Biaxiale mechanische Charakterisierung von ventrikulären Herzklappen

Summary

Dieses Protokoll beinhaltet Charakterisierungen von ventrikulären Klappensegel mit Kraft gesteuert, Hubraum-kontrollierte, und Stress-Entspannung biaxialen mechanische Prüfverfahren. Ergebnisse mit diesem Protokoll erworben können für konstitutive Modellentwicklung verwendet werden, um das mechanische Verhalten von funktionierenden Ventilen in einem finite-Elemente-Simulation-Rahmen zu simulieren.

Abstract

Umfangreiche biaxialen mechanische Prüfung von ventrikulären Herz Klappensegel kann genutzt werden, um optimale Parameter in konstitutive Modellen verwendet, die eine mathematische der mechanischen Funktion dieser Strukturen Darstellung ableiten. Diese vorgestellten biaxialen mechanische Testprotokoll beinhaltet (i) Gewebe Erwerb, (Ii) die Erstellung von Gewebeproben, (Iii) biaxialen mechanische Prüfung und Nachbearbeitung (iv) der erfassten Daten. Erstens bedarf Gewebe Erwerb Erlangung von Schweinen oder Schafen Herzen von einem local Food und Drug Administration genehmigt Schlachthof für später Dissektion Klappensegel abrufen. Zweitens erfordert eine Vorbereitung der Gewebe Gewebe Probe Fräser auf die Segelgewebe verwendet, um eine klare Zone zu Testzwecken zu extrahieren. Dritte, biaxiale mechanische Prüfung der Broschüre Probe erfordert den Einsatz von kommerziellen biaxialen mechanische Tester, bestehend aus Kraft gesteuert, Hubraum gesteuert, und Spannungsrelaxation Tests zur Charakterisierung der Segelgewebe Protokolle mechanischen Eigenschaften. Zu guter Letzt erfordert Nachbearbeitung die Verwendung von Daten Bild Korrelation Techniken und Kraft und Hubraum Lesungen, das Gewebe mechanische Verhalten als Reaktion auf äußeren Belastungen zusammenzufassen. Im Allgemeinen zeigen Ergebnisse aus biaxial testing, dass die Broschüre Gewebe eine nichtlineare, anisotrope mechanischen Antwort liefern. Die vorgestellte biaxiale Prüfverfahren ist vorteilhaft, andere Methoden, da die hier vorgestellte Methode ermöglicht für eine umfassende Charakterisierung der Ventil-Segelgewebe unter einem einheitlichen Prüfung Regelung, im Gegensatz zu separaten Testprotokolle auf verschiedene Gewebeproben. Die vorgeschlagene Prüfmethode hat seine Grenzen, dass Schubspannung in der Gewebeprobe potentiell vorhanden ist. Jedoch wird jeder potenzielle Scherkräfte vernachlässigbar vermutet.

Introduction

Richtige Herzfunktion stützt sich auf entsprechende mechanische Verhalten der Klappensegel Herz. In Situationen wo Herzen Ventil Broschüre Mechanik beeinträchtigt sind, tritt Herzklappenerkrankungen, zu anderen Herz-Problemen führen kann. Herzklappenerkrankungen zu verstehen erfordert ein gründliches Verständnis der richtigen mechanischen Verhaltensweisen die Flugblätter für den Einsatz in Rechenmodelle und therapeutische Entwicklung, und als solche muss ein Test System entwickelt werden, um genau die gesunden abrufen Flyer mechanischen Eigenschaften. In der bisherigen Literatur wurde diese mechanische Charakterisierung mit biaxialen mechanische Prüfverfahren durchgeführt.

