Utilisation de corrélation d'images à caractériser les souches locales sur des échantillons de tissus vasculaires
Summary
We describe the use of digital image correlation to characterize the local surface strain field on vascular tissue samples subjected to uniaxial tensile testing. These measurements facilitate precise quantification of the sample mechanical response and the generation of constitutive stress-strain relations.
Abstract
Characterization of the mechanical behavior of biological and engineered soft tissues is a central component of fundamental biomedical research and product development. Stress-strain relationships are typically obtained from mechanical testing data to enable comparative assessment among samples and in some cases identification of constitutive mechanical properties. However, errors may be introduced through the use of average strain measures, as significant heterogeneity in the strain field may result from geometrical non-uniformity of the sample and stress concentrations induced by mounting/gripping of soft tissues within the test system. When strain field heterogeneity is significant, accurate assessment of the sample mechanical response requires measurement of local strains. This study demonstrates a novel biomechanical testing protocol for calculating local surface strains using a mechanical testing device coupled with a high resolution camera and a digital image correlation technique. A series of sample surface images are acquired and then analyzed to quantify the local surface strain of a vascular tissue specimen subjected to ramped uniaxial loading. This approach can improve accuracy in experimental vascular biomechanics and has potential for broader use among other native soft tissues, engineered soft tissues, and soft hydrogel/polymeric materials. In the video, we demonstrate how to set up the system components and perform a complete experiment on native vascular tissue.
Introduction
Un riche histoire de la recherche couvrant plus de 50 ans a été axée sur la quantification des propriétés mécaniques des tissus vasculaires. Ces études nous permettent de mieux comprendre à la fois le comportement physiologique et pathologique de vaisseaux sanguins, de fournir une base pour évaluer l'efficacité / compatibilité des dispositifs endovasculaires, et l'aide à la conception et la fabrication de l'ingénierie vasculaire construit 1-6. La mesure précise de la réponse mécanique des tissus mous et la modélisation du comportement de leurs propriétés mécaniques est intrinsèquement difficile en raison de l'hétérogénéité mécanique, anisotropie, et la non-linéarité présentée par la plupart des types de tissus. En outre, des mesures expérimentales sont souvent confondus par les complexités locales introduites au niveau des interfaces échantillon grip dans le cadre d'essais mécaniques (c.-à-flexion, la friction, les concentrations de contraintes, larmoiement) et la transition inévitable de propriétés mécaniques, une fois le tissu est excisé de l'animal vivant. </ p>
Un essai de traction uniaxiale est parmi les plus simples essais mécaniques qui peuvent être effectuées sur un échantillon constitué d'un matériau solide, et est souvent utilisé pour évaluer la réponse mécanique du tissu vasculaire. Les résultats de ces expériences fournissent des informations préliminaires utiles pour les deux sources de tissus natifs et d'ingénierie, et peuvent être utilisés pour comparer les effets de certains traitements, états pathologiques ou des composés pharmacologiques sur le comportement mécanique de la paroi vasculaire 7-11.
Essais mécaniques uniaxiale des tissus mous est généralement effectuée sur des échantillons avec des géométries relativement uniformes, qui sont le plus souvent d'os de chien ou en forme de 7,8,12-14 anneau. Cependant, départ significatif de ces géométries idéalisés peut se produire en raison des défis associés à la dissection des tissus, l'isolation et serrage au sein du système de test. Toute non-uniformité dans la géométrie sera finalement donner lieu à un stress hétérogène et souchechamps lorsque l'échantillon est soumis à l'extension uni-axiale, avec le degré d'hétérogénéité dépend de forme réelle de l'échantillon, ainsi que la taille de l'échantillon (par rapport aux pinces) et les propriétés mécaniques du matériau 9,15,16. Lorsque hétérogénéités de champ sont importantes, les calculs de déformation de l'échantillon sur la base des positions relatives d'adhérence sont inexactes et donc une base insuffisante pour évaluer le comportement mécanique.
