Investigando o relaxamento do estresse e respostas de falha na Traqueia
Summary
O presente protocolo determina as propriedades de relaxamento e falha da traqueia de estresse e falha da traqueia suína. Os resultados desses métodos podem ajudar a melhorar a compreensão dos limiares viscoelásticos e de falha da traqueia e ajudar a avançar as capacidades dos modelos computacionais do sistema pulmonar.
Abstract
As propriedades biomecânicas da traqueia afetam diretamente o fluxo de ar e contribuem para a função biológica do sistema respiratório. Entender essas propriedades é fundamental para entender o mecanismo de lesão nesse tecido. Este protocolo descreve uma abordagem experimental para estudar o comportamento de relaxamento do estresse da traqueia suína que foi pré-esticada para 0% ou 10% de tensão para 300 s, seguida de carregamento mecânico de tração até a falha. Este estudo fornece detalhes do desenho experimental, aquisição de dados, análises e resultados preliminares dos testes biomecânicos da traqueia suína. Utilizando as etapas detalhadas fornecidas neste protocolo e o código MATLAB de análise de dados, estudos futuros podem investigar o comportamento viscoelástico dependente do tempo do tecido traqueia, que é fundamental para entender suas respostas biomecânicas durante condições fisiológicas, patológicas e traumáticas. Além disso, estudos aprofundados do comportamento biomecânico da traqueia ajudarão criticamente na melhoria do desenho de dispositivos médicos relacionados, como implantes endotraqueais que são amplamente utilizados durante as cirurgias.
Introduction
Apesar de seu papel crítico na doença pulmonar, a maior estrutura das vias aéreas, a traqueia, tem estudos limitados detalhando suas propriedades viscoelásticas1. Uma compreensão aprofundada do comportamento viscoelástico dependente do tempo da traqueia é fundamental para a pesquisa mecânica pulmonar, uma vez que a compreensão das propriedades materiais específicas das vias aéreas pode ajudar a avançar na ciência da prevenção de lesões, diagnóstico e intervenção clínica para doenças pulmonares, que são a terceira principal causa de morte nos Estados Unidos 2,3,4.
Estudos de caracterização tecidual disponíveis relataram as propriedades de rigidez da traqueia 5,6,7,8. As respostas mecânicas dependentes do tempo têm sido minimamente investigadas apesar de sua importância na remodelação tecidual, que também é alterada pela patologia 9,10. Além disso, a falta de dados de resposta dependentes do tempo também limita as capacidades preditivas dos modelos computacionais da mecânica pulmonar que atualmente recorrem ao uso das leis genéricas constitutivas. É preciso resolver essa lacuna realizando estudos de relaxamento do estresse que podem fornecer as características materiais necessárias para informar estudos biofísicos da traqueia. O presente estudo oferece detalhes sobre métodos de teste, aquisição de dados e análises de dados para investigar o comportamento de relaxamento do estresse da traqueia suína.
Protocol
Representative Results
Discussion
Poucos estudos relataram as propriedades de relaxamento do estresse da traqueia21,23. Estudos são necessários para fortalecer ainda mais nossa compreensão das respostas dependentes do tempo do tecido traqueal. Este estudo oferece etapas detalhadas para a realização dessas investigações; no entanto, as seguintes etapas críticas dentro do protocolo devem ser asseguradas para testes confiáveis: (1) hidratação adequada do tecido, (2) tipo de tecido semelha…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
A pesquisa relatada nesta publicação contou com o apoio do Instituto Nacional de Saúde Infantil e Desenvolvimento Humano eunice Kennedy Shriver dos Institutos Nacionais de Saúde sob o Prêmio Número R15HD093024 e o Prêmio CARREIRA da Fundação Nacional de Ciência 1752513.
Materials
| 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. Trachea: Anatomy and physiology. Thoracic Surgery Clinics. 24, 1-5 (2014).
- 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).
- 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. , (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).