Biaxiale mechanische Prüfverfahren für Weichteile variieren in der Literatur mit verschiedenen Testframeworks genutzt, um unterschiedliche Eigenschaften^{1,2,3,4abrufen, 5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19}. Testing-Methoden für die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften des Herzens Klappensegel verlängert worden. In der Regel anhand der biaxialen mechanische Prüfung beinhaltet laden Ventil Herzgewebe mit gleichzeitiger Kräfte in zwei Hauptrichtungen, aber wie dieser Test ausgeführt wird, variiert die biomechanischen Eigenschaften zu beachten. Einige von Ihnen Testprotokolle gehören (i) Verformungsgeschwindigkeit, (Ii) kriechen, (Iii) Spannungsrelaxation und (iv) Kraft-kontrollierten Tests.

Erstens ist Verformungsgeschwindigkeit Tests verwendet worden, um festzustellen, die zeitabhängige Verhalten des Gewebes Flugblätter^18,20. In diesem Testprotokoll Flugblätter sind geladen, um eine maximale Membran Spannung zu unterschiedlichen Zeitpunkten der Hälfte-Zyklus (d.h., 1, 0,5 0,1 und 0,05 s) um festzustellen, ob es ein signifikanten Unterschied im Peak Dehnung oder Hysterese zwischen Ladezeiten. Diese Tests haben jedoch einen vernachlässigbaren Unterschied in der beobachteten Ausdehnung mit unterschiedlicher Dehnraten gezeigt. Zweitens ist in kriechen testen, das Gewebe auf die Peak-Membran-Spannung geladen und am Gipfel Membran Spannung gehalten. Dieser Test ermöglicht eine Demonstration, wie das Gewebe Verschiebung schleicht um die Gipfel-Membran-Spannung zu erhalten. Jedoch wurde nachgewiesen, dass die kriechen unbedeutend für Herz Klappensegel unter physiologisch funktionieren ist^3,20. Drittens in Spannungsrelaxation testen, das Gewebe wird auf die Spitze-Membran-Spannung geladen und der damit verbundenen Verdrängung ist über einen längeren Zeitraum der Zeit^3,21,22konstant gehalten. Bei dieser Art von Tests hat der Gewebe Stress eine beträchtliche Verringerung der von der Peak-Membran-Spannung. Zu guter Letzt werden im Kraft-kontrollierten Tests, Gewebe zyklisch in verschiedenen Verhältnissen von der Spitze Membran Spannung in jeder Richtung^17,23geladen. Diese Tests zeigen das Material Anisotropie und nichtlinearen Spannungs-Dehnungs-Antwort, und durch das Laden des Gewebes unter verschiedenen Verhältnissen, mögliche physiologische Verformungen besser verstanden werden können. Diese neuen Untersuchungen machte es offensichtlich, dass Stress-Entspannung und Kraft-gesteuerte Protokolle beweisen am vorteilhaftesten eine mechanische Charakterisierung der Klappensegel Herzen durchführen. Trotz dieser Fortschritte im Herzen Ventil biomechanische Charakterisierung der Tests nicht unter einer einheitlichen Prüfung Schema ausgeführt wurde, und es gibt begrenzte Methoden zu untersuchen, die Kopplung zwischen Richtungen.

Diese Methode soll eine vollständige Materialcharakterisierung Klappensegel Herz durch eine einheitliche biaxialen mechanische Tests zu erleichtern. Eine einheitliche Prüfung Regelung gilt als eine wo jede Broschüre in einer Sitzung unter alle Testprotokolle getestet wird. Dies hat den Vorteil, als Gewebe Eigenschaften sind von Natur aus unterschiedlich Flugblätter, so dass eine vollständige Charakterisierung für jede Broschüre genauer als ein Deskriptor als die Durchführung jedes Protokoll unabhängig voneinander auf verschiedenen Flugblättern beweist. Das testing System besteht aus drei Hauptbestandteilen zusammen, nämlich (i) eine Kraft gesteuert biaxialen Testprotokoll, (Ii) eine Verschiebung-gesteuerte biaxialen Testprotokoll und (Iii) eine biaxiale Spannungsrelaxation Testprotokoll. Alle Test-Systeme nutzen eine Raumbelastung 4.42 N/min und 10 Be-Entladen Zyklen dazu Spannungs-Dehnungs Kurve Replizierbarkeit von 10. Zyklus (wie gefunden in früheren Arbeiten)²³. Alle Protokolle sind auch basierend auf der Membran Spannung Annahme, wonach die Dicke weniger als 10 % der effektiven Probe Längen werden erstellt.

