Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Bioengineering
Click here for the English version

Bioengineering

Undersökning av stressavslappning och felsvar i luftstrupen

Published: October 18, 2022 doi: 10.3791/64245
Automatic Translation
1, 2,3, 4, 4, 3
1Department of Biomedical Engineering, Widener University, 2Drexel University College of Medicine, 3School of Biomedical Engineering, Science and Health Systems, Drexel University, 4Rosetree Media School District

Summary

Detta protokoll bestämmer dragspänningsavslappnings- och felegenskaperna hos svinspår. Resultat från sådana metoder kan bidra till att förbättra förståelsen för luftstrupens viskoelastiska och feltrösklar och hjälpa till att främja kapaciteten hos beräkningsmodeller i lungsystemet.

Abstract

Luftrörets biomekaniska egenskaper påverkar luftflödet direkt och bidrar till andningsorganens biologiska funktion. Att förstå dessa egenskaper är avgörande för att förstå skademekanismen i denna vävnad. Detta protokoll beskriver ett experimentellt tillvägagångssätt för att studera stressavslappningsbeteendet hos svinluftstrupen som var försträckt till 0% eller 10% belastning i 300 s, följt av mekanisk dragbelastning tills fel. Denna studie ger detaljer om experimentell design, datainsamling, analyser och preliminära resultat från biomekanisk testning av luftstrupen hos svin. Med hjälp av de detaljerade stegen i detta protokoll och MATLAB-koden för dataanalys kan framtida studier undersöka det tidsberoende viskoelastiska beteendet hos luftstrupen, vilket är avgörande för att förstå dess biomekaniska svar under fysiologiska, patologiska och traumatiska tillstånd. Dessutom kommer djupgående studier av luftstrupens biomekaniska beteende att kritiskt hjälpa till att förbättra utformningen av relaterade medicintekniska produkter såsom endotrakealimplantat som används i stor utsträckning under operationer.

Introduction

Trots sin kritiska roll vid lungsjukdom har den största luftvägsstrukturen, luftstrupen, begränsade studier som beskriver dess viskoelastiska egenskaper1. En fördjupad förståelse av luftrörets tidsberoende, viskoelastiska beteende är avgörande för lungmekanikforskning eftersom förståelse av de luftvägsspecifika materialegenskaperna kan hjälpa till att främja vetenskapen om skadeförebyggande, diagnos och klinisk intervention för lungsjukdomar, som är den tredje ledande dödsorsaken i USA 2,3,4.

Tillgängliga vävnadskarakteriseringsstudier har rapporterat luftstrupens styvhetsegenskaper 5,6,7,8. De tidsberoende mekaniska svaren har undersökts minimalt trots deras betydelse vid vävnadsombyggnad, vilket också förändras av patologi 9,10. Dessutom begränsar bristen på tidsberoende responsdata också de prediktiva egenskaperna hos de lungmekaniska beräkningsmodellerna som för närvarande använder sig av de generiska konstitutiva lagarna. Det finns ett behov av att ta itu med detta gap genom att utföra stressavslappningsstudier som kan ge de materialegenskaper som krävs för att informera biofysiska studier av luftstrupen. Den aktuella studien erbjuder detaljer om testmetoder, datainsamling och dataanalyser för att undersöka stressavslappningsbeteendet hos svinens luftstrupe.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alla beskrivna metoder godkändes av Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) vid Drexel University. Alla kadaveriska djur förvärvades från en United States Department of Agriculture (USDA) -godkänd gård i Pennsylvania, USA. En kadaver av en manlig Yorkshire-gris (3 veckor gammal) användes för den aktuella studien.

