Biaksiale mekaniske beskrivelser af atrioventrikulær hjerteklapper

Summary

Denne protokol omfatter beskrivelser af atrioventrikulær ventilen foldere med kraft-kontrollerede, deplacement-kontrolleret, og stress-afslapning biaksiale mekanisk testprocedurerne. Resultater opnået med denne protokol kan bruges til konstituerende modeludvikling til at simulere de mekaniske opførsel af fungerende ventiler under en finite element simulation ramme.

Abstract

Omfattende biaksiale mekaniske test af atrioventrikulær hjertet ventilen foldere kan udnyttes til at udlede optimale parametre, der bruges i konstitutiv modeller, som giver en matematisk repræsentation af den mekaniske funktion af disse strukturer. Dette præsenteres biaksiale mekaniske prøvningsprotokol omfatter (i) væv erhvervelse, (ii) udarbejdelse af væv enheder, (iii) biaksiale mekanisk testning og (iv) efterbehandling af de indsamlede data. Først, væv erhvervelse kræver at få svin eller får hjerter fra en lokale Food and Drug Administration-godkendt slagteri for senere dissektion at hente ventilen foldere. For det andet kræver væv forberedelse brug af væv modellen kuttere på indlægsseddel væv til at udtrække en klar zone til test. Tredje, biaksiale mekanisk testning af indlægsseddel modellen kræver brug af en kommerciel biaksiale mekaniske tester, som består af kraft-kontrollerede, deplacement-kontrolleret, og stress-afslapning test protokoller for at karakterisere indlægsseddel væv mekaniske egenskaber. Endelig, efterbehandling kræver brug af data billede korrelation teknik og kraft og forskydning aflæsninger at opsummere det væv mekaniske opførsel som svar på eksterne lastning. Generelt, viser resultater fra biaksiale test, at indlægssedlen væv giver en ikke-lineær, Anisotropisk mekanisk svar. Præsenteres biaksiale testproceduren er fordelagtig for andre metoder, da metoden præsenteres her giver mulighed for en mere omfattende karakterisering af ventilen indlægsseddel væv under ét samlet afprøvning ordning, i stedet for separate test protokoller på forskellige væv prøver. Den foreslåede testmetode har sine begrænsninger, idet shear stress er potentielt til stede i vævsprøve. Enhver potentiel shear formodes dog ubetydelig.

Introduction

Korrekt hjertefunktionen afhængig af passende mekaniske opførsel af hjertet ventilen foldere. I situationer hvor hjertet ventilen indlægsseddel mekanik er kompromitteret, opstår hjertet ventilen sygdom, som kan føre til andre hjerte-relaterede spørgsmål. Forståelse hjertet ventilen sygdom kræver en grundig forståelse af foldere ordentlig mekaniske opførsel til brug ved datamatisk modeller og terapeutisk udvikling, og som sådan en afprøvning ordning skal udvikles til at præcist hente det sunde foldere mekaniske egenskaber. I den tidligere litteratur, er denne mekaniske karakterisering gennemført ved hjælp af biaksiale mekaniske testprocedurer.

Biaksiale mekaniske prøvningsprocedurer for bløddele varierer hele litteraturen, med forskellige test rammer udnyttes til at hente forskellige egenskaber^{1,2,3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19}. test metoder er blevet udvidet til afproevning af de mekaniske egenskaber af hjertet ventilen foldere. Generelt baseret biaksiale mekaniske test indebærer lastning hjertet ventilen væv med samtidige kræfter i de to vigtigste retninger, men hvordan denne test udføres varierer på biomekaniske egenskaber skal overholdes. Nogle af disse test protokoller omfatter (i) stamme-sats, (ii) krybe, (iii) stress-afslapning og (iv) kraft-kontrolleret afprøvning.

Først, stamme-hastighed test er blevet udnyttet til at bestemme den tidsafhængig opførsel af væv pjecer^18,20. I denne test protokol, foldere er lastet til maksimal membran spændinger på forskellige halv-cyklus gange (dvs. 1, 0,5, 0,1 og 0,05 s) til at afgøre, om der er en betydelig forskel i peak strækning eller hysterese mellem loading tider. Disse test har dog vist en ubetydelig forskel i den observerede stretch med varierende belastning-priser. Andet i krybe test, er væv lastet til peak membran spændinger og afholdt på peak membran spændinger. Denne test giver en demonstration af hvordan det væv forskydning kryber for at opretholde peak membran spændinger. Men det har vist sig at krympning er ubetydelig for hjertet ventilen foldere under fysiologisk funktion^3,20. Tredje i stress-afslapning test, vævet er lastet til peak membran spændinger og den tilknyttede forskydning holdes konstant i en længere periode af tid^3,21,22. I denne type test, har væv stress en bemærkelsesværdig reduktion fra peak membran spændinger. Endelig i kraft-kontrollerede test, er væv cyklisk indlæst på forskellige nøgletal peak membran spændinger i hver retning^17,23. Disse tests viser materialet anisotropy og ulineære stress-strain svar, og ved at indlæse vævet under forskellige nøgletal, potentielle fysiologisk deformationer kan blive bedre forstået. Disse nylige undersøgelser gjort det klart, at stress-afslapning og kraft-kontrollerede protokoller bevise mest gavnlige til at udføre en mekanisk karakterisering af hjertet ventilen foldere. Trods disse fremskridt i hjertet ventilen biomekaniske karakterisering, afprøvning er ikke udført under én samlet afprøvning ordning, og der er begrænset metoder til at undersøge kobling mellem retninger.