Die Kraft kontrolliert Protokoll in dieser vorgestellte Methode besteht aus 10 be- und Entladen Zyklen mit Peak-Membran-Spannungen von 100 N/m und 75 N/m für die Mitralklappe (MV) und Trikuspidalklappe (TV), bzw.^15,17. Fünf laden Verhältnisse gelten in dieser Kraft gesteuert Testprotokoll, nämlich 1:1, 0.75:1, 1:0.75, 0.5:1 und 1:0. 5. Diese fünf laden Verhältnisse nützlich sein bei der Beschreibung der Spannungen und Dehnungen Korrespondent für alle mögliche physiologische Deformationen in-vivo-Merkblatt.

Das Hubraum-gesteuerte Protokoll präsentiert in dieser Methode besteht aus zwei Verformung Szenarien, nämlich (i) einachsige Dehnung und (Ii) reine Scherung gezwungen. In der eingeschränkten einachsigen Dehnung ist eine Richtung des Gewebes zur Spitze Membran Spannung während der Befestigung der andere Richtung verschoben. Im reinen Scherung-Setup ist das Gewebe in eine Richtung gestreckt und umsichtig in die andere Richtung, verkürzt, so dass die Fläche des Gewebes unter Verformung konstant bleibt. Jeder dieser Verschiebung-kontrollierten Testverfahren wird für jede der beiden Gewebe Richtungen (umlaufende und radiale Richtungen) durchgeführt.

Die Spannungsrelaxation Protokoll in die vorgestellte Methode wird erreicht durch Laden des Gewebes, die Peak-Membran-Spannung in beide Richtungen und halten das Gewebe an die entsprechenden Verschiebungen für 15 min, das Gewebe Stress Entspannung Verhalten zu überwachen. Die detaillierte experimentelle Verfahren werden anschließend diskutiert.

Protocol

Alle beschriebene Methoden stimmten die institutionellen Animal Care und Nutzung Committee (IACUC) an der University of Oklahoma. Alle tierische Geweben wurden aus einer Vereinigten Staaten Abteilung des Landwirtschaftsministeriums USDA zugelassenen Schlachthof (Country Home Fleisch Co., Edmond, OK) erworben. (1) Gewebe Erfassung und Reinigung Rufen Sie die tierische Herzen am selben Tag ab, wie das Tier geschlachtet wird und speichern Sie die Herzen in einer Brust, Eis um Gewebe fri…

Representative Results

Stress-Stretch-Daten aus dem Kraft-gesteuerte biaxialen mechanische Tests zeigt eine nichtlineare Kurve mit einige Ähnlichkeit mit einer exponentiellen Kurve (Abbildung 12). In Bezug auf die Antwort in jedem Hauptrichtung ist das Materialverhalten quer isotrop, mit die radiale Dehnung größer als die umlaufende Verformung. In einigen Fällen können die Anisotropie Richtungen mit Umfangsrichtung ausstellenden bessere Einhaltung als radialer Richtung kippen….

Discussion

Wichtige Schritte für diese biaxialen mechanische Tests beinhalten (i) die richtige Ausrichtung der Packungsbeilage, (Ii) richtige biaxialen Tester Setup für vernachlässigbar Scherung und (Iii) eine sorgfältige Anwendung der Kugelmarker. Die Ausrichtung des Flugblattes ist entscheidend auf die erhaltenen mechanischen Charakterisierung der das Segelgewebe genauso wie das Material anisotropen in der Natur. Die radiale und umlaufenden Richtungen müssen also zum richtig ausrichten der Gewebeproben mit der Prüfung X- un…

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