房室弁の二軸の機械特性
Summary
このプロトコルは、力が制御する房室弁尖の変位制御、および応力緩和 2 軸機械テスト手順。このプロトコルで取得した結果は、構成モデルの開発のため機能バルブ有限要素シミュレーションの枠組みの下での力学的挙動をシミュレートするために使用できます。
Abstract
心臓房室弁尖の広範な二軸機械試験は、それら構造物の力学的機能の数学的な表現を提供する構成のモデルで使用する最適なパラメーターを取得する使用できます。この提示された二軸機械試験プロトコルには、組織 (i) 買収、組織標本、(iii) 二軸機械テスト、および取得したデータの後処理 (iv) (ii) の準備が含まれます。まず、組織の買収は、弁尖を取得地元の食品から医薬品局承認後郭清の屠畜場にブタや羊の心を取得必要があります。第二に、ティッシュの準備は、リーフレット組織組織試料切断機を使用してテストの明確なゾーンを抽出する必要があります。リーフレット試験片の第三に、二軸機械試験力制御から構成され、商業二軸機械テスターを使用する必要変位、応力緩和試験リーフレット組織を特徴づけるためのプロトコルと機械的性質。最後に、後処理データ画像相関法と外部負荷に対する応答の組織の力学的挙動を要約する力と変位の測定値の使用が必要です。一般に、二軸試験からの結果はリーフレット組織が非線形、異方性の力学的応答をもたらすことを示しています。ここで紹介した方法で弁のリーフレットの組織のより包括的な評価のため独立したテスト プロトコルではなく、1 つの統一されたテスト方式ができるので提示された二軸試験手順は他の方法に有利であります。別の組織標本。テスト手法そのせん断応力には潜在的組織サンプルでは限界があります。ただし、任意の潜在的なせん断は無視できる程度と推定されます。
Introduction
適切な心臓の機能は、心臓の弁尖の適切な力学的挙動に依存します。心臓弁のリーフレットの力学が侵害された場合、心臓弁膜症が発生します、その他の心臓関連の問題につながる可能性があります。計算モデルと治療の開発で使用するためビラの適切な力学的挙動の理解を必要と心臓弁膜症を理解し、正確に健康を取得するテスト手法の開発など、ビラの機械的性質。以前文献でこの機械の特性は二軸機械テスト プロシージャを使用としました。
文学、全体の特性の異なる1,2,3,4を取得するために利用されているさまざまなテスト フレームワークによって軟組織用二軸機械テスト手順 5,6,7,8,9,10、11,12,13,14,15,16,17,18,19. テスト メソッドが拡張され、心臓弁尖の力学的特性に関する研究。一般に、二軸機械試験 2 つの主方向の同時の力で心臓弁の組織が読み込まれますが、このテストの実行方法によって異なりますは、観察される力学的特性に基づいています。これらのプロトコルをテストの一部は、(i) ひずみ率、クリープ (ii)、(iii) 応力緩和、(iv) 力制御のテストを含みます。
まず、ティッシュ チラシ18,20時間依存性変形挙動を決定するひずみレート ・ テストを利用されています。このテストのプロトコルでチラシは別の半分のサイクル時間の最大膜張力に読み込まれます (すなわち、1、0.5、0.1、および 0.05 s) ロード時間間ピーク ストレッチまたはヒステリシスに有意差があるかを決定します。ただし、これらのテストは、さまざまなひずみ速度と観測のストレッチでごくわずかな違いを示しています。第二に、クリープ試験に組織がピーク膜張力に読み込まれ、ピーク膜張力で開催。このテストには、ピーク膜張力を維持するためにどのように組織の変位がゾッとのデモンストレーションすることができます。しかし、それはクリープが生理機能の下で心臓弁尖のために重要ではないことに示されている3,20。第三に、応力緩和試験、組織はピーク膜張力に読み込まれ、関連付けられた変位が時間3,21,22の長時間にわたって一定に保たれます。このタイプのテストでは、組織の応力ピーク膜張力からの顕著な削減があります。最後に、試験力制御における組織、周期的に各方向17,23におけるピーク膜張力の様々 な比率で読み込まれます。これらのテストは、材料の異方性と非線形応力-ひずみ応答を明らかにする、様々 な比率の下で組織を装填することで潜在的な生理学的な変形をよりよく理解することがあります。これらの最近の調査は、明白なその応力緩和と力制御プロトコルが心臓弁尖の力学特性評価を実行に最も有益証明します。心弁の生体力学的評価技術のこれらの進歩にもかかわらずテストがなされていない 1 つ統一テスト方式、下と方向間の結合を調査する限られた方法があります。
このメソッドの目的は、統一された二軸機械テスト方式による心臓弁尖の素材特性を容易にすることです。統一テスト方式は、1 つ 1 つのセッションですべてのテスト プロトコルの下で各リーフレットをテストする場所として考慮されます。これは便利です、各リーフレットの全特徴証明様々 なチラシでは独立して各プロトコルを実行するよりも、記述子としてより正確なので組織としてプロパティ、リーフレット、本質的に可変。試験方式は、3 つの主要なコンポーネント、すなわち (i) の力制御 2 軸テスト プロトコル、(ii) 変位制御 2 軸テスト プロトコル、および (iii) 二軸応力緩和試験プロトコルで構成されます。すべての試験スキーム活用 4.42 N/分、載荷速度と応力-ひずみを確保するため 10 載荷-除荷周期カーブ replicability 10 (として前作で見つかった) サイクル23。すべてのプロトコルはまた、効果的な試験片長さの 10% 未満を厚さにする必要があります膜の緊張という仮定に基づいて構築します。
この提示されたメソッドで使用される力制御プロトコルは、10 の読み込みとアンロード (MV) 僧帽弁と三尖弁 (テレビ)、それぞれ15,17100 N/m と 75 N/m のピーク膜張力のサイクルで構成されます。5 つの荷重比この力制御テスト プロトコル、すなわち 1:1、0.75:1、1:0.75、脂肪、および 5 のものと見なされます。これらの 5 つの荷重比率を体内のリーフレットのすべての潜在的な生理学的変形応力と歪みの特派員です説明に役立つ証明します。
このメソッドで示される変位制御プロトコルは、2 つの変形のシナリオで構成されています、すなわち (i) 拘束一軸延伸と (ii) 純粋せん断。拘束一軸延伸の組織の 1 つの方向は他の方向を修正している間ピーク膜張力にずれています。純擅断セットアップ組織を一方向にストレッチして組織の変形の下で一定している残るので、他の方向で慎重に短縮します。各変位制御テスト プロシージャは 2 つの組織方向 (円周方向および半径方向) のそれぞれに対して実行されます。
提示されたメソッドで使用される応力緩和プロトコルは両方の方向のピーク膜緊張を組織を読み込みおよび組織の応力緩和挙動を監視する 15 分の特派員の変位で、組織を押しによって実現されます。実験手順の詳細を次に説明します。
Protocol
Representative Results
Discussion
この二軸機械試験の重要な手順には、(i) リーフレット、ごくわずかのせん断、(ii) 適切な二軸試験機セットアップと、マーカの (iii) を慎重に適用の適切な向きが含まれます。リーフレットの向きは、材料は本質的に異方性尖の得られる力学特性評価することが重要です。したがって、半径方向と円周方向は組織標本テスト Y 方向とを正しく整列させるため知られている必要があります。また…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は、アメリカ心臓協会の科学者開発グラント 16SDG27760143 によって支えられました。著者はコルトン ロスとデヴィン ローレンスの両方をサポートするため学部研究のオクラホマ大学の事務所から指導研究員を認めるにも思います。
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 |
Riferimenti
- May-Newman, K., Yin, F. Biaxial mechanical behavior of excised porcine mitral valve leaflets. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 269 (4), H1319-H1327 (1995).
- Billiar, K., Sacks, M. A method to quantify the fiber kinematics of planar tissues under biaxial stretch. Journal of Biomechanics. 30 (7), 753-756 (1997).
- Grashow, J. S., Sacks, M. S., Liao, J., Yoganathan, A. P. Planar Biaxial Creep and Stress Relaxation of the Mitral Valve Anterior Leaflet. Annals of Biomedical Engineering. 34 (10), 1509-1518 (2006).
- Humphrey, J. D., Vawter, D. L., Vito, R. P. Quantification of strains in biaxially tested soft tissues. Journal of Biomechanics. 20 (1), 59-65 (1987).
- Sacks, M. A method for planar biaxial mechanical testing that includes in-plane shear. Journal of Biomechanical Engineering. 121 (5), 551-555 (1999).
- Sacks, M., Chuong, C. Biaxial mechanical properties of passive right ventricular free wall myocardium. Journal of Biomechanical Engineering. 115 (2), 202-205 (1993).
- Stella, J. A., Sacks, M. S. On the biaxial mechanical properties of the layers of the aortic valve leaflet. Journal of Biomechanical Engineering. 129 (5), 757-766 (2007).
- Lanir, Y., Fung, Y. Two-dimensional mechanical properties of rabbit skin-II. Experimental results. Journal of Biomechanics. 7 (2), 171-182 (1974).
- Sun, W., Sacks, M. S., Sellaro, T. L., Slaughter, W. S., Scott, M. J. Biaxial mechanical response of bioprosthetic heart valve biomaterials to high in-plane shear. Journal of Biomechanical Engineering. 125 (3), 372-380 (2003).
- Sommer, G., Regitnig, P., Költringer, L., Holzapfel, G. A. Biaxial mechanical properties of intact and layer-dissected human carotid arteries at physiological and supraphysiological loadings. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 298 (3), H898-H912 (2009).
- Tong, J., Cohnert, T., Regitnig, P., Holzapfel, G. A. Effects of age on the elastic properties of the intraluminal thrombus and the thrombus-covered wall in abdominal aortic aneurysms: biaxial extension behaviour and material modelling. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 42 (2), 207-219 (2011).
- Billiar, K. L., Sacks, M. S. Biaxial mechanical properties of the natural and glutaraldehyde treated aortic valve cusp-Part I: Experimental results. Transactions-American Society of Mechanical Engineers Journal of Biomechanical Engineering. 122 (1), 23-30 (2000).
- Jett, S., et al. Biaxial mechanical data of porcine atrioventricular valve leaflets. Data in Brief. 21, 358-363 (2018).
- Pham, T., Sun, W. Material properties of aged human mitral valve leaflets. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 102 (8), 2692-2703 (2014).
- Pierlot, C. M., Moeller, A. D., Lee, J. M., Wells, S. M. Biaxial creep resistance and structural remodeling of the aortic and mitral valves in pregnancy. Annals of Biomedical Engineering. 43 (8), 1772-1785 (2015).
- Potter, S., et al. A Novel Small-Specimen Planar Biaxial Testing System With Full In-Plane Deformation Control. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), 051001 (2018).
- Khoiy, K. A., Amini, R. On the biaxial mechanical response of porcine tricuspid valve leaflets. Journal of Biomechanical Engineering. 138 (10), 104504 (2016).
- Grashow, J. S., Yoganathan, A. P., Sacks, M. S. Biaixal stress-stretch behavior of the mitral valve anterior leaflet at physiologic strain rates. Annals of Biomedical Engineering. 34 (2), 315-325 (2006).
- Huang, H. -. Y. S., Lu, J. Biaxial mechanical properties of bovine jugular venous valve leaflet tissues. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. , 1-13 (2017).
- Stella, J. A., Liao, J., Sacks, M. S. Time-dependent biaxial mechanical behavior of the aortic heart valve leaflet. Journal of Biomechanics. 40 (14), 3169-3177 (2007).
- Sacks, M. S., David Merryman, W., Schmidt, D. W. On the biomechanics of heart valve function. Journal of Biomechanics. 42 (12), 1804-1824 (2009).
- Sacks, M. S., Yoganathan, A. P. Heart valve function: a biomechanical perspective. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences. 362 (1484), 1369-1391 (2007).
- Jett, S., et al. An investigation of the anisotropic mechanical properties and anatomical structure of porcine atrioventricular heart valves. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 87, 155-171 (2018).
- Ruifrok, A. C., Johnston, D. A. Quantification of histochemical staining by color deconvolution. Analytical and Quantitative Cytology and Histology. 23 (4), 291-299 (2001).
- Sacks, M. S. Biaxial mechanical evaluation of planar biological materials. Journal of Elasticity. 61 (1), 199 (2000).
