de charge (lignes de code 143-144) enregistrées par la machine d’essai de traction en données nominales de contrainte-déformation à l’aide des équations mentionnées dans la note ci-dessous.
- Sortie de données
- Une fois le code exécuté avec succès, assurez-vous que les résultats calculés sont disponibles dans le répertoire de travail du logiciel d’analyse de données sous forme de fichier Microsoft Excel dans la convention d’affectation de noms suivante : relax_failure_results_mmddyy.xlsx, où mmddyy sera remplacé par la date à laquelle le code a été exécuté.
, où σ représente la contrainte (méga Pascals [MPa]), F représente la charge circonférentielle ou axiale (Newtons [N]) et A0 représente la section transversale initiale (millimètres carrés [mm2]).
, où Rel% représente le pourcentage de relaxation, σ(0+) représente la contrainte maximale initiale (ou charge de pointe initiale) et σ(300) représente le niveau de contrainte (ou de charge) enregistré après relaxation sur 300 s.
et G(0) = 1. Pour comparer les réponses viscoélastiques contrainte-relaxation, G(t) est ajusté en utilisant la régression non linéaire des moindres carrés comme suit: 
, où t est le temps pendant la maintien de la relaxation des contraintes, g est le coefficient de relaxation, τ1 et τ2 et indique les temps de relaxation (en secondes) qui décrivent le comportement à court (initial) et à long terme (équilibre) du tissu, respectivement.
, où 
représente la déformation résultante, Δ L représente le déplacement et L0 représente la longueur initiale de l’échantillon. Pour les échantillons soumis à un essai de traction de rupture après maintien de la relaxation des contraintes, L0 représente la longueur préétirée du tissu. Par exemple, l’échantillon 3 (longueur initiale de 8 mm) a été préétiré à 10 % et, par conséquent, L0 a été considéré comme 8,8 mm pour le calcul des valeurs de déformation résultantes19.
: , où E représente le module d’élasticité, x et y représentent les coordonnées sélectionnées sur la courbe charge-déplacement, A 0 représente la section transversale, L0 représente la longueur de l’échantillon au début de la défaillance mécanique et Δσ et ΔSubscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
La figure 1 montre le tissu défectueux près du site de serrage et la présence de tissu dans la pince, confirmant l’absence de glissement lors des essais de traction. La figure 2 indique divers sites de rupture, y compris les sites de serrage supérieur ou inférieur ou le long du tissu, qui ont été observés lors des essais de traction parmi les échantillons testés. Les résultats de l’analyse des données sont résumés aux figures 3 et 4 et aux tableaux 1 et 2. Les réponses de relaxation du stress pour les échantillons trachéaux après un pré-étirement axial ou circonférentiel jusqu’à une déformation de 10 % sont présentées à la figure 3. La charge et la contrainte maximales initiales, le pourcentage de réduction de la contrainte sur la cale de 300 s et les constantes de temps, t1 et t2, dans une fonction de relaxation en série de Prony à 2 termes ont été calculés à partir de ces courbes de relaxation. Ces paramètres viscoélastiques sont inclus dans le tableau 1. Les réponses contrainte-déformation de l’échantillon trachéal soumis à un essai de défaillance sous des charges axiales ou circonférentielles après absence de préétirement ou de préétirement de 10 % sont présentées à la figure 4. À partir de ces courbes, la contrainte de rupture et la déformation de rupture correspondante, ainsi que le module d’élasticité, ont été déterminés et sont énumérés dans le tableau 2.
