JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Risultati
Discussion
Divulgazioni
Acknowledgements
Materials
Riferimenti
Traduzione automatica
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Bioingegneria

気管におけるストレス緩和と障害応答の調査

Published: October 18, 2022
doi:
10.3791/64245
, , , ,
1Department of Biomedical Engineering,Widener University, 2Drexel University College of Medicine, 3School of Biomedical Engineering, Science and Health Systems,Drexel University, 4Rosetree Media School District

Summary

本プロトコルは、ブタ気管の引張応力緩和および破壊特性を決定する。このような方法の結果は、気管の粘弾性および障害閾値の理解を改善し、肺系の計算モデルの能力を進歩させるのに役立つ。

Abstract

気管の生体力学的特性は、気流に直接影響し、呼吸器系の生物学的機能に寄与する。これらの特性を理解することは、この組織における傷害メカニズムを理解するために重要である。このプロトコルは、ブタ気管の応力緩和挙動を研究するための実験的アプローチを記述しており、300秒間0%または10%のひずみに予め引き伸ばされ、その後、破損するまで機械的引張荷重がかかる。この研究は、実験計画、データ取得、分析、およびブタ気管生体力学的試験からの予備的結果の詳細を提供する。このプロトコルとデータ分析MATLABコードで提供される詳細な手順を使用して、将来の研究は、生理学的、病理学的、および外傷的状態におけるその生体力学的応答を理解するために重要である気管組織の時間依存粘弾性挙動を調査することができる。さらに、気管の生体力学的挙動に関する詳細な研究は、手術中に広く使用されている気管内インプラントなどの関連医療機器の設計を改善するのに決定的に役立ちます。

Introduction

肺疾患におけるその重要な役割にもかかわらず、最大の気道構造である気管は、その粘弾性特性を詳述する研究が限られている1。気道特異的な材料特性を理解することは、米国における死因の第3位である肺疾患の傷害予防、診断、および臨床介入の科学を進歩させるのに役立つため、気管の時間依存性粘弾性挙動の深い理解は肺力学研究にとって重要である2,3,4。

利用可能な組織特性評価研究は、気管の剛性特性を報告している5、6、7、8。時間依存の機械的応答は、組織リモデリングにおけるそれらの重要性にもかかわらず、最小限に調査されており、これも病理学9,10によって変化している。さらに、時間依存応答データの欠如は、現在一般的な構成法則の使用に頼っている肺力学計算モデルの予測能力も制限する。気管の生物物理学的研究に情報を提供するために必要な材料特性を提供できるストレス緩和研究を行うことによって、このギャップに対処する必要があります。現在の研究では、ブタ気管のストレス緩和行動を調査するための試験方法、データ取得、およびデータ分析の詳細を提供しています。

Protocol

記載されているすべての方法は、ドレクセル大学の施設動物ケアおよび使用委員会(IACUC)によって承認されました。すべての死体動物は、米国ペンシルベニア州にある米国農務省(USDA)が承認した農場から取得されました。オスのヨークシャーブタ(生後3週齢)の死体を本研究に使用した。 1. ティッシュハーベスト 承認された農場から豚の死体を入手し、…

Representative Results

図1は、クランプ部位付近の破断組織とクランプ内の組織の存在を示しており、引張試験中に滑りがないことを確認しています。図2は、試験サンプル間の引張試験中に観察された、上部または下部のクランプ部位または組織の長さに沿った様々な損傷部位を示す。データ解析結果を図3-4及び表1-…

Discussion

気管のストレス緩和特性を報告した研究はほとんどない21,23.気管組織の時間依存的応答の理解をさらに強化するためには、研究が必要である。この研究は、そのような調査を実行するための詳細な手順を提供します。ただし、信頼性の高い試験のためには、プロトコル内の次の重要なステップを確保する必要があります:(1)適切な組織水和、(2)円周?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この出版物で報告された研究は、賞番号R15HD093024と国立科学財団キャリア賞番号1752513の下で国立衛生研究所のユーニスケネディシュライバー国立小児保健人間発達研究所によって支援されました。

Materials

Disposable safety scalpels Fine Science Tools Inc 10000-10
eXpert 7600 ADMET Inc. N/A Norwood, MA
Forceps  Fine Science Tools Inc 11006-12 and 11027-12 or 11506-12
Gauge Safe ADMET Inc. N/A Free Download
Image J NIH N/A Open Source
Proramming Software – MATLAB  Mathworks N/A version 2018A
Scissors  Fine Science Tools Inc 14094-11 or 14060-09
Sterile phosphate buffer solution  Millipore, Thomas Scientific MFCD00131855
DOWNLOAD MATERIALS LIST

