Investigación de la relajación del estrés y las respuestas de falla en la tráquea
Summary
El presente protocolo determina las propiedades de relajación y fallo de la tensión de tracción de las tráqueas porcinas. Los resultados de tales métodos pueden ayudar a mejorar la comprensión de los umbrales viscoelásticos y de falla de la tráquea y ayudar a avanzar en las capacidades de los modelos computacionales del sistema pulmonar.
Abstract
Las propiedades biomecánicas de la tráquea afectan directamente el flujo de aire y contribuyen a la función biológica del sistema respiratorio. Comprender estas propiedades es fundamental para comprender el mecanismo de lesión en este tejido. Este protocolo describe un enfoque experimental para estudiar el comportamiento de relajación del estrés de la tráquea porcina que se estiró previamente a 0% o 10% de tensión durante 300 s, seguida de una carga mecánica de tracción hasta la falla. Este estudio proporciona detalles del diseño experimental, la adquisición de datos, los análisis y los resultados preliminares de las pruebas biomecánicas de tráqueas porcinas. Utilizando los pasos detallados proporcionados en este protocolo y el código de análisis de datos de MATLAB, los estudios futuros pueden investigar el comportamiento viscoelástico dependiente del tiempo del tejido de la tráquea, que es fundamental para comprender sus respuestas biomecánicas durante condiciones fisiológicas, patológicas y traumáticas. Además, los estudios en profundidad del comportamiento biomecánico de la tráquea ayudarán críticamente a mejorar el diseño de dispositivos médicos relacionados, como los implantes endotraqueales que se usan ampliamente durante las cirugías.
Introduction
A pesar de su papel crítico en la enfermedad pulmonar, la estructura más grande de la vía aérea, la tráquea, tiene estudios limitados que detallan sus propiedades viscoelásticas1. Una comprensión profunda del comportamiento viscoelástico dependiente del tiempo de la tráquea es fundamental para la investigación de la mecánica pulmonar, ya que comprender las propiedades específicas del material de las vías respiratorias puede ayudar a avanzar en la ciencia de la prevención de lesiones, el diagnóstico y la intervención clínica para las enfermedades pulmonares, que son la tercera causa principal de muerte en los Estados Unidos 2,3,4.
Los estudios de caracterización tisular disponibles han reportado las propiedades de rigidez de la tráquea 5,6,7,8. Las respuestas mecánicas dependientes del tiempo han sido mínimamente investigadas a pesar de su importancia en la remodelación tisular, que también está alterada por la patología 9,10. Además, la falta de datos de respuesta dependientes del tiempo también limita las capacidades predictivas de los modelos computacionales de mecánica pulmonar que actualmente recurren al uso de las leyes constitutivas genéricas. Es necesario abordar esta brecha mediante la realización de estudios de relajación del estrés que puedan proporcionar las características materiales requeridas para informar los estudios biofísicos de la tráquea. El estudio actual ofrece detalles de métodos de prueba, adquisición de datos y análisis de datos para investigar el comportamiento de relajación del estrés de la tráquea porcina.
Protocol
Representative Results
Discussion
Muy pocos estudios han reportado las propiedades de estrés-relajación de la tráquea21,23. Se necesitan estudios para fortalecer aún más nuestra comprensión de las respuestas dependientes del tiempo del tejido traqueal. Este estudio ofrece pasos detallados para realizar tales investigaciones; Sin embargo, se deben garantizar los siguientes pasos críticos dentro del protocolo para realizar pruebas fiables: (1) hidratación adecuada del tejido, (2) distribuci…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
La investigación reportada en esta publicación fue apoyada por el Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano Eunice Kennedy Shriver de los Institutos Nacionales de Salud bajo el número de premio R15HD093024 y el premio CAREER de la Fundación Nacional de Ciencias Número 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).