Les tests préliminaires ont caractérisé avec succès les réponses stress-relaxation du tissu trachéal. Dans ces expériences initiales, la réponse de relaxation de la contrainte pré-étirement de 10 % indiquait que la contrainte maximale initiale était plus élevée dans les directions de charge axiale, tandis que le pourcentage de réduction de la contrainte était plus élevé dans la direction de charge circonférentielle par rapport à la direction de charge axiale (tableau 1). Les temps de relaxation (τ1 et τ2 qui décrivent le comportement [initial] et à long terme [d’équilibre] du tissu) étaient également plus élevés dans la direction de la charge axiale par rapport à la direction de charge circonférentielle pour le même groupe pré-étirement de 10%. Lors de la comparaison des données de rupture, les valeurs de contrainte de rupture et de E étaient plus élevées dans les directions de charge circonférentielles dans les groupes de pré-étirement de 0 % et de 10 %, tandis que la déformation de rupture signalée dans les directions de charge axiale était plus élevée (tableau 2). Ces résultats préliminaires justifient des expériences supplémentaires pour caractériser davantage les réponses de relaxation de stress et de défaillance dans le tissu trachéal afin de mieux comprendre ses réponses de relaxation de contrainte dans des conditions de charge de traction, à la fois axialement ou circonférentiellement. Les étapes décrites dans ce protocole peuvent aider à atteindre cet objectif.
Figure 1 : Détails du prélèvement de tissus et des tests mécaniques. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 2 : Sites de défaillance. Exemples de sites de défaillance indiqués par des flèches jaunes. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 3 : Réponse à la relaxation du stress sur une cale de 300 s d’échantillons de trachée préétirés à 10 % de déformation. (A) Charge axiale ou (B) circonférentielle (n = 1 par condition de charge). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Figure 4 : Réponses contrainte-déformation pour l’essai de défaillance d’échantillons de trachée sous charge axiale ou circonférentielle après absence de pré-étirement ou 10 % de pré-étirement (n = 1 par condition de charge). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
| Échantillon | Contrainte pré-étirement | Orientation du chargement | Charge de pointe initiale (N) | Stress de pointe initial (MPa) | % de réduction du stress | τ1 (s) | τ2 (s) | R2 ajusté (%) | |
| 3 | 10% | Axial | 0.56 | 0.089 | 33.93 | 11.59 | 152.44 | 98.79 | |
| 4 | Circonférentielle | 0.26 | 0.057 | 42.31 | 1.58 | 14.86 | 99.08 | ||
Tableau 1: Valeurs mesurées et calculées des paramètres de relaxation du stress pour les échantillons de trachée soumis à un préétirement de 10 % de déformation pour subir une relaxation de contrainte pendant 300 s.
| Échantillon | Contrainte pré-étirement | Orientation du chargement | Contrainte de défaillance (MPa) | Contrainte de défaillance | Module d’élasticité (MPa) |
| 3 | 10% | Axial | 0.89 | 0.38 | 2.9 |
| 4 | Circonférentielle | 1.78 | 0.51 | 3.74 | |
| 5 | 0 % (échec seulement) | Axial | 1.02 | 0.86 | 2.3 |
| 6 | Circonférentielle | 2.15 | 0.57 | 6.3 |
Tableau 2 : Réponses à l’échec des échantillons de trachée dans divers groupes expérimentaux.
Fichier de codage supplémentaire 1: Les codes personnalisés pour étudier le comportement stress-relaxation de la trachée. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Très peu d’études ont rapporté les propriétés de relaxation du stress de la trachée21,23. Des études sont nécessaires pour renforcer notre compréhension des réponses dépendantes du temps du tissu trachéal. Cette étude propose des étapes détaillées pour effectuer de telles enquêtes; Cependant, les étapes critiques suivantes du protocole doivent être assurées pour des tests fiables: (1) une bonne hydratation des tissus, (2) une distribution similaire du type tissulaire (nombre d’anneaux cartilagineux et de muscles) dans les échantillons circonférentiels et longitudinaux, (3) le serrage de l’échantillon sans pré-étirement, (4) l’utilisation de l’épaisseur et de la largeur de l’échantillon pour estimer la section transversale utilisée pour calculer la contrainte tissulaire pendant les essais biomécaniques de traction, (5) le serrage approprié de l’échantillon de tissu, 6) l’utilisation de la longueur de repères de l’échantillon serré pour entrer la vitesse de déformation de 1 %/s pour les essais de traction, et (7) la confirmation de l’absence de glissement avec la présence de tissu dans la pince après l’essai. En outre, le dépannage peut nécessiter le redémarrage du logiciel d’acquisition de données pour rétablir la communication avec le contrôleur de périphérique de test.
