JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Résultats
Discussion
Divulgations
Acknowledgements
Materials
References
Traduction automatique
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bio-ingénierie

Trakeada Stres-Gevşeme ve Başarısızlık Yanıtlarının İncelenmesi

Published: October 18, 2022
doi:
10.3791/64245
, , , ,
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

Mevcut protokol domuz trakealarının gerilme stresi-gevşeme ve başarısızlık özelliklerini belirlemektedir. Bu tür yöntemlerden elde edilen sonuçlar, trakeanın viskoelastik ve başarısızlık eşiklerinin anlaşılmasını iyileştirmeye ve pulmoner sistemin hesaplamalı modellerinin yeteneklerini geliştirmeye yardımcı olabilir.

Abstract

Trakeanın biyomekanik özellikleri hava akışını doğrudan etkiler ve solunum sisteminin biyolojik fonksiyonuna katkıda bulunur. Bu özellikleri anlamak, bu dokudaki yaralanma mekanizmasını anlamak için kritik öneme sahiptir. Bu protokol, domuz trakeasının 300 s için% 0 veya% 10 gerinime önceden gerilmiş stres gevşeme davranışını incelemek için deneysel bir yaklaşımı açıklar, ardından arızaya kadar mekanik çekme yüklemesi yapılır. Bu çalışma, deneysel tasarım, veri toplama, analizler ve domuz trakea biyomekanik testinden elde edilen ön sonuçların ayrıntılarını sunmaktadır. Bu protokolde sağlanan ayrıntılı adımları ve veri analizi MATLAB kodunu kullanarak, gelecekteki çalışmalar trakea dokusunun fizyolojik, patolojik ve travmatik durumlar sırasında biyomekanik tepkilerini anlamak için kritik olan zamana bağlı viskoelastik davranışını araştırabilir. Ayrıca, trakeanın biyomekanik davranışının derinlemesine incelenmesi, ameliyatlar sırasında yaygın olarak kullanılan endotrakeal implantlar gibi ilgili tıbbi cihazların tasarımının iyileştirilmesinde kritik öneme sahip olacaktır.

Introduction

Akciğer hastalığındaki kritik rolüne rağmen, en büyük hava yolu yapısı olan trakea, viskoelastik özelliklerini detaylandıran sınırlıçalışmalara sahiptir 1. Trakeanın zamana bağlı, viskoelastik davranışının derinlemesine anlaşılması, pulmoner mekanik araştırmaları için kritik öneme sahiptir, çünkü hava yoluna özgü malzeme özelliklerinin anlaşılması, Amerika Birleşik Devletleri’nde üçüncü önde gelen ölüm nedeni olan akciğer hastalıkları için yaralanma önleme, teşhis ve klinik müdahale biliminin ilerlemesine yardımcı olabilir 2,3,4.

Mevcut doku karakterizasyon çalışmaları trakeanın sertlik özelliklerini bildirmiştir 5,6,7,8. Zamana bağlı mekanik yanıtlar, patoloji 9,10 tarafından da değiştirilen doku yeniden şekillenmesindeki önemine rağmen minimal düzeyde araştırılmıştır. Dahası, zamana bağlı yanıt verilerinin eksikliği, şu anda genel kurucu yasaları kullanmaya başvuran pulmoner mekanik hesaplama modellerinin öngörücü yeteneklerini de sınırlar. Trakeanın biyofiziksel çalışmalarını bilgilendirmek için gerekli materyal özelliklerini sağlayabilecek stres-gevşeme çalışmaları yaparak bu boşluğu gidermeye ihtiyaç vardır. Bu çalışma, domuz trakeasının stres-gevşeme davranışını araştırmak için test yöntemleri, veri toplama ve veri analizlerinin ayrıntılarını sunmaktadır.

Protocol

Açıklanan tüm yöntemler, Drexel Üniversitesi’ndeki Kurumsal Hayvan Bakımı ve Kullanımı Komitesi (IACUC) tarafından onaylanmıştır. Tüm kadavra hayvanları, ABD’nin Pensilvanya eyaletinde bulunan Amerika Birleşik Devletleri Tarım Bakanlığı (USDA) onaylı bir çiftlikten satın alınmıştır. Bu çalışma için erkek Yorkshire domuzundan (3 haftalık) bir kadavra kullanılmıştır. 1. Doku hasadı Onaylanmış bir çiftlikten bir domuz kadavrası e…

Representative Results

Şekil 1, kelepçeleme bölgesinin yakınındaki başarısız dokuyu ve kelepçe içindeki dokunun varlığını göstererek, çekme testi sırasında kayma olmadığını doğrulamaktadır. Şekil 2, test edilen numuneler arasında çekme testi sırasında gözlemlenen üst veya alt sıkıştırma bölgeleri veya dokunun uzunluğu boyunca dahil olmak üzere çeşitli arıza yerlerini göstermektedir. Veri analizi sonuçları Şekil 3-4</str…

Discussion

Çok az sayıda çalışma trakeanın stres-gevşeme özelliklerini bildirmiştir21,23. Trakea dokusunun zamana bağlı tepkileri hakkındaki anlayışımızı daha da güçlendirmek için çalışmalara ihtiyaç vardır. Bu çalışma, bu tür araştırmaları gerçekleştirmek için ayrıntılı adımlar sunmaktadır; Bununla birlikte, güvenilir test için protokoldeki aşağıdaki kritik adımlar sağlanmalıdır: (1) uygun doku hidrasyonu, (2) çevresel ve u…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu yayında bildirilen araştırmalar, Ulusal Sağlık Enstitüleri’nin Eunice Kennedy Shriver Ulusal Çocuk Sağlığı ve İnsani Gelişme Enstitüsü tarafından R15HD093024 Ödül Numarası ve Ulusal Bilim Vakfı KARİYER Ödülü Numarası 1752513 altında desteklenmiştir.

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
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. 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. , (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

TracheaStress-relaxationFailure ResponsePulmonary MechanicsLarynxTracheal TubeLongitudinal StripsFailure TestingLoad Relaxation DataMechanical FailureTensile Mechanical Loading

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citer Cet Article
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).
Télécharger la Citation
Réimpressions et Autorisations

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image