1. Vävnadsskörd

  1. Skaffa en kadaver av en gris från en godkänd gård och utför experimenten inom 2 h från eutanasi. Håll kadavret på is tills vävnadsskörden är klar för att säkerställa att de färska vävnadens biomekaniska egenskaper bevaras.
    OBS: I den publicerade litteraturen utförs vanligtvis färskvävnadstester på djur inom 2 timmar efter eutanasi. För mer information, se referenser 11,12,13,14,15,16,17,18,19.
  2. Placera kadavret i ryggläge, gör ett vertikalt snitt i mittlinjen längs nacken och exponera sköldkörtelbrosket, cricoidbrosket och luftstrupen från hyoidbenet till det suprasternala hacket.
  3. Skörda struphuvudet och luftstrupen i full längd med ett #10-blad (figur 1A).
  4. Separera luftrörsprovet från struphuvudet och skär sedan trakealröret i längdriktningen längs hela längden på ena sidan med bladet #10 (figur 1B).
  5. Mät luftstrupens tjocklek med hjälp av den förvärvade tvärsnittsbilden (erhållen med ImageJ20, se materialförteckning) (figur 1C). Använd den uppmätta vävnadstjockleken för att beräkna tvärsnittsarean under dataanalys.
  6. Skär luftstrupen i två omkretsremsor som är ungefär 5 mm breda (proximalt) och två längsgående remsor som är ungefär 5 mm breda (distalt), med en minsta längd på dessa remsor på 25 mm (figur 1D).
  7. Få bilder av de fyra proverna (dvs. klippa luftstrupsremsor) tillsammans med en linjal. Använd dessa bilder för att tillhandahålla digitaliserade mätningar av provbredden med bild J (figur 1E). Använd sedan denna uppmätta bredd för att beräkna provets tvärsnittsarea under dataanalys.
  8. Se till att alla vävnadsprover hålls hydratiserade med steril fosfatbuffrad saltlösning (PBS) under hela studien. Förvara proverna hydratiserade i PBS-indränkt gasväv tills de är klara att testas. Sänk ner vävnaden i PBS strax före testning för korrekt hydrering.

2. Biomekanisk testning

  1. Fäst varje provexemplar på en specialdesignad klämma (se föregående rapporter 11,12,13,14,15,16,17,18,19) så att provet hålls i längdriktningen mellan klämmorna (figur 1F).
  2. Fäst försiktigt klämmorna (utan att framkalla någon sträckning) på en materialprovningsmaskin (se materialtabell), som har en 50 N-lastcell fäst vid det övre ställdonet (figur 1G).
  3. Mät avståndet mellan grepp och grepp (dvs. klämma) med hjälp av en linjal. Använd detta avstånd som den ursprungliga vävnadslängden för töjningsberäkningar.
  4. Utför förkonditionering genom dragbelastning av varje prov fem gånger med en töjningshastighet på 1 %/s till 1 % belastning.
  5. Håll varje prov vid toppförlängning på 0% eller 10% i 300 s för att undersöka vävnadens viskoelastiska stressavslappningsrespons.
  6. Efter stressavslappningstestet, sträck vävnaden omedelbart med 1% / s tills mekaniskt fel uppstår.
  7. Dokumentera felplatsen och bekräfta att ingen glidning har inträffat genom att säkerställa att prover finns i klämmorna efter provningen (figur 1H).

3. Insamling av uppgifter

  1. Skaffa inga data under förkonditionering.
  2. Spela in stressavslappnings- och feltestvideor med vilken digitalkamera som helst med minst 30 bilder / s.
  3. Hämta data om tid (er), belastning (N) och förskjutning (mm) med hjälp av en datainsamlingsprogramvara (se materialförteckningen) med en samplingsfrekvens på 250 prover / s under både stressavslappning och feltestning.
  4. Spara de inhämtade data som en .csv fil och använd den för dataanalys enligt beskrivningen i steg 4.
  5. Skaffa stillbilder av den klämda vävnaden före stressavslappning, efter stressavslappning och efter misslyckande (figur 2).

