بياكسيال الخصائص الميكانيكية لصمامات القلب بي
Summary
هذا البروتوكول يتضمن الأوصاف منشورات صمام بي مع التحكم في القوة، وتسيطر على التشرد، واسترخاء الإجهاد الميكانيكية بياكسيال إجراءات الاختبار. يمكن استخدام النتائج المكتسبة مع هذا البروتوكول لتطوير النموذج التأسيسي لمحاكاة السلوك الميكانيكي لصمامات تعمل تحت إطار محاكاة عناصر محدودة.
Abstract
يمكن استخدام بياكسيال الميكانيكية اختبارات مكثفة من منشورات صمام قلب بي لاشتقاق الأمثل المعلمات المستخدمة في نماذج التأسيسية، التي توفر تمثيل رياضي لوظيفة تلك الهياكل الميكانيكية. هذا البروتوكول اختبار الميكانيكية بياكسيال قدم ينطوي على اكتساب الأنسجة (ط)، (ثانيا) إعداد عينات الأنسجة، واختبار الميكانيكية (ثالثا) بياكسيال، وتحليل نتائج العمل (رابعا) من البيانات المكتسبة. أولاً، يتطلب الحصول على أنسجة الحصول على قلوب الخنزير أو الأغنام من الأغذية المحلية والمسالخ المعتمدة من “إدارة المخدرات” لتشريح لاحق لاسترداد منشورات صمام. ثانيا، يتطلب إعداد الأنسجة باستخدام قطع عينات الأنسجة على أنسجة النشرة لاستخراج منطقة واضحة للاختبار. ثالثا، بياكسيال الميكانيكية اختبار العينة النشرة يتطلب استخدام اختبار الميكانيكية بياكسيال التجارية، التي تتألف من تسيطر عليه قوة، تسيطر عليها التشرد، اختبار الإجهاد-الاسترخاء البروتوكولين المتعلقين بتميز النشرة في الأنسجة الخواص الميكانيكية. وأخيراً، يتطلب تجهيز استخدام تقنيات الارتباط صورة البيانات والقراءات القوة والتشريد لتلخيص السلوكيات الميكانيكية في الأنسجة استجابة للتحميل الخارجية. وبصفة عامة، تبين النتائج من التجارب بياكسيال أن الأنسجة النشرة تسفر عن استجابة ميكانيكية غير الخطية ومتباين. إجراء اختبار بياكسيال قدم مفيد لأساليب أخرى نظراً للطريقة المعروضة هنا يسمح لوصف أكثر شمولاً للأنسجة النشرة صمام واحد تحت نظام الاختبار موحد، بدلاً من بروتوكولات اختبار منفصلة في عينات الأنسجة المختلفة. أسلوب الاختبار المقترح لها حدودها في هذا إجهاد القص لا يحتمل أن تكون موجودة في عينة الأنسجة. ومع ذلك، يفترض أي القص المحتملة ضئيلة.
Introduction
وظيفة القلب السليم يعتمد على السلوكيات الميكانيكية الملائمة من منشورات صمام القلب. في الحالات حيث تجدان ميكانيكا النشرة صمام القلب، يحدث مرض صمام القلب، مما قد يؤدي إلى المسائل الأخرى المتصلة بالقلب. فهم مرض صمام القلب يتطلب فهم شامل للسلوكيات المناشير الميكانيكية المناسبة للاستخدام في نماذج حسابية والتنمية العلاجية، وعلى هذا النحو، يجب وضع خطة لاختبار دقة استرداد الأصحاء منشورات الخصائص الميكانيكية. في المؤلفات السابقة، أجرى هذا التوصيف الميكانيكي باستخدام إجراءات الاختبار الميكانيكية بياكسيال.
بياكسيال إجراءات الاختبار الميكانيكي للأنسجة الرخوة تختلف في أنحاء الأدب، مع مختلف أطر الاختبار المستخدمة لاسترداد خصائص مختلفة1،2،،من34، 5،،من67،،من89،10،11،12،13، 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19-تم تمديد اختبار أساليب التحقيقات الخصائص الميكانيكية لمنشورات صمام القلب. بشكل عام، بياكسيال اختبار الميكانيكية ينطوي على تحميل الأنسجة صمام القلب مع القوات المتزامن في الاتجاهين الرئيسيين، ولكن كيف يتم تنفيذ هذا الاختبار يختلف استناداً إلى خصائص النشاط الحيوي التي يتعين مراعاتها. وتشمل بعض هذه التجارب البروتوكولات (ط) سلالة-معدل وزحف (ثانيا)، (ثالثا) الإجهاد-الاسترخاء و (رابعا) تسيطر عليه قوة الاختبار.