Systèmes d'analyse vidéo ont été largement utilisés pour les mesures de déformation des tissus mous, souvent en utilisant des marqueurs de colorant à contraste élevé appliqué à la surface de l'échantillon 17,18. Corrélation d'image numérique, une technique métrologique optique qui mesure la tension de surface plein champ en comparant les valeurs de gris d'intensité de niveau de la surface de l'échantillon avant et après déformation, a été utilisé en conjonction avec l'analyse vidéo de tissus mous 19-21. Il existe plusieurs avantages de corrélation d'images numériques par rapport à interferometric méthodes qui peuvent être utilisées pour les mesures. Tout d'abord, comme une technique de mesure sans contact, il minimise les effets de confusion de la modification des propriétés des matériaux due à la manière dont le système de mesure affecte le spécimen. Deuxièmement, il nécessite un environnement beaucoup moins sévères de mesure et a une plus large gamme de sensibilité et de la résolution que les autres méthodes. Troisièmement, doté de la capacité de capturer un champ de vision, cette technique peut caractériser à la fois la moyenne et les réponses mécaniques locales. Pour une explication détaillée de la méthode, les lecteurs sont encouragés à voir le livre de Sutton 22.
Pour obtenir des champs de contrainte sur la surface de l'échantillon, une technique de corrélation d'image numérique bidimensionnelle (2D-DIC) peut être utilisé. En bref, des images de l'échantillon sont capturées à états chargés déchargé et divers. La première image est divisée en sous-ensembles appelés petits carrés (M × M pixels) qui forment un maillage pour le calcul subséquent deDe champs de contraintes 2D. La position de chaque carré dans l'échantillon déformé est obtenu en utilisant un algorithme image correspondante. Le mouvement de chaque carré est ensuite suivi, image par image, ce qui donne champs de déplacement qui peuvent ensuite être utilisées pour calculer des gradients de déformation et les souches par une variété de méthodes, y compris polynôme montage ou éléments finis interpolation. Dans le présent manuscrit, nous proposons une méthodologie détaillée pour l'évaluation des champs de déformation de surface sur les tissus vasculaires indigènes grâce à l'intégration des essais de traction uniaxiale et 2D-DIC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bien que des études antérieures ont utilisé un large éventail de méthodes de vidéo colorant de suivi pour évaluer la souche de l'échantillon 18,20,21,23,24, notre objectif actuel est de fournir une méthodologie globale pour essai de traction uniaxiale de couple avec 2D-DIC pour l'évaluation des souches de surface sur des échantillons de tissus vasculaires. Avec un appareil photo de haute résolution et un logiciel maison-analyse d'image, le champ de déformation peut être mesurée dans…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Le logiciel et le support technique étaient une gracieuseté de corrélée Solutions Incorporated (www.correlatedsolutions.com).
Materials
| Uniaxial tensile mechanical tester | Enduratec | 3230 AT/HR | |
| Blue tissue marking dye | http://www.ebay.com/itm/Tissue-Marking-Dye-in-Bottles-2oz-Bottle-1-ea-/201193551510?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item2ed811f696 | ||
| Sprayer | Anest-iwata | CM-B | Custom Micron B |
| Camera | Point Grey | GS2-GE-50S5M-C | |
| Lens | Tokina | AT-X M100 | |
| Vascular tissue | Caughman Inc | ||
| 0.9% Sodium Chloride Injection PBS | BAXTER HEALTHCARE CORP. | ||
| Vic_snap | Correlated Solutions | ||
| Vic_2D | Correlated Solutions | ||
| Wintest 4.1 | Bose ElectroForce | ||
| Tissue adhesive | 3M Vetbond | 1469SB | |
| Disinfectant | Fisher Scientific | 04-355-13 | Decon BDD Bacdown Detergent Disinfectant |
References
- Holzapfel, G. A. Biomechanics of soft tissue. The handbook of materials behavior models. 3, 1049-1063 (2001).
- Vito, R. P., Dixon, S. A. Blood vessel constitutive models-1995-2002. Annu Rev Biomed Eng. 5, 413-439 (2003).
- Dodson, R. B., Martin, J. T., Hunter, K. S., Ferguson, V. L. Determination of hyperelastic properties for umbilical artery in preeclampsia from uniaxial extension tests. Eur J Obstet Gynecol Reprod Biol. 169, 207-212 (2013).
- Chuong, C. J., Fung, Y. C. On residual stresses in arteries. J Biomech Eng. 108, 189-192 (1986).
- Borschel, G. H., et al. Tissue engineering of recellularized small-diameter vascular grafts. Tissue Eng. 11, 778-786 (2005).
- Wagenseil, J. E., Mecham, R. P. Vascular extracellular matrix and arterial mechanics. Physiol Rev. 89, 957-989 (2009).
- Holzapfel, G. A. Determination of material models for arterial walls from uniaxial extension tests and histological structure. J Theor Biol. 238, 290-302 (2006).
- Tanaka, T. T., Fung, Y. C. Elastic and inelastic properties of the canine aorta and their variation along the aortic tree. J Biomech. 7, 357-370 (1974).
- Sokolis, D. Passive mechanical properties and structure of the aorta: segmental analysis. Acta physiologica. 190, 277-289 (2007).
- Twal, W., et al. Cellularized Microcarriers as Adhesive Building Blocks for Fabrication of Tubular Tissue Constructs. Ann Biomed Eng. , 1-12 (2013).
- Shazly, T., et al. On the Uniaxial Ring Test of Tissue Engineered Constructs. Exp Mech. , 1-11 (2014).
- Kim, J., Baek, S. Circumferential variations of mechanical behavior of the porcine thoracic aorta during the inflation test. J Biomech. 44, 1941-1947 (2011).
- Li, L., et al. Determination of material parameters of the two-dimensional Holzapfel-Weizsacker type model based on uniaxial extension data of arterial walls. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 16, 358-367 (2013).
- Li, L., et al. Determination of the material parameters of four-fibre family model based on uniaxial extension data of arterial walls. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 17, 695-703 (2014).
- Hoeltzel, D. A., Altman, P., Buzard, K., Choe, K. I. Strip extensiometry for comparison of the mechanical response of bovine, rabbit, and human corneas. J Biomech Eng. 114, 202-215 (1992).
- Guo, X., Kassab, G. S. Variation of mechanical properties along the length of the aorta in C57bl/6 mice. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 285, H2614-H2622 (2003).
- Smutz, W., Drexler, M., Berglund, L., Growney, E., An, K. Accuracy of a video strain measurement system. J Biomech. 29, 813-817 (1996).
- Genovese, K., Lee, Y. U., Lee, A. Y., Humphrey, J. D. An improved panoramic digital image correlation method for vascular strain analysis and material characterization. J Mech Behav Biomed Mater. 27, 132-142 (2013).
- Wang, C. C., Deng, J. M., Ateshian, G. A., Hung, C. T. An automated approach for direct measurement of two-dimensional strain distributions within articular cartilage under unconfined compression. J Biomech Eng. 124, 557-567 (2002).
- Ning, J., et al. Deformation measurements and material property estimation of mouse carotid artery using a microstructure-based constitutive model. J Biomech Eng. 132, 121010 (2010).
- Sutton, M. A., et al. Strain field measurements on mouse carotid arteries using microscopic three-dimensional digital image correlation. J Biomed Mater Res A. 84, 178-190 (2008).
- Sutton, M. A., Orteu, J. J., Schreier, H. . Image correlation for shape, motion and deformation measurements: basic concepts, theory and applications. , (2009).
- Verhulp, E., van Rietbergen, B., Huiskes, R. A three-dimensional digital image correlation technique for strain measurements in microstructures. J Biomech. 37, 1313-1320 (2004).
- Wang, C. C., Deng, J. M., Ateshian, G. A., Hung, C. T. An automated approach for direct measurement of two-dimensional strain distributions within articular cartilage under unconfined compression. Journal of Biomechanical Engineering. 124, 557-567 (2002).
- Franck, C., Hong, S., Maskarinec, S., Tirrell, D., Ravichandran, G. Three-dimensional full-field measurements of large deformations in soft materials using confocal microscopy and digital volume correlation. Exp Mech. 47, 427-438 (2007).
- Garcia, A., et al. Experimental study and constitutive modelling of the passive mechanical properties of the porcine carotid artery and its relation to histological analysis: Implications in animal cardiovascular device trials. Med Eng Phys. 33, 665-676 (2011).
- Miller, K. How to test very soft biological tissues in extension?. J Biomech. 34, 