4. Analys av data

  1. Datainmatning
    1. Ladda ner och installera MATLAB-dataanalysprogramvara (se materialförteckning), inklusive verktygslådorna "Optimering" och "Bildbehandling".
    2. Ladda ned den zippade mappen (Supplementary Coding File 1), som innehåller MATLAB-koderna och en exempeldatamängd som ska användas för att förklara dataanalysstegen.
    3. Navigera till den nedladdade zippade mappen och extrahera dess innehåll.
    4. Öppna MATLAB och ställ in den uppackade mappen som arbetskatalog. Se till att arbetskatalogen har följande mappar och filer märkta enligt anteckningen nedan. Se till att inga ytterligare mappar eller filer finns i den här arbetskatalogen eftersom de kan störa koden och resultera i ett fel.
      OBS: (1) Fel (efter avslappning), (2) Endast fel, (3) Avkoppling, (4) calc_relax_failure.m, (5) main_relax_failure.m, (6) testingDates.xlsx.
    5. Navigera till mappen Endast fel .
      OBS: Data som finns i denna mapp härrör från kontrollgruppen i denna studie, dvs biomekaniska data från trakealprover som utsattes för mekaniskt fel efter en 0% förlängning.
    6. Lagra data från exempel som testats på ett visst datum i en Microsoft Excel-fil med hjälp av följande filnamnskonvention: mmddyy. Till exempel måste data från alla kontrollgrupps trakealprover som testades den 30 april 2022 lagras i Failure Only | 043022.xlsx.
      OBS: Observera att i den aktuella studien utfördes alla biomekaniska tester på en enda dag; Men om data härleddes från flera testdatum skapar du en ny Microsoft Excel-fil, som namnges i den konvention som beskrivs, för vart och ett av dessa testdatum.
    7. Endast öppet fel | 043022.xlsx och inse att det finns flera kalkylbladsflikar, var och en innehåller rådata från varje prov som utsätts för mekaniskt fel just detta datum, dvs den 30 april 2022.
    8. Kontrollera att proverna är märkta med följande konvention: [sample type]_[ sample number]_[insert pre-stretch strain level]%.
      OBS: I den aktuella studien utsattes till exempel kontrollgruppen trakealprover för mekanisk feltestning under axiell eller omkretsbelastning utan föregående stressavslappning. Därför namnges dessa prover i följande format: TA_1_0% respektive TC_1_0%. 0% betecknar ingen försträckning. Trakealprover från vår experimentella grupp hölls först vid fast töjning under axiell eller omkretsbelastning på 10% för att utvärdera det viskoelastiska spänningsavslappningssvaret och utsattes sedan för mekaniskt fel. Därför namnges dessa prover i följande format: TA_1_10 % och TC_1_10% (se steg 4.1.16 och steg 4.1.23, som representerar de axiella respektive omkretsbelastningsförhållandena).
    9. Välj kalkylbladsfliken TA_1_0%. Se till att rådatarubrikkolumnerna är märkta exakt som de skrivs i fetstil i anteckningen nedan.
      OBS: (1) Tid (sek), (2) Belastning (N), (3) Läge (mm), (4) Diametrar (mm) (steg 1.7), (5) Genomsnittlig tvärsnittsarea (tjocklek x bredd, mm 2) (erhålls i steg 1.5 och steg 1.7), (6) Ursprunglig längd (mm) (steg2.3).
    10. Stäng den aktuella Microsoft Excel-filen, Endast fel | 043022.xlsx.
    11. Återgå till arbetskatalogen för dataanalysprogramvaran.
    12. Navigera till mappen Avkoppling.
      OBS: Data som finns i denna mapp härrör från experimentgruppen i denna studie, dvs biomekaniska data från trakealprover som utsattes för stressavslappningstestning vid en fast förlängning av 10% i 300 s.
    13. Lagra data från experimentgruppsproverna som testats på ett visst datum i en Microsoft Excel-fil med hjälp av följande etiketteringskonvention: mmddyy.
      OBS: Till exempel måste data från alla experimentella grupp trakealprover som testades den 30 april 2022 lagras i Relaxation | 043022.xlsx. Se anmärkningen i steg 4.1.6 för ytterligare information.
    14. Öppen avkoppling | 043022.xlsx och inse att det finns flera kalkylbladsflikar, var och en innehåller råbelastningsavslappningsdata från varje prov i experimentgruppen som testades just detta datum, dvs 30 april 2022.
    15. Pausa och notera att var och en av proverna, som indikeras av kalkylbladsflikarna som ingår i denna Microsoft Excel-fil, därefter utsattes för mekaniskt fel under dragmekanisk belastning.
      Motsvarande feldata för vart och ett av de närvarande exemplen måste lagras i mappen Fel (efter avkoppling), som beskrivs närmare i steg 4.1.20.
    16. Kontrollera att proverna är märkta med den konvention som beskrivs i steg 4.1.8.
    17. Växla mellan varje kalkylbladsflik som finns i den aktuella Microsoft Excel-filen och se steg 4.1.9 för att säkerställa att råbelastningsavslappningsdata för varje exempel, som indikeras av en viss kalkylbladsflik, är korrekt formaterade.