La présente étude fournit également des descriptions détaillées des méthodes de test, des analyses de données et des codes MATLAB personnalisés (Supplementary Coding File 1) créés pour étudier le comportement de relaxation du stress de la trachée. Aucune étude antérieure ne fournit d’informations aussi complètes. En outre, sur le plan éducatif, les méthodes décrites dans la présente étude peuvent être facilement intégrées en tant que module d’enseignement pour les laboratoires de relaxation du stress dans les cours d’ingénierie dans les formats de réalité traditionnelle et virtuelle24,25,26,27.
Les études de relaxation du stress actuellement disponibles sur la trachée et d’autres tissus mous correspondent à la fonction de relaxation d’une série de Prony à deux termes28,29,30. La présente étude utilise également cette fonction; Cependant, des études futures pourraient étendre leurs recherches en utilisant des techniques de modélisation viscoélastique quasi-linéaires pour caractériser le comportement viscoélastique. De telles études aideront non seulement à créer un modèle informatique prédictif robuste de la biomécanique des voies respiratoires, mais aussi à concevoir des implants tels que des endoprothèses des voies respiratoires qui nécessitent des propriétés tissulaires pour les tests de performance.
Enfin, les méthodes décrites dans cette étude peuvent non seulement être utilisées pour évaluer les effets de l’âge et des espèces sur le comportement de relaxation du stress de la trachée, mais peuvent également être appliquées à d’autres tissus mous et durs tels que les ligaments, les disques intervertébraux et les os. De telles données viscoélastiques peuvent être intégrées pour améliorer les modèles de calcul par éléments finis haute fidélité existants31,32,33.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Acknowledgments
La recherche rapportée dans cette publication a été soutenue par l’Institut national Eunice Kennedy Shriver de la santé infantile et du développement humain des National Institutes of Health sous le numéro d’attribution R15HD093024 et le prix CAREER de la National Science Foundation numéro 1752513.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Disposable safety scalpels | Fine Science Tools Inc | 10000-10 | |
| eXpert 7600 | ADMET Inc. | N/A | Norwood, MA |
| Forceps | Fine Science Tools Inc | 11006-12 and 11027-12 or 11506-12 | |
| Gauge Safe | ADMET Inc. | N/A | Free Download |
| Image J | NIH | N/A | Open Source |
| Proramming Software - MATLAB | Mathworks | N/A | version 2018A |
| Scissors | Fine Science Tools Inc | 14094-11 or 14060-09 | |
| Sterile phosphate buffer solution | Millipore, Thomas Scientific | MFCD00131855 |
References
- Brand-Saberi, B. E. M., Schäfer, T.
- Barnett, S. B., Nurmagambetov, T. A. Costs of asthma in the United States: 2002-2007. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 127 (1), 145-152 (2011).
- Centers for Disease Control and Prevention. Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). Centers for Disease Control and Prevention. , Available from: https://www.cdc.gov/copd/index.html (2022).
- Wilson, L., Devine, E. B., So, K. Direct medical costs of chronic obstructive pulmonary disease: chronic bronchitis and emphysema). Respiratory Medicine. 94 (3), 204-213 (2000).
- Codd, S. L., Lambert, R. K., Alley, M. R., Pack, R. J. Tensile stiffness of ovine tracheal wall. Journal of Applied Physiology. 76 (6), 2627-2635 (1994).
- Noble, P. B., Sharma, A., McFawn, P. K., Mitchell, H. W. Elastic properties of the bronchial mucosa: epithelial unfolding and stretch in response to airway inflation. Journal of Applied Physiology. 99 (6), 2061-2066 (2005).
- Teng, Z., et al. Anisotropic material behaviours of soft tissues in human trachea: An experimental study. Journal of Biomechanics. 45 (9), 1717-1723 (2012).
- Wang, L., et al. Mechanical properties of the tracheal mucosal membrane in the rabbit. I. steady-state stiffness as a function of age. Journal of Applied Physiology. 88 (3), 1014-1021 (2000).
- Ambrosi, D., et al. Perspectives on biological growth and remodeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 59 (4), 863-883 (2011).
- Bai, T. R., Knight, D. A. Structural changes in the airways in asthma: Observations and consequences. Clinical Science. 108 (6), 463-477 (2005).
