Undersøker stressavslapping og feilrespons i luftrøret
Summary
Denne protokollen bestemmer strekkspenningsavslapping og sviktegenskaper til svinetrakeer. Resultater fra slike metoder kan bidra til å forbedre forståelsen av luftrørets viskoelastiske og sviktgrenser og bidra til å fremme evnen til beregningsmodeller av lungesystemet.
Abstract
De biomekaniske egenskapene til luftrøret påvirker luftstrømmen direkte og bidrar til åndedrettssystemets biologiske funksjon. Å forstå disse egenskapene er avgjørende for å forstå skademekanismen i dette vevet. Denne protokollen beskriver en eksperimentell tilnærming for å studere stressavslappingsadferden til svine-luftrør som ble pre-strukket til 0% eller 10% belastning for 300 s, etterfulgt av mekanisk strekkbelastning til feil. Denne studien gir detaljer om eksperimentell design, datainnsamling, analyser og foreløpige resultater fra biomekanisk testing av svinetrakeer. Ved hjelp av de detaljerte trinnene i denne protokollen og dataanalysen MATLAB-kode, kan fremtidige studier undersøke den tidsavhengige viskoelastiske oppførselen til luftrørvev, noe som er avgjørende for å forstå dets biomekaniske responser under fysiologiske, patologiske og traumatiske forhold. Videre vil grundige studier av den biomekaniske oppførselen til luftrøret kritisk hjelpe til med å forbedre utformingen av relatert medisinsk utstyr som endotrakealimplantater som er mye brukt under operasjoner.
Introduction
Til tross for sin kritiske rolle i lungesykdom, har den største luftveisstrukturen, luftrøret, begrensede studier som beskriver dens viskoelastiske egenskaper1. En grundig forståelse av den tidsavhengige, viskoelastiske oppførselen til luftrøret er avgjørende for lungemekanikkforskning, siden forståelse av luftveisspesifikke materialegenskaper kan bidra til å fremme vitenskapen om skadeforebygging, diagnose og klinisk inngrep for lungesykdommer, som er den tredje ledende dødsårsaken i USA 2,3,4.
Tilgjengelige vevskarakteriseringsstudier har rapportert stivhetsegenskapene til luftrøret 5,6,7,8. De tidsavhengige mekaniske responsene har blitt minimalt undersøkt til tross for deres betydning i vevsremodellering, som også endres av patologi 9,10. Videre begrenser mangelen på tidsavhengige responsdata også de prediktive egenskapene til lungemekaniske beregningsmodeller som for tiden tyr til bruk av generiske konstitutive lover. Det er behov for å løse dette gapet ved å utføre stressavslappingsstudier som kan gi de nødvendige materielle egenskapene for å informere biofysiske studier av luftrøret. Den nåværende studien gir detaljer om testmetoder, datainnsamling og dataanalyser for å undersøke stressavslappingsadferden til svine-luftrøret.
Protocol
Representative Results
Discussion
Svært få studier har rapportert stressavslappingsegenskapene til luftrøret21,23. Studier er nødvendig for å ytterligere styrke vår forståelse av de tidsavhengige responsene i trakealvevet. Denne studien tilbyr detaljerte trinn for å utføre slike undersøkelser; Imidlertid må følgende kritiske trinn i protokollen sikres for pålitelig testing: (1) riktig vevhydrering, (2) lignende vevstype (antall bruskringer og muskler) distribusjon i omkrets- og langs…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forskning rapportert i denne publikasjonen ble støttet av Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development of the National Institutes of Health under Award Number R15HD093024 og National Science Foundation CAREER Award Number 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).