Formålet med denne metode er at fremme en fuld materielle karakterisering af hjertet ventilen foldere ved en samlet biaksiale mekanisk afprøvning ordning. En samlet afprøvning ordning betragtes som en hvor hver brochure er testet under alle test protokoller i én session. Dette er fordelagtigt, da væv egenskaber er i sagens natur variabel mellem foldere, så en fuld karakteristik for hver folder viser sig mere præcis som en deskriptor end udfører hver protokol uafhængigt på forskellige foldere. Ordningen test består af tre hovedelementer, nemlig en kraft-kontrollerede biaksiale prøvningsprotokol, (ii) en forskydning-kontrollerede biaksiale prøvningsprotokol og (iii) en biaksiale stress-afslapning prøvningsprotokol. Alle test ordninger udnytte en belastningsgraden af 4.42 N/min, og 10 lastning losning cykler at sikre stress-strain kurve replicability af de 10 cyklus (som findes i tidligere arbejde)²³. Alle protokollerne er også bygget baseret på den antagelse, membran spændinger, som kræver, at tykkelsen er mindre end 10% af den effektive modellen længder.

Den kraft-kontrollerede protokol, der bruges i denne præsenteret metode består af 10 lastning og losning cyklusser med peak membran spændinger på 100 N/m og 75 N/m for mitralklap (MV) og trikuspidalklappen (TV), henholdsvis^15,17. Fem lastning nøgletal betragtes i denne kraft-kontrollerede test protokol, nemlig 1:1, 0.75:1, 1:0.75, 0.5:1 og 1:0. 5. Disse fem lastning nøgletal vise sig nyttige til at beskrive understreger og stammer korrespondent til alle potentielle fysiologisk deformationer indlægsseddel in vivo.

Forskydning-kontrollerede protokollen præsenteret i denne metode består af to deformation scenarier, nemlig (i) begrænset enakset stretching og (ii) ren shear. I den begrænsede enakset stretching, er én retning af væv fordrevet til peak membran spænding mens om fastsættelse af anden retningen. I opsætningen ren shear er vævet strakt i én retning og velovervejet afkortes i anden retningen, så området af væv forbliver konstant under deformation. Hver af disse deplacement-kontrollerede testprocedurer er udført for hvert af to væv retninger (omkredsen og radial retning).

Stress afslapning-protokol, der bruges i metoden præsenteres opnås ved indlæsning af væv til peak membran spændinger i begge retninger og holde væv på de korrespondent forskydninger i 15 min. til at overvåge det væv stress afslapning adfærd. De detaljerede eksperimentelle procedurer er drøftet næste.

Protocol

Alle metoder beskrevet blev godkendt af institutionelle Animal Care og brug udvalg (IACUC) på University of Oklahoma. Alle animalske væv er anskaffet fra en afdeling af landbrug USDA godkendt slagteri (land kød Co., Edmond, OK). 1. Vævscentre erhvervelse og rengøring Hente den animalske hjerter på samme dag, som dyret er slagtet og gemme hjertet i en is brystet at sikre væv friskhed. Transportere hjerter til laboratorium plads. Ved ankomsten til laboratoriet, nedsæn…

Representative Results

Stress-stretch data fra kraft-kontrollerede biaksiale mekaniske test afslører en ikke-lineær kurve med nogle lighed med en eksponentiel kurve (figur 12). Om svar i hver vigtigste retning er den materielle adfærd paa tvaers isotropic, med radial stretch større end omkredsen deformation. I nogle tilfælde kan den anisotropy retninger flip, med omkredsen retning udviser større overholdelse end den radialt. Denne vendt svar er observeret i TV oftere end i MV…

Discussion

Kritiske trin til denne biaksiale mekaniske test omfatter (i) den ordentlig orientering af indlægssedlen, (ii) en korrekt biaksiale tester setup for ubetydelig shear og (iii) en forsigtig application fiducial markører. Orientering af indlægssedlen er afgørende for opnået mekanisk karakterisering af indlægsseddel væv som materialet er anisotrope i naturen. Således, de radiale og omkredsen retninger skal være kendt for at ordentligt tilpasse væv prøver med den test X – og Y-retninger. Det er også vigtigt at bia…

Materials

10% Formalin Solution, Neutral Bufffered	Sigma-Aldrich	HT501128-4L
40X-2500X LED Lab Trinocular Compound Microscope	AmScope	SKU: T120C
BioTester – Biaxial Tester	CellScale Biomaterials Testing		1.5N Load Cell Capacity
ImageJ	National Institute of Health, Bethesda, MD	Version 1.8.0_112
LabJoy	CellScale Biomaterials Testing	Version 10.66
MATLAB	MathWorks	Version 2018b
Phosphate-Buffered Saline	n/a		Recipe for 1L 1X PBS Solution: 8.0g NaCl, 0.2g KCl, 1.44g Na2HPO4, 0.24g KH2PO4
Single Edge Industrial Razor Blades (Surgical Carbon Steel)	VWR International	H3515541105024	Razord blades for tissue retrieval and preparation procedures