Riferimenti

  1. Brand-Saberi, B. E. M., Schäfer, T. Trachea: Anatomy and physiology. Thoracic Surgery Clinics. 24, 1-5 (2014).
  2. Barnett, S. B., Nurmagambetov, T. A. Costs of asthma in the United States: 2002-2007. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 127 (1), 145-152 (2011).
  3. Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). Centers for Disease Control and Prevention Available from: https://www.cdc.gov/copd/index.html (2022)
  4. Wilson, L., Devine, E. B., So, K. Direct medical costs of chronic obstructive pulmonary disease: chronic bronchitis and emphysema). Respiratory Medicine. 94 (3), 204-213 (2000).
  5. Codd, S. L., Lambert, R. K., Alley, M. R., Pack, R. J. Tensile stiffness of ovine tracheal wall. Journal of Applied Physiology. 76 (6), 2627-2635 (1994).
  6. Noble, P. B., Sharma, A., McFawn, P. K., Mitchell, H. W. Elastic properties of the bronchial mucosa: epithelial unfolding and stretch in response to airway inflation. Journal of Applied Physiology. 99 (6), 2061-2066 (2005).
  7. Teng, Z., et al. Anisotropic material behaviours of soft tissues in human trachea: An experimental study. Journal of Biomechanics. 45 (9), 1717-1723 (2012).
  8. Wang, L., et al. Mechanical properties of the tracheal mucosal membrane in the rabbit. I. steady-state stiffness as a function of age. Journal of Applied Physiology. 88 (3), 1014-1021 (2000).
  9. Ambrosi, D., et al. Perspectives on biological growth and remodeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 59 (4), 863-883 (2011).
  10. Bai, T. R., Knight, D. A. Structural changes in the airways in asthma: Observations and consequences. Clinical Science. 108 (6), 463-477 (2005).
  11. Singh, A. Extent of impaired axoplasmic transport and neurofilament compaction in traumatically injured axon at various strains and strain rates. Brain Injury. 31 (10), 1387-1395 (2017).
  12. Singh, A., Kallakuri, S., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Structural and functional changes in nerve roots due to tension at various strains and strain rates: An in-vivo study. Journal of Neurotrauma. 26 (4), 627-640 (2009).
  13. Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Mechanical properties of spinal nerve roots subjected to tension at different strain rates. Journal of Biomechanics. 39 (9), 1669-1676 (2006).
  14. Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Kallakuri, S., Cavanaugh, J. M. A new model of traumatic axonal injury to determine the effects of strain and displacement rates. Stapp Car Crash Journal. 50, 601-623 (2006).
  15. Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Methods for in vivo biomechanical testing on brachial plexus in neonatal piglets. Journal of Visualized Experiments. (154), e59860 (2019).
  16. Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Mechanical properties of cervical spinal cord in neonatal piglet: in vitro. Neurology and Neurobiology. 3 (2), (2020).
  17. Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. An in vitro study to investigate biomechanical responses of peripheral nerves in hypoxic neonatal piglets. Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 114501 (2021).
  18. Singh, A., Shaji, S., Delivoria-Papadopoulos, M., Balasubramanian, S. Biomechanical responses of neonatal brachial plexus to mechanical stretch. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 13, 8-14 (2018).
  19. Singh, A. . The effects of tensile loading on mechanical, neurophysiological and morphological changes in spinal nerve roots. , (2006).
  20. Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).
  21. Eskandari, M., Arvayo, A. L., Levenston, M. E. Mechanical properties of the airway tree: Heterogeneous and anisotropic pseudoelastic and viscoelastic tissue responses. Journal of Applied Physiology. 125 (3), 878-888 (2018).
  22. Toby, E. B., Rotramel, J., Jayaraman, G., Struthers, A. Changes in the stress relaxation properties of peripheral nerves after transection. Journal of Hand Surgery. 24 (4), 694-699 (1999).
  23. Safshekan, F., Tafazzoli-Shadpour, M., Abdouss, M., Shadmehr, M. B. Viscoelastic properties of human tracheal tissues. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (1), (2017).
  24. Singh, A. A new approach to teaching biomechanics through active, adaptive, and experiential learning. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (7), 0710011-0710017 (2017).
  25. Singh, A., Ferry, D., Balasubramanian, S. Efficacy of clinical simulation based training in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 141 (12), 121011-121017 (2019).
  26. Singh, A., Ferry, D., Mills, S. Improving biomedical engineering education through continuity in adaptive, experiential, and interdisciplinary learning environments. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (8), 0810091-0810098 (2018).
  27. Singh, A., Ferry, D., Ramakrishnan, A., Balasubramanian, S. Using virtual reality in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 142 (11), 111013 (2020).
  28. Majmudar, T., Balasubramanian, S., Magee, R., Gonik, B., Singh, A. In-vitro stress relaxation response of neonatal peripheral nerves. Journal of Biomechanical Engineering. 128, 110702 (2021).
  29. Orozco, V., Magee, R., Balasubramanian, S., Singh, A. A systematic review of the tensile biomechanical properties of the neonatal brachial plexus. Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 110802 (2021).
  30. Singh, A. M. T., Magee, R., Gonik, B., Balasubramanian, S. Effects of pre-stretch on neonatal peripheral nerve: An in-vitro study. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 17 (1), 1-9 (2022).
  31. Balasubramanian, S., D’Andrea, C., Viraraghavan, G., Cahill, P. J. Development of a finite element model of the pediatric thoracic and lumbar spine, ribcage, and pelvis with orthotropic region-specific vertebral growth. Journal of Biomechanical Engineering. 144 (10), 101007 (2022).
  32. Hadagali, P., Peters, J. R., Balasubramanian, S. Morphing the feature-based multi-blocks of normative/healthy vertebral geometries to scoliosis vertebral geometries: Development of personalized finite element models. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 21 (4), 297-324 (2018).
  33. Singh, A. Available computational and physical models to understand the mechanisms of neonatal brachial plexus injury during shoulder dystocia. Open Access Journal of Neurology and Neurosurgery. 9 (4), 555768 (2019).

Tags

TracheaStress-relaxationFailure ResponsePulmonary MechanicsLarynxTracheal TubeLongitudinal StripsFailure TestingLoad Relaxation DataMechanical FailureTensile Mechanical Loading

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Citazione di questo articolo
Singh, A., Majmudar, T., Iyer, A., Iyer, D., Balasubramanian, S. Investigating Stress-relaxation and Failure Responses in the Trachea. J. Vis. Exp. (188), e64245, doi:10.3791/64245 (2022).
Scarica citazione
Ristampe e autorizzazioni

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image