- Singh, A. Extent of impaired axoplasmic transport and neurofilament compaction in traumatically injured axon at various strains and strain rates. Brain Injury. 31 (10), 1387-1395 (2017).
- Singh, A., Kallakuri, S., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Structural and functional changes in nerve roots due to tension at various strains and strain rates: An in-vivo study. Journal of Neurotrauma. 26 (4), 627-640 (2009).
- Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Mechanical properties of spinal nerve roots subjected to tension at different strain rates. Journal of Biomechanics. 39 (9), 1669-1676 (2006).
- Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Kallakuri, S., Cavanaugh, J. M. A new model of traumatic axonal injury to determine the effects of strain and displacement rates. Stapp Car Crash Journal. 50, 601-623 (2006).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Methods for in vivo biomechanical testing on brachial plexus in neonatal piglets. Journal of Visualized Experiments. (154), e59860 (2019).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Mechanical properties of cervical spinal cord in neonatal piglet: in vitro. Neurology and Neurobiology. 3 (2), (2020).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. An in vitro study to investigate biomechanical responses of peripheral nerves in hypoxic neonatal piglets. Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 114501 (2021).
- Singh, A., Shaji, S., Delivoria-Papadopoulos, M., Balasubramanian, S. Biomechanical responses of neonatal brachial plexus to mechanical stretch. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 13, 8-14 (2018).
- Singh, A. The effects of tensile loading on mechanical, neurophysiological and morphological changes in spinal nerve roots. , Wayne State University. PhD thesis (2006).
- Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).
- Eskandari, M., Arvayo, A. L., Levenston, M. E. Mechanical properties of the airway tree: Heterogeneous and anisotropic pseudoelastic and viscoelastic tissue responses. Journal of Applied Physiology. 125 (3), 878-888 (2018).
- Toby, E. B., Rotramel, J., Jayaraman, G., Struthers, A. Changes in the stress relaxation properties of peripheral nerves after transection. Journal of Hand Surgery. 24 (4), 694-699 (1999).
- Safshekan, F., Tafazzoli-Shadpour, M., Abdouss, M., Shadmehr, M. B. Viscoelastic properties of human tracheal tissues. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (1), (2017).
- Singh, A. A new approach to teaching biomechanics through active, adaptive, and experiential learning. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (7), 0710011-0710017 (2017).
- Singh, A., Ferry, D., Balasubramanian, S. Efficacy of clinical simulation based training in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 141 (12), 121011-121017 (2019).
- Singh, A., Ferry, D., Mills, S. Improving biomedical engineering education through continuity in adaptive, experiential, and interdisciplinary learning environments. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (8), 0810091-0810098 (2018).
- Singh, A., Ferry, D., Ramakrishnan, A., Balasubramanian, S. Using virtual reality in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 142 (11), 111013 (2020).
- Majmudar, T., Balasubramanian, S., Magee, R., Gonik, B., Singh, A. In-vitro stress relaxation response of neonatal peripheral nerves. Journal of Biomechanical Engineering. 128, 110702 (2021).
- Orozco, V., Magee, R., Balasubramanian, S., Singh, A. A systematic review of the tensile biomechanical properties of the neonatal brachial plexus. Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 110802 (2021).
- Singh, A. M. T., Magee, R., Gonik, B., Balasubramanian, S. Effects of pre-stretch on neonatal peripheral nerve: An in-vitro study. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 17 (1), 1-9 (2022).
- Balasubramanian, S., D'Andrea, C., Viraraghavan, G., Cahill, P. J. Development of a finite element model of the pediatric thoracic and lumbar spine, ribcage, and pelvis with orthotropic region-specific vertebral growth. Journal of Biomechanical Engineering. 144 (10), 101007 (2022).
- Hadagali, P., Peters, J. R., Balasubramanian, S. Morphing the feature-based multi-blocks of normative/healthy vertebral geometries to scoliosis vertebral geometries: Development of personalized finite element models. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 21 (4), 297-324 (2018).
- Singh, A. Available computational and physical models to understand the mechanisms of neonatal brachial plexus injury during shoulder dystocia. Open Access Journal of Neurology and Neurosurgery. 9 (4), 555768 (2019).
