房室心脏瓣膜的双轴力学特性
Summary
该方案涉及房室瓣膜小叶的表征与力控制, 置换控制, 和应力松弛双轴机械测试程序。该协议获得的结果可用于本构模型的开发, 以模拟功能阀在有限元仿真框架下的力学行为。
Abstract
广泛的双轴力学测试房室心脏瓣膜小叶可以用来推导出本构模型中使用的最佳参数, 提供了这些结构的机械功能的数学表示。提出的双轴机械测试协议涉及 (一) 组织采集, (二) 组织标本的制备, (iii) 双轴机械测试, (四) 所获得数据的后处理。首先, 组织采集需要从当地食品和药物管理局批准的屠宰场获得猪或牛的心脏, 以便以后进行解剖, 以回收瓣膜传单。其次, 组织准备需要在小叶组织上使用组织标本切割机, 以提取一个清晰的区域进行测试。第三, 单板试样的双轴机械测试需要使用商业双轴机械测试仪, 其中包括力控、位移控制和应力松弛测试方案, 以表征单板组织的机械性能。最后, 后处理需要使用数据图像相关技术以及力和位移读数来总结组织在外部载荷下的机械行为。一般情况下, 双轴试验结果表明, 小孔组织产生非线性, 各向异性的机械响应。所介绍的双轴测试程序对其他方法有利, 因为这里介绍的方法允许在一个统一的测试方案下对阀门小叶组织进行更全面的表征, 而不是在不同的组织标本。所提出的测试方法有其局限性, 即剪切应力可能存在于组织样品中。然而, 任何潜在的剪切被认为是可以忽略不计的。
Introduction
正确的心脏功能依赖于心脏瓣膜小叶的适当的机械行为。在心脏瓣膜传单机制受到损害的情况下, 会发生心脏瓣膜疾病, 这可能会导致其他与心脏有关的问题。了解心脏瓣膜疾病需要彻底了解传单的正确机械行为, 用于计算模型和治疗发展, 因此, 必须制定一个测试方案, 以准确地检索健康小叶的机械性能。在以往的文献中, 这种机械特性是使用双轴机械测试程序进行的。
在整个文献中, 软组织的双轴机械测试程序各不相同, 不同的测试框架用于检索不同的特性1、2、3、4、 5,6,7,8,9, 10, 11,12,13,14,15,16,17,18,19. 为调查心脏瓣膜小叶的机械特性, 扩大了试验方法。一般来说, 双轴机械测试包括在两个主要方向上同时加载心脏瓣膜组织, 但这种测试是如何进行的, 取决于要观察到的生物力学特性。其中一些测试协议包括 (i) 应变率、(ii) 蠕变、(iii) 应力松弛和 (iv) 力控测试。
首先, 利用应变率检测来确定组织传单 18,20的时间依赖性行为。在这个测试协议中, 传单在不同的半周期时间 (即 1, 0.5, 0.1 和 0.5s) 被加载到最大的膜张力, 以确定加载时间之间的峰值拉伸或滞后是否有显著差异。然而, 这些测试在观察到的拉伸中显示了可以忽略不计的差异, 其应变率也各不相同。其次, 在蠕变试验中, 组织被加载到膜的峰值张力, 并保持在膜张力的峰值。通过此测试, 可以演示组织的移位如何蠕动以保持膜的峰值张力。然而, 它已经表明, 蠕变是微不足道的心脏瓣膜小叶在生理功能3,20。第三, 在应力松弛试验中, 组织被加载到膜的峰值张力, 相关的位移在3、21、22 保持较长时间的不变。在这种类型的测试中, 组织应力与膜的峰值张力相比有显著的降低。最后, 在力控试验中, 组织在每个方向 17、23的膜峰值张力的不同比率下循环加载。这些试验揭示了材料的各向异性和非线性应力应变响应, 通过在不同比例下加载组织, 可以更好地了解潜在的生理变形。最近的这些研究表明, 应力松弛和力控制协议被证明是最有益的执行心脏瓣膜传单的机械表征。尽管在心脏瓣膜生物力学表征方面取得了这些进展, 但测试并没有在一个统一的测试方案下进行, 研究方向之间耦合的方法有限。
该方法的目的是通过统一的双轴机械测试方案, 方便心脏瓣膜小叶的完整材料表征。一个统一的测试方案被认为是一个测试传单在一个会话中根据所有测试协议进行测试的方案。这是有利的, 因为组织属性是固有的可变传单之间, 所以一个完整的表征每个传单被证明更准确的描述符比执行每个协议独立在各种传单。测试方案由三个主要部分组成, 即 (一) 力控双轴测试协议; (二) 位移控制双轴测试协议; (三) 双轴应力松弛测试协议。所有测试方案均采用 4.42 N/min 的加载率和10个加载卸载周期, 以确保应力-应变曲线在第十个周期之前可复制 (如以前的工作所示)23。所有协议也是基于膜张力假设构建的, 该假设要求厚度小于有效试样长度的10%。
该方法采用的力控协议分别为二尖瓣 (mv) 和三尖瓣 (tv) 的10个加载和卸载周期, 峰值膜张力为100nm和 75 n。在这种力控测试协议中考虑了五个负载比率, 即12:1、0.75:1、1:0.75、0.5:1 和1:0.5。这五个加载比被证明是有用的描述的压力和菌株对应于所有潜在的生理变形的传单在体内。
该方法提出的位移控制协议由两种变形场景组成, 即 (i) 约束单轴拉伸和 (二) 纯剪切。在约束单轴拉伸中, 组织的一个方向在固定另一个方向时被移位到膜的峰值张力。在纯剪切装置中, 组织在一个方向上拉伸, 在另一个方向上明智地缩短, 因此组织的面积在变形下保持恒定。这些位移控制的测试程序中的每一个都是对两个组织方向 (圆周方向和径向方向) 进行的。
该方法中使用的应力松弛协议是通过将组织加载到双向的峰膜张力和在相应的位移处将组织保持15分钟来监测组织的应力松弛行为来实现的。接下来将讨论详细的实验过程。
Protocol
Representative Results
Discussion
这种双轴机械测试的关键步骤包括: (i) 传单的正确方向, (ii) 可忽略不计的剪切的适当双轴测试仪设置, 以及 (iii) 基准标记的仔细应用。传单的取向是至关重要的获得的机械表征的传单组织, 因为材料是各向异性的性质。因此, 需要知道径向和圆周方向, 以便正确地将组织标本与测试的 x-和 y 方向对齐。同样重要的是, 双轴测试仪必须正确校准, 以便将试样安装到引入可忽略不计的剪切应力的系统上?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了美国心脏协会科学家发展补助金16SDG27760143 的支持。作者还想感谢俄克拉荷马大学本科生研究办公室的指导研究奖学金, 感谢他们支持科尔顿罗斯和德文劳伦斯。
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 |
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