    18. Spara och stäng den aktuella Microsoft Excel-filen, Avkoppling | 043022.xlsx.
    19. Återgå till arbetskatalogen för dataanalysprogramvaran.
    20. Navigera till mappen Fel (efter avkoppling).
    21. Kontrollera att det finns en Microsoft Excel-fil (er) med samma datum (se steg 4.1.6 för mer information om hur du namnger de Microsoft Excel-filer som motsvarar varje testdatum) som den som finns i mappen Avkoppling.
      OBS: Data som finns i den aktuella mappen, Failure (Post-Relaxation), är motsvarande råa mekaniska feldata från trakealprover som utsätts för stressavslappningstestning vid en fast förlängning av 10% i 300 s.
    22. Öppet fel (efter avkoppling) | 043022.xlsx och känna igen flera kalkylbladsflikar, som var och en innehåller råa mekaniska feldata från samma prover som finns i Relaxation | 043022.xlsx.
    23. Se till att exemplen är märkta med den konvention som nämns i steg 4.1.8 och att etiketterna matchar dem i Avkoppling | 043022.xlsx.
      OBS: Till exempel representerar data i den aktuella Microsoft Excel-filen för TA_1_10 % råa mekaniska feldata för trakealprov #1 under axiell belastning som tidigare genomgick stressavslappningstestning vid 10% fast förlängning i 300 s.
    24. Växla mellan varje kalkylbladsflik och se steg 4.1.9 för att säkerställa att rubrikkolumnen för rådata för mekaniska fel för varje prov är korrekt formaterad.
    25. Stäng den aktuella Microsoft Excel-filen, Fel (efter avkoppling) | 043022.xlsx.
    26. Återgå till arbetskatalogen för dataanalysprogramvaran.
    27. Upprepa steg 4.1.5–4.1.26 för ytterligare provningsdatum, beroende på vad som är tillämpligt.
    28. Öppna Microsoft Excel-filen, testingDates.xlsx, som dirigerar koden för att analysera användarspecificerade testdatum.
    29. Ange testdatum i den första kolumnen i följande format: mm/dd/åå.
    30. I den andra kolumnen anger du med hjälp av ett Y (för ja) eller N (för nej) om några prover på just detta testdatum var från den experimentella gruppen (spänningsavslappning följt av mekaniskt fel).
    31. I den tredje kolumnen anger du med hjälp av ett Y (för ja) eller N (för nej) om några prover på just detta testdatum var från kontrollgruppen (direkt mekaniskt fel).
    32. Upprepa steg 4.1.29–4.1.31 för ytterligare provningsdatum.
    33. Spara och stäng den aktuella Microsoft Excel-filen, testingDates.xlsx.
    34. Återgå till arbetskatalogen för dataanalysprogramvaran.
    35. Öppna huvudskriptfilen main_relax_failure.m.
    36. Välj den stora, gröna pilen på programvarugränssnittet för att köra koden. Alternativt kan du skriva kör main_calc_relax i kommandofönstret.
    37. När du uppmanas att mata in kommaseparerade fasta töjningsnivåer (i %) för de olika experimentgrupperna och tryck på OK.
      OBS: I den aktuella studien användes endast en stressavslappningsförlängning, dvs ange 10. Ta inte med 0% för kontrollgruppen. Men om data härleddes från flera förlängningar, till exempel 10% och 20%, anger du 10,20.
    38. När du uppmanas att mata in kommaseparerade stressavslappningstestvaraktigheter (i sekunder) för de olika experimentgrupperna och tryck på OK.
      OBS: I den aktuella studien hölls trakealprover vid fast töjning i 300 s och därmed ingång 300. Men om data härleddes från flera stressavslappningsvaraktigheter, till exempel 90 s och 300 s, ange sedan 90 300.
  2. Viskoelastisk stressavslappningsrespons
    1. Använd koden (main_relax_failure.m) för att konvertera laddningstidsdata (kodrad 144) till nominella spänningstidsdata med hjälp av följande ekvation19: Equation 1, där σ representerar spänning (mega Pascals [MPa]), F representerar omkrets- eller axiell belastning (Newtons [N]) och A0 representerar den ursprungliga tvärsnittsarean (millimeter i kvadrat [mm2]).
    2. Använd koden (main_relax_failure.m) för att bestämma toppbelastnings- och spänningsstorheterna (kodraderna 138 och 146) som svar på tillämpningen av den 10% fasta förlängningen på provet i början av 300 s avslappningstestet.
      OBS: Dessa värden kallas nedan initial toppbelastning respektive initial toppspänning.
    3. Använd koden (main_relax_failure.m) och beräkna den procentuella minskningen av spänning (eller belastning) vid 300 s (kodraderna 141 och 149) med hjälp av följande ekvation: Equation 2, där Rel% representerar avslappningsprocenten, σ(0+) representerar den initiala toppspänningen (eller initial toppbelastning) och σ(300) representerar den registrerade spänningsnivån (eller belastningen) efter avslappning över 300 s.
