Med hjälp av digital bild Korrelation att karaktärisera lokala stammar på Kärlvävnadsprover
Summary
We describe the use of digital image correlation to characterize the local surface strain field on vascular tissue samples subjected to uniaxial tensile testing. These measurements facilitate precise quantification of the sample mechanical response and the generation of constitutive stress-strain relations.
Abstract
Characterization of the mechanical behavior of biological and engineered soft tissues is a central component of fundamental biomedical research and product development. Stress-strain relationships are typically obtained from mechanical testing data to enable comparative assessment among samples and in some cases identification of constitutive mechanical properties. However, errors may be introduced through the use of average strain measures, as significant heterogeneity in the strain field may result from geometrical non-uniformity of the sample and stress concentrations induced by mounting/gripping of soft tissues within the test system. When strain field heterogeneity is significant, accurate assessment of the sample mechanical response requires measurement of local strains. This study demonstrates a novel biomechanical testing protocol for calculating local surface strains using a mechanical testing device coupled with a high resolution camera and a digital image correlation technique. A series of sample surface images are acquired and then analyzed to quantify the local surface strain of a vascular tissue specimen subjected to ramped uniaxial loading. This approach can improve accuracy in experimental vascular biomechanics and has potential for broader use among other native soft tissues, engineered soft tissues, and soft hydrogel/polymeric materials. In the video, we demonstrate how to set up the system components and perform a complete experiment on native vascular tissue.
Introduction
En rik historia av forskning som spänner över 50 år har fokuserat på att kvantifiera de mekaniska egenskaperna hos kärlvävnader. Dessa studier ger oss möjlighet att bättre förstå både fysiologiska och patologiska beteende av blodkärl, ge underlag för utvärdering av effekten / förenlighet endovaskulära anordningar, och stöd i design och tillverkning av tekniska vaskulär konstruerar 1-6. Noggrann mätning av den mekaniska svar av mjuka vävnader och konstitutiv modellering av deras mekaniska egenskaper är i sig en utmaning på grund av den mekaniska heterogenitet, anisotropi, och olinjäritet uppvisas av de flesta vävnadstyper. Dessutom är experimentella mätningar ofta förvirrad av lokala komplikationer införs på prov-grepp gränssnitt i samband med mekanisk provning (dvs. böjning, friktion, spänningskoncentrationer, tårflöde) och den oundvikliga övergången av mekaniska egenskaper när vävnad skärs från levande djur. </ p>
En enaxlad drag experiment är bland de enklaste mekaniska tester som kan utföras på ett prov gjord av ett fast material, och används ofta för att bedöma den mekaniska responsen hos kärlvävnad. Resultat från dessa experiment ge användbar preliminär information för både nativa och modifierade vävnadskällor, och kan användas för att jämföra effekterna av vissa behandlingar, sjukdomstillstånd eller farmakologiska föreningar på det mekaniska beteendet hos den vaskulära väggen 7-11.
Enaxlig mekanisk provning av mjuka vävnader utförs typiskt på prover med relativt enhetliga geometrier, som är vanligast hundbens eller ringformad 7,8,12-14. Däremot kan väsentlig avvikelse från dessa idealiserade geometrier uppstå på grund av utmaningarna i samband med vävnads dissektion, isolering och kläm inom testsystemet. Vilken som helst icke-enhetlighet i geometri kommer slutligen ge upphov till heterogena påfrestningarfält när provet utsattes för enaxlig förlängning, med graden av heterogenitet beroende aktuella provet form, såväl som provstorlek (i förhållande till greppen) och de mekaniska egenskaperna hos materialet 9,15,16. När fältheterogeniteter är betydande, prov stammen beräkningar baserade på de relativa grepppositioner är felaktiga och därmed en otillräcklig grund för bedömningen mekaniska egenskaper.
Videoanalyssystem har använts i stor utsträckning för stam mätningar av mjuka vävnader, ofta med hjälp av hög kontrast färgmarkeringar appliceras på provytan 17,18. Digital bild korrelation, en optisk metrologisk teknik som mäter full fältytan stam genom att jämföra grånivå intensitetsvärden på provytan före och efter deformation, har använts i samband med videoanalyser av mjuka vävnader 19-21. Det finns flera fördelar med digital bild korrelation jämfört med interferometric metoder som kan användas för mätningar. Först, som en beröringsfri mätning teknik minimerar det de störande effekterna av modifiering av materialegenskaper på grund av det sätt på vilket mätsystemet påverkar provet. För det andra krävs det en mycket mindre stränga mätning miljön och har ett bredare spektrum av känslighet och upplösning än andra metoder. För det tredje, utrustad med förmågan att fånga en hel synfält, kan denna teknik präglar både genomsnittet och de lokala mekaniska svar. För detaljerad förklaring av metoden, är läsarna uppmanas att se boken av Sutton 22.
