Biaxiales caracterizaciones mecánicas de válvulas auriculoventricular del corazón

Summary

Este protocolo trata de caracterizaciones de valvas auriculoventriculares con fuerza controlada, control de desplazamiento, y procedimientos de prueba mecánica biaxial de relajación de la tensión. Resultados con este protocolo se pueden utilizar para el desarrollo de modelos constitutivos para simular el comportamiento mecánico de las válvulas de funcionamiento bajo un entorno de simulación de elementos finitos.

Abstract

Ensayos mecánicos biaxial extensa de valvas de la válvula auriculoventricular del corazón pueden ser utilizados para derivar los parámetros óptimos en modelos constitutivos, que proporcionan una representación matemática de la función mecánica de las estructuras. Este presentó protocolo de pruebas mecánica biaxial consiste en tejido (i) adquisición, (ii) la preparación de muestras de tejido, pruebas de mecánica (iii) biaxial y (iv) post-procesado de los datos adquiridos. En primer lugar, adquisición del tejido requiere obtener corazones ovina o porcina de un local de alimentos y mataderos aprobados por la FDA para la disección posterior para recuperar las valvas. En segundo lugar, preparación de tejido requiere el uso de cortadores de muestras de tejido en el tejido de las valvas para extraer una clara zona de pruebas. Ensayos mecánicos en tercer lugar, biaxial de la muestra folleto requiere el uso de un probador mecánico biaxial comercial, que consiste en fuerza controlada, control de desplazamiento, y relajación de la tensión de prueba protocolos para caracterizar el tejido de la valva propiedades mecánicas. Finalmente, post-procesado requiere el uso de técnicas de correlación de la imagen de los datos y las lecturas de fuerza y desplazamiento para resumir el comportamiento mecánico del tejido en respuesta a una carga externa. En general, los resultados de la prueba biaxial demuestran que los tejidos del folleto dan una respuesta mecánica no lineal, anisotrópica. El procedimiento de prueba biaxial presentado es ventajoso a otros métodos ya que el método presentado aquí permite una caracterización más completa del tejido de las valvas de la válvula bajo un esquema prueba unificado, a diferencia de protocolos de pruebas separados en muestras de tejido diferentes. El método de prueba propuesto tiene sus limitaciones en ese esfuerzo cortante está potencialmente presente en la muestra de tejido. Sin embargo, cualquier posible corte se supone despreciable.

Introduction

Función cardiaca adecuada se basa en comportamientos mecánicos apropiados de valvas de la válvula del corazón. En situaciones donde están comprometidos los mecánicos de prospecto de la válvula de corazón, enfermedad de válvula cardíaca se produce, que puede conducir a otros problemas relacionados con el corazón. Comprensión valvulopatía cardíaca requiere una profunda comprensión de comportamientos mecánicos adecuados los folletos para el uso de modelos computacionales y desarrollo terapéutico, y como tal, debe desarrollarse un plan de pruebas para recuperar exactamente la sana propiedades mecánicas de folletos. En literatura anterior, esta caracterización mecánica se ha realizado utilizando procedimientos de prueba mecánicos biaxiales.

Biaxiales procedimientos de pruebas mecánicos de los tejidos blandos varían a lo largo de la literatura, con diferentes marcos de prueba utilizados para recuperar diversas características^{1,2,3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19}. métodos de prueba se han ampliado para las investigaciones de las características mecánicas de las valvas de la válvula de corazón. En general, biaxial ensayos mecánicos implica el tejido de la válvula de corazón con fuerzas simultánea en las dos direcciones principales de carga, pero cómo se realiza esta prueba varía basado en las propiedades biomecánicas que se observarán. Algunos de estos protocolos de prueba incluyen (i) el grado de deformación, fluencia (ii), (iii)-relajación de la tensión y (iv) control de fuerza de prueba.

En primer lugar, prueba el grado de deformación se ha utilizado para determinar el comportamiento dependiente del tiempo del tejido folletos^18,20. En este protocolo de pruebas, folletos se cargan a una tensión máxima de la membrana en diferentes momentos del ciclo de media (es decir, 1, 0.5, 0.1 y 0.05 s) para determinar si existe una diferencia significativa en el tramo de pico o histéresis entre tiempos de carga. Sin embargo, estas pruebas han demostrado una diferencia insignificante en el tramo observado con diferentes tipos de tensión. En segundo lugar, en ensayos de fluencia, el tejido es cargado a la tensión de la membrana del pico y en tensión de la membrana del pico. Esta prueba permite una demostración de cómo el desplazamiento del tejido se arrastra para mantener la tensión de la membrana del pico. Sin embargo, se ha demostrado que la fluencia es insignificante para las valvas de la válvula del corazón en funcionamiento fisiológico^3,20. En tercer lugar, en relajación de la tensión de prueba, el tejido es cargado a la tensión de la membrana del pico y el desplazamiento asociado se mantiene constante durante un período prolongado de tiempo^3,21,22. En este tipo de pruebas, la tensión del tejido tiene una notable reducción de la tensión de la membrana del pico. Por último, en la prueba de fuerza controlado, los tejidos se cargan cíclicamente en diversos cocientes de la tensión de la membrana del pico en cada dirección^17,23. Estas pruebas revelan anisotropía y respuesta tensión-deformación no lineal del material, y por la carga de los tejidos en diferentes proporciones, las deformaciones fisiológicas potenciales pueden ser entendidas mejor. Estas investigaciones recientes hacen evidente esa relajación de la tensión y protocolos controlados por fuerza ser más beneficiosos para realizar una caracterización mecánica de valvas de la válvula de corazón. A pesar de estos avances en la Caracterización biomecánica de la válvula de corazón, la prueba no se ha realizado bajo un unificado esquema de la prueba, y hay métodos limitados para investigar el acoplamiento entre direcciones.

El propósito de este método es facilitar una caracterización completa de material de las valvas del corazón por un esquema prueba mecánico biaxial unificado. Un esquema Unificado de prueba se considera como uno donde se prueba cada folleto bajo todos los protocolos de pruebas en una sola sesión. Esto es una ventaja, como tejido de propiedades son inherentemente variables entre los folíolos, por lo que una caracterización completa de cada folleto de la prueba más precisa como un descriptor que realizar cada protocolo independientemente en varios folletos. El esquema de pruebas consta de tres componentes principales, a saber, (i) un protocolo de pruebas biaxial de fuerza controlado, (ii) un protocolo de pruebas biaxial de desplazamiento controlado y (iii) un protocolo de pruebas de relajación de tensión biaxial. Todos los regímenes de prueba utilizan una velocidad de carga de 4.42 N/min., y 10 ciclos de carga y descarga para asegurar la tensión curvan replicabilidad por el ciclo (como en trabajos anteriores) 10²³. Todos los protocolos se construyen también basado en la asunción de la tensión de la membrana, que requiere que el espesor sea inferior al 10% de la longitud de la muestra efectiva.

El protocolo controlado por fuerza utilizado en este método presentado consta de 10 carga y descarga de ciclos con tensiones de membrana máxima de 100 N/m y 75 N/m de la válvula mitral (VM) y tricúspide (TV), respectivamente de^15,17. Cinco ratios de carga se consideran en este protocolo de pruebas controlado por fuerza, a saber: 1:1, 0.75:1, 1:0.75, 0.5:1 y 1:0. 5. Estos ratios de cinco carga ser útiles en la descripción de la tensiones y el correspondiente a todas las deformaciones fisiológicas potenciales del prospecto en vivo.

El protocolo de control de desplazamiento presentado en este método consiste en dos escenarios de deformación, es decir, () limitada (ii) puro corte y estiramiento uniaxial. En el estiramiento uniaxial con restricciones, una dirección del tejido es desplazada a la tensión de la membrana de pico mientras que la otra dirección de fijación. En la configuración de corte puro, el tejido es estirado en una dirección y juiciosamente acortado en la otra dirección, por lo que el área del tejido permanece constante bajo deformación. Cada uno de estos procedimientos de prueba controlados por desplazamiento se realiza para cada una de las direcciones de dos tejidos (direcciones radial y circunferenciales).

El protocolo de relajación de la tensión utilizado en el método presentado se logra cargando el tejido a la tensión pico de la membrana en ambas direcciones y el mantenimiento del tejido a los correspondientes desplazamientos durante 15 min monitorear el comportamiento de relajación de tensión del tejido. Los procedimientos experimentales se discuten a continuación.

Protocol

Todos los métodos descritos fueron aprobados por el institucional cuidado Animal y el Comité uso (IACUC) de la Universidad de Oklahoma. Todos los tejidos animales fueron adquiridos de un Estados Unidos Departamento de agricultura USDA aprobó matadero (país Inicio carne Co., Edmond, OK). 1. tejido adquisición y limpieza Recuperar los corazones animales el mismo día que el animal es sacrificado y guarde los corazones en un pecho de hielo para asegurar la frescura de tejido. Trans…

Representative Results

Datos de estrés-estiramiento de la controlada fuerza biaxial ensayos mecánicos revelan una curva no lineal con cierto parecido a una curva exponencial (figura 12). Con respecto a la respuesta en cada dirección principal, el comportamiento material es transversalmente isotrópico, con el tramo radial mayor que la deformación circunferencial. En algunos casos, las direcciones de la anisotropía pueden flip, con la dirección circunferencial, exhibiendo una …

Discussion

Pasos críticos para esta prueba mecánica biaxial incluyen (i) la orientación correcta del folleto de configuración probador biaxial (ii) adecuada para corte insignificante y (iii) una cuidadosa aplicación de los marcadores fiduciales. La orientación de la hoja es fundamental para la caracterización mecánica obtenida de tejido de las valvas como el material es anisotrópico en la naturaleza. Así, las direcciones radial y circunferenciales necesitan conocerse para alinear correctamente las muestras de tejido con l…

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