    4. Se koden (main_relax_failure.m) för modellering av det viskoelastiska spänningsavslappningssvaret (kodlinjer 152-161) med hjälp av en två-term Prony-serie exponentiell sönderfallsmodell. Denna modell används ofta för att beskriva det viskoelastiska beteendet hos olika biologiska vävnader, inklusive olika broskiga luftvägsnivåer (luftstrupen, stora bronkier och små bronkier)21,22.
      OBS: Beräknade spänningsvärden [σ(t)] normaliseras för att producera följande reducerade avslappningsfunktion: Equation 3 och G(0) = 1. För att jämföra viskoelastiska stressavslappningsreaktioner är G(t) kurvmonterad med hjälp av olinjär minsta kvadratregression enligt följande: Equation 4, där t är tiden under stressavslappningshåll, g är avslappningskoefficienten, τ1 och τ2 och indikerar avslappningstiderna (i sekunder) som beskriver vävnadens kort- (initiala) respektive långsiktiga (jämvikt) beteende.
  3. Mekaniskt felsvar
    1. Använd kod (main_relax_failure.m) för att konvertera belastningsförskjutningsdata (kodraderna 143-144) som registrerats av dragprovningsmaskinen till nominella spänningstöjningsdata med hjälp av ekvationerna som nämns i anmärkningen nedan.
      OBS: Equation 8, där σ representerar nominell spänning (MPa), F representerar omkrets- eller axiell belastning (N) och A 0 representerar den ursprungliga tvärsnittsarean (mm 2); Equation 5, där Equation 7 representerar resulterande töjning, Δ L representerar förskjutning och L0 representerar provets initiala längd. För prover som utsätts för dragprovning efter spänningsavslappning representerar L0 vävnadens försträckta längd. Exempelvis sträcktes prov 3 (initial längd på 8 mm) till 10%, och därför ansågs L0 vara 8,8 mm för beräkning av de resulterande töjningsvärdena19.
    2. Använd funktionen (calc_relax_failure.m) för att identifiera maximal belastning (dvs. felbelastning) och motsvarande felförskjutning, samt maximal spänning (dvs. felspänning) och motsvarande feltöjning (kodraderna 33 och 61-63).
    3. Använd funktionen (calc_relax_failure.m) för att ignorera belastningsförskjutningsdata efter felbelastningen (rad 34).
    4. Använd funktionen (calc_relax_failure.m) för att plotta belastningsförskjutningskurvan och, när du uppmanas till det, manuellt välja två punkter i kurvans linjära område för att approximera vävnadsstyvheten (N/mm) (kodlinjerna 37-58).
      OBS: Eftersom belastningsförskjutningskurvan normaliseras av tvärsnittsarean och provets initiala längd för att ge spännings-töjningskurvan, använder koden de användarvalda x- och y-koordinaterna från belastningsförskjutningskurvan för att beräkna elasticitetsmodulen (MPa) med hjälp av följande ekvation19: Equation 6, där E representerar elasticitetsmodulen, x och y representerar de valda koordinaterna på belastningsförskjutningskurvan, A 0 representerar tvärsnittsarean, L0 representerar provets längd i början av mekaniskt fel och Δσ och ΔEquation 8 representerar förändringen i spänning och töjning över det linjära området för felsvaret.
    5. Upprepa steg 4.3.4 för varje prov.
  4. Utdata
    1. När koden har körts kontrollerar du att de beräknade resultaten är tillgängliga i arbetskatalogen för dataanalysprogramvaran som en Microsoft Excel-fil i följande namngivningskonvention: relax_failure_results_mmddyy.xlsx, där mmddyy ersätts med det datum då koden kördes.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 1 visar den misslyckade vävnaden nära klämstället och närvaron av vävnad i klämman, vilket bekräftar ingen glidning under dragprovningen. Figur 2 indikerar olika felställen, inklusive de övre eller nedre klämplatserna eller längs vävnadens längd, som observerades under dragprovning bland de testade proverna. Resultaten av dataanalysen sammanfattas i figurerna 3-4 och tabellerna 1-2. Stressavslappningssvar för trakealprover efter axiell eller omkrets före sträckning till 10% belastning visas i figur 3. Den initiala toppbelastningen och spänningen, den procentuella minskningen av stress under 300 s håll och tidskonstanter, t1 och t2, i en 2-term Prony-serie avslappningsfunktion beräknades från dessa avslappningskurvor. Dessa viskoelastiska parametrar ingår i tabell 1. Spännings-töjningsreaktionerna hos trakealprovet som utsätts för feltestning under axiella eller omkretsbelastningar efter ingen försträckning eller 10% före stretch visas i figur 4. Från dessa kurvor bestämdes felspänning och motsvarande feltöjning, liksom elasticitetsmodulen, och listas i tabell 2.