För att få spänningsfält på provytan, kan en tvådimensionell digital bild korrelationsteknik (2D-DIC) användas. Kort sagt, bilder av provet fångas på obelastade och olika laddade tillstånd. Den första bilden är uppdelat i små fyrkanter som kallas undergrupper (M × M pixlar), vilka bildar ett nät för efterföljande beräkning av2D spänningsfält. Positionen för varje ruta i de deformerade prov erhålls med användning av en bildmatchningsalgoritmen. Rörelsen hos varje ruta därefter spåras, bild-för-bild, vilket gav förskjutnings områden som sedan kan användas för att härleda deformation gradienter och stammar via en rad olika metoder, inklusive polynom montering eller finit elementinterpolering. I det aktuella manuskriptet, ger vi en detaljerad metod för bedömning av ytan spänningsfält på inhemska kärlvävnader genom integrering av enaxlig dragprovning och 2D-DIC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Även tidigare studier har använt ett brett utbud av färg-tracking video metoder för att bedöma prov stam 18,20,21,23,24 är vår nuvarande målsättning att ge en heltäckande metod för att koppla enaxlig dragprovning med 2D-DIC för bedömning av yta påfrestningar på vaskulära vävnadsprover. Med en kamera med hög upplösning och in-house bildanalys programvara, kan stammen fältet mätas inom en förutbestämd yta region som provet genomgår enaxlig belastning. Av särskild betydelse för mekanisk…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Programvaran och teknisk support var artighet av Correlated Solutions Incorporated (www.correlatedsolutions.com).
Materials
| Uniaxial tensile mechanical tester | Enduratec | 3230 AT/HR | |
| Blue tissue marking dye | http://www.ebay.com/itm/Tissue-Marking-Dye-in-Bottles-2oz-Bottle-1-ea-/201193551510?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item2ed811f696 | ||
| Sprayer | Anest-iwata | CM-B | Custom Micron B |
| Camera | Point Grey | GS2-GE-50S5M-C | |
| Lens | Tokina | AT-X M100 | |
| Vascular tissue | Caughman Inc | ||
| 0.9% Sodium Chloride Injection PBS | BAXTER HEALTHCARE CORP. | ||
| Vic_snap | Correlated Solutions | ||
| Vic_2D | Correlated Solutions | ||
| Wintest 4.1 | Bose ElectroForce | ||
| Tissue adhesive | 3M Vetbond | 1469SB | |
| Disinfectant | Fisher Scientific | 04-355-13 | Decon BDD Bacdown Detergent Disinfectant |
Riferimenti
- Holzapfel, G. A. Biomechanics of soft tissue. The handbook of materials behavior models. 3, 1049-1063 (2001).
- Vito, R. P., Dixon, S. A. Blood vessel constitutive models-1995-2002. Annu Rev Biomed Eng. 5, 413-439 (2003).
- Dodson, R. B., Martin, J. T., Hunter, K. S., Ferguson, V. L. Determination of hyperelastic properties for umbilical artery in preeclampsia from uniaxial extension tests. Eur J Obstet Gynecol Reprod Biol. 169, 207-212 (2013).
- Chuong, C. J., Fung, Y. C. On residual stresses in arteries. J Biomech Eng. 108, 189-192 (1986).
- Borschel, G. H., et al. Tissue engineering of recellularized small-diameter vascular grafts. Tissue Eng. 11, 778-786 (2005).
- Wagenseil, J. E., Mecham, R. P. Vascular extracellular matrix and arterial mechanics. Physiol Rev. 89, 957-989 (2009).
- Holzapfel, G. A. Determination of material models for arterial walls from uniaxial extension tests and histological structure. J Theor Biol. 238, 290-302 (2006).
- Tanaka, T. T., Fung, Y. C. Elastic and inelastic properties of the canine aorta and their variation along the aortic tree. J Biomech. 7, 357-370 (1974).
- Sokolis, D. Passive mechanical properties and structure of the aorta: segmental analysis. Acta physiologica. 190, 277-289 (2007).
- Twal, W., et al. Cellularized Microcarriers as Adhesive Building Blocks for Fabrication of Tubular Tissue Constructs. Ann Biomed Eng. , 1-12 (2013).
- Shazly, T., et al. On the Uniaxial Ring Test of Tissue Engineered Constructs. Exp Mech. , 1-11 (2014).
- Kim, J., Baek, S. Circumferential variations of mechanical behavior of the porcine thoracic aorta during the inflation test. J Biomech. 44, 1941-1947 (2011).
- Li, L., et al. Determination of material parameters of the two-dimensional Holzapfel-Weizsacker type model based on uniaxial extension data of arterial walls. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 16, 358-367 (2013).
- Li, L., et al. Determination of the material parameters of four-fibre family model based on uniaxial extension data of arterial walls. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 17, 695-703 (2014).
- Hoeltzel, D. A., Altman, P., Buzard, K., Choe, K. I. Strip extensiometry for comparison of the mechanical response of bovine, rabbit, and human corneas. J Biomech Eng. 114, 202-215 (1992).
- Guo, X., Kassab, G. S. Variation of mechanical properties along the length of the aorta in C57bl/6 mice. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 285, H2614-H2622 (2003).
- Smutz, W., Drexler, M., Berglund, L., Growney, E., An, K. Accuracy of a video strain measurement system. J Biomech. 29, 813-817 (1996).
- Genovese, K., Lee, Y. U., Lee, A. Y., Humphrey, J. D. An improved panoramic digital image correlation method for vascular strain analysis and material characterization. J Mech Behav Biomed Mater. 27, 132-142 (2013).
- Wang, C. C., Deng, J. M., Ateshian, G. A., Hung, C. T. An automated approach for direct measurement of two-dimensional strain distributions within articular cartilage under unconfined compression. J Biomech Eng. 124, 557-567 (2002).
- Ning, J., et al. Deformation measurements and material property estimation of mouse carotid artery using a microstructure-based constitutive model. J Biomech Eng. 132, 121010 (2010).
- Sutton, M. A., et al. Strain field measurements on mouse carotid arteries using microscopic three-dimensional digital image correlation. J Biomed Mater Res A. 84, 178-190 (2008).
- Sutton, M. A., Orteu, J. J., Schreier, H. . Image correlation for shape, motion and deformation measurements: basic concepts, theory and applications. , (2009).
- Verhulp, E., van Rietbergen, B., Huiskes, R. A three-dimensional digital image correlation technique for strain measurements in microstructures. J Biomech. 37, 1313-1320 (2004).
- Wang, C. C., Deng, J. M., Ateshian, G. A., Hung, C. T. An automated approach for direct measurement of two-dimensional strain distributions within articular cartilage under unconfined compression. Journal of Biomechanical Engineering. 124, 557-567 (2002).
- Franck, C., Hong, S., Maskarinec, S., Tirrell, D., Ravichandran, G. Three-dimensional full-field measurements of large deformations in soft materials using confocal microscopy and digital volume correlation. Exp Mech. 47, 427-438 (2007).
- Garcia, A., et al. Experimental study and constitutive modelling of the passive mechanical properties of the porcine carotid artery and its relation to histological analysis: Implications in animal cardiovascular device trials. Med Eng Phys. 33, 665-676 (2011).
- Miller, K. How to test very soft biological tissues in extension?. J Biomech. 34, 651-657 (2001).
- Sutton, M. A. . Springer handbook of experimental solid mechanics. , 565-600 (2008).
- Han, H. C., Fung, Y. C. Longitudinal strain of canine and porcine aortas. J Biomech. 28, 637-641 (1995).
- Sokolis, D. P. A passive strain-energy function for elastic and muscular arteries: correlation of material parameters with histological data. Med Biol Eng Comput. 48, 507-518 (2010).
- Zhou, B., Wolf, L., Rachev, A., Shazly, T. A structure-motivated model of the passive mechanical response of the primary porcine renal artery. J Mech Med Biol. , (2013).
- Zhou, B., Rachev, A., Shazly, T. The biaxial active mechanical properties of the porcine primary renal artery. J Mech Behav Biomed Mater. 48, 28-37 (2015).
- Sommer, G., Holzapfel, G. A. 3D constitutive modeling of the biaxial mechanical response of intact and layer-dissected human carotid arteries. J Mech Behav Biomed Mater. 5, 116-128 (2012).