أولاً، اختبار معدل الإجهاد قد استخدمت لتحديد السلوكيات تعتمد على الوقت في الأنسجة منشورات18،20. في هذا البروتوكول الاختبار، يتم تحميل منشورات لتوتر غشاء الحد أقصى في أوقات مختلفة في نصف دورة (أي 1، 0.5، 0.1، و 0.05 s) لتحديد ما إذا كان هناك فرق كبير في ذروة تمدد أو التباطؤ بين مرات التحميل. ومع ذلك، أثبتت هذه الاختبارات فرقا لا يعتد بها في تمتد الملاحظة مع معدلات إجهاد متفاوتة. ثانيا، في زحف اختبار، محملة إلى ذروة التوتر الغشاء الأنسجة والمعقود في ذروة التوتر الغشاء. هذا الاختبار يتيح مظاهرة كيف تزحف التشرد في الأنسجة للحفاظ على التوتر الغشاء الذروة. ومع ذلك، لقد ثبت أن زحف غير ذي بال لمنشورات صمام القلب تحت فسيولوجيا الأداء3،20. ثالثا، في تخفيف الإجهاد اختبار، يتم تحميل الأنسجة إلى ذروة التوتر الغشاء والتشرد المرتبطة بها هو عقد مستمر لفترة ممتدة من الوقت3،،من2122. في هذا النوع من اختبار، قد الإجهاد الأنسجة انخفاضا ملحوظا من التوتر الغشاء الذروة. وأخيراً، في تسيطر عليه قوة الاختبار، دورياً يتم تحميل الأنسجة في نسب مختلفة من التوتر الغشاء الذروة في كل اتجاه17،23. هذه الاختبارات تكشف عن تباين هذه المواد واستجابة الإجهاد-الانفعال غير الخطية، وعن طريق تحميل الأنسجة تحت نسب مختلفة، يمكن فهم التشوهات الفسيولوجية المحتملة أفضل. هذه التحقيقات الأخيرة جعلت من الواضح أن الإجهاد-الاسترخاء والبروتوكولات التي تسيطر عليها قوة إثبات الأكثر فائدة لإجراء توصيف ميكانيكية من منشورات صمام القلب. على الرغم من أوجه التقدم هذه في القلب صمام توصيف النشاط الحيوي، لم يتم إجراء اختبار إطار واحد موحد اختبار النظام، وهناك طرق محدودة للتحقيق في اقتران بين الاتجاهات.
والغرض من هذا الأسلوب تيسير وصف مادي الكامل من منشورات صمام القلب بنظام اختبار ميكانيكية بياكسيال موحد. ويعتبر مخطط اختبار موحد واحدة حيث يتم اختبار كل منشور تحت كافة بروتوكولات الاختبار في جلسة واحدة. هذا المفيد، الأنسجة الخصائص طبيعتها المتغيرة بين المنشورات، حيث وصف كامل لكل كراسة يثبت أكثر دقة كواصف من أداء كل بروتوكول بشكل مستقل في منشورات مختلفة. مخطط الاختبار يتكون من ثلاثة عناصر رئيسية، إلا وهي (ط) بروتوكول اختبار بياكسيال الخاضعة لسيطرة القوة وبروتوكول اختبار بياكسيال (ثانيا) تسيطر على التشرد و (ثالثا) بروتوكول اختبار إجهاد بياكسيال–استرخاء. كافة خطط الاختبار استخدام معدل تحميل 4.42 N/دقيقة، وعشر دورات تحميل وتفريغ لضمان الإجهاد-الانفعال منحنى التكرار ب دورة (كما تم العثور عليها في العمل السابق) العاشر23. جميع البروتوكولات التي شيدت أيضا على أساس افتراض التوتر الغشاء، الأمر الذي يتطلب أن يكون السمك أقل من 10% أطوال عينة فعالة.
البروتوكول الخاضعة لسيطرة القوة المستخدمة في هذا الأسلوب قدم يتكون من 10 تحميل وتفريغ دورات مع ذروة الغشاء التوترات من 100 N/m و N 75/م للصمام التاجي (MV) والصمام الثلاثي (التلفزيون)، على التوالي15،17. وتعتبر خمسة تحميل النسب في بروتوكول الاختبار هذا تسيطر عليها القوة، وهي 1:1، 0.75:1، 1:0.75، 0.5:1، و 1:0. 5. هذه النسب تحميل خمسة تكون مفيدة في وصف مراسل الضغوط والقيود لكل التشويهات الفسيولوجية المحتملة من النشرة المجراة.
البروتوكول تسيطر عليها التشرد المعروضة في هذا الأسلوب يتكون من اثنين من السيناريوهات التشوه، إلا وهي (ط) مقيدة تمتد أونياكسيال والقص (ثانيا) نقية. في تمتد أونياكسيال مقيدة، شرد اتجاه واحد من الأنسجة إلى ذروة التوتر الغشاء أثناء تحديد الاتجاه الآخر. في إعداد القص النقي، تمتد في اتجاه واحد الأنسجة وتقصير مدة حكمه في الاتجاه الآخر، حتى تبقى ثابتة تحت تشوه المنطقة الأنسجة. يتم تنفيذ كل هذه إجراءات الاختبار التي تسيطر عليها التشرد لكل الاتجاهات الأنسجة اثنين (الاتجاهات كفافى وشعاعي).
ويتحقق تخفيف الإجهاد البروتوكول المستخدم في طريقة عرض بتحميل الأنسجة إلى ذروة التوتر الغشاء في كلا الاتجاهين وعقد الأنسجة في تشريد مراسل لمدة 15 دقيقة لمراقبة سلوك استرخاء التوتر في الأنسجة. وتناقش الإجراءات التجريبية المفصلة التالية.
Protocol
Representative Results
Discussion
وتشمل الخطوات الحاسمة لهذا الاختبار الميكانيكية بياكسيال (ط) التوجه السليم للنشرة وإعداد اختبار بياكسيال (ثانيا) الصحيحة للقص لا يعتد بها (ثالثا) بتطبيق دقيق لعلامات الاعتماد. التوجه للنشرة أمر حاسم لتوصيف الميكانيكية التي تم الحصول عليها من الأنسجة النشرة هو متباين في طبيعة المواد. وهكذ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
وأيد هذا العمل 16SDG27760143 “منحة تطوير عالم جمعية القلب الأمريكية”. الكتاب يود أيضا الاعتراف “زمالة بحثية وإرشادهم” من “مكتب البحوث” في جامعة أوكلاهوما الجامعية لدعم كل من روس كولتون ولورانس ديفين.
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).