De preliminära testerna karakteriserade framgångsrikt stressavslappningssvaren hos trakealvävnaden. I dessa inledande experiment rapporterade 10% stressavslappningsrespons före sträckning att den initiala toppspänningen var högre i axiella belastningsriktningar, medan den procentuella minskningen av spänningen var högre i omkretsbelastningsriktningen jämfört med den axiella belastningsriktningen (tabell 1). Avslappningstiderna (τ1 och τ2 som beskriver vävnadens kort- [initiala] och långsiktiga [jämvikt] beteende) var också högre i den axiella belastningsriktningen jämfört med omkretsbelastningsriktningen för samma 10% pre-stretch-grupp. Vid jämförelse av feldata var felspänningen och E-värdena högre i omkretsbelastningsriktningar i både 0% och 10% pre-stretch-grupperna, medan felstammen som rapporterades i de axiella belastningsriktningarna var högre (tabell 2). Dessa preliminära resultat motiverar ytterligare experiment för att ytterligare karakterisera stressavslappnings- och felsvaren i trakealvävnad för att bättre förstå dess stressavslappningssvar under dragbelastningsförhållanden, både axiellt eller omkretsvis. Stegen som beskrivs i det här protokollet kan hjälpa till att uppnå detta mål.

Figure 1
Figur 1: Vävnadsskörd och mekaniska testdetaljer. Klicka här för att se en större version av denna figur.

Figure 2
Bild 2: Felplatser. Exempel på felplatser som indikeras av gula pilar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 3
Figur 3: Stressavslappningsrespons över 300 s håll av luftstrupeprover som sträckts ut till 10% belastning . (A) Axiell eller (B) omkretsbelastning (n = 1 per lastförhållande). Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4: Spännings-töjningsreaktioner för feltestning av luftrörsprover under axiell eller omkretsbelastning efter ingen försträckning eller 10% före stretch (n = 1 per lastförhållande). Klicka här för att se en större version av denna figur.

Prov Belastning före stretch Laddar orientering Initial toppbelastning (N) Initial toppspänning (MPa) % minskning av stress τ1 (s) τ2 (s) Justerad R2 (%)
3 10% Axial 0.56 0.089 33.93 11.59 152.44 98.79
4 Perifera 0.26 0.057 42.31 1.58 14.86 99.08

Tabell 1: Uppmätta och beräknade spänningsavslappningsparametervärden för luftrörsprover som utsätts för en försträckning på 10% belastning för att genomgå stressavslappning i 300 s.

Prov Belastning före stretch Laddar orientering Felspänning (MPa) Fel belastning Elasticitetsmodul (MPa)
3 10% Axial 0.89 0.38 2.9
4 Perifera 1.78 0.51 3.74
5 0% (endast fel) Axial 1.02 0.86 2.3
6 Perifera 2.15 0.57 6.3

Tabell 2: Felsvar av luftrörsprover under olika experimentella grupper.

Kompletterande kodningsfil 1: De anpassade koderna för att studera luftstrupens stressavslappningsbeteende. Klicka här för att ladda ner den här filen.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Mycket få studier har rapporterat stressavslappningsegenskaperna hos luftstrupen21,23. Studier behövs för att ytterligare stärka vår förståelse av trakealvävnadens tidsberoende svar. Denna studie erbjuder detaljerade steg för att utföra sådana undersökningar; Följande kritiska steg i protokollet måste dock säkerställas för tillförlitlig testning: (1) korrekt vävnadshydrering, (2) liknande vävnadstyp (antal broskringar och muskler) fördelning i omkretsprover och längsgående prover, (3) fastspänning av provet utan försträckning, (4) använda provets tjocklek och bredd för att uppskatta den tvärsnittsarea som används för att beräkna vävnadsspänningen under biomekanisk dragprovning, (5) korrekt fastspänning av vävnadsprovet, 6) användning av det fastspända provets mätlängd för att mata in töjningshastigheten på 1 %/s för dragprovning och (7) bekräftelse av ingen glidning med närvaron av vävnad i klämman efter testning. Dessutom kan felsökning kräva att datainsamlingsprogramvaran startas om för att återupprätta kommunikationen med testenhetens styrenhet.

Den aktuella studien ger också detaljerade beskrivningar av testmetoderna, dataanalyserna och de anpassade MATLAB-koderna (Supplementary Coding File 1) som skapats för att studera luftstrupens stressavslappningsbeteende. Inga tidigare studier ger så omfattande information. Vidare kan de metoder som beskrivs i den aktuella studien på utbildningsfronten enkelt integreras som en undervisningsmodul för stressavslappningslabb i ingenjörskurser i både traditionella och virtual reality-format24,25,26,27.

För närvarande tillgängliga stressavslappningsstudier på luftstrupen och annan mjukvävnad passar avslappningsfunktionen hos en två-term Prony-serie28,29,30. Den aktuella studien använder också denna funktion; framtida studier kan dock utöka sin undersökning genom att använda kvasilinjära viskoelastiska modelleringstekniker för att karakterisera viskoelastiskt beteende. Sådana studier kommer inte bara att bidra till att skapa en robust prediktiv beräkningsmodell av luftvägsbiomekanik utan också hjälpa till att designa implantat som luftvägsstenter som kräver vävnadsmaterialegenskaper för prestandatestning.

Slutligen kan de metoder som beskrivs i denna studie inte bara användas för att bedöma effekterna av ålder och art på luftstrupens stressavslappningsbeteende utan kan också tillämpas på annan mjuk och hård vävnad såsom ligament, intervertebrala skivor och ben. Sådana viskoelastiska data kan integreras för att förbättra befintliga beräkningsmodeller med ändliga element med hög återgivning31,32,33.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Författarna har inget att avslöja.

Acknowledgments

Forskning som rapporteras i denna publikation stöddes av Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development vid National Institutes of Health under prisnummer R15HD093024 och National Science Foundation CAREER Award Number 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Brand-Saberi, B. E. M., Schäfer, T. Trachea: Anatomy and physiology. Thoracic Surgery Clinics. 24, 1-5 (2014).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Teng, Z., et al. Anisotropic material behaviours of soft tissues in human trachea: An experimental study. Journal of Biomechanics. 45 (9), 1717-1723 (2012).
  8. 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).
  9. Ambrosi, D., et al. Perspectives on biological growth and remodeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 59 (4), 863-883 (2011).
  10. Bai, T. R., Knight, D. A. Structural changes in the airways in asthma: Observations and consequences. Clinical Science. 108 (6), 463-477 (2005).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Mechanical properties of cervical spinal cord in neonatal piglet: in vitro. Neurology and Neurobiology. 3 (2), (2020).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Singh, A. The effects of tensile loading on mechanical, neurophysiological and morphological changes in spinal nerve roots. , Wayne State University. PhD thesis (2006).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Safshekan, F., Tafazzoli-Shadpour, M., Abdouss, M., Shadmehr, M. B. Viscoelastic properties of human tracheal tissues. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (1), (2017).
  24. Singh, A. A new approach to teaching biomechanics through active, adaptive, and experiential learning. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (7), 0710011-0710017 (2017).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Singh, A., Ferry, D., Ramakrishnan, A., Balasubramanian, S. Using virtual reality in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 142 (11), 111013 (2020).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).

Tags

Bioengineering utgåva 188 Luftstrupe viskoelastisk stressavslappning draghållfasthet fel stress belastning belastning
Undersökning av stressavslappning och felsvar i luftstrupen
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Singh, A., Majmudar, T., Iyer, A.,… More

Singh, A., Majmudar, T., Iyer, A., Iyer, D., Balasubramanian, S. Investigating Stress-relaxation and Failure Responses in the Trachea. J. Vis. Exp. (188), e64245, doi:10.3791/64245 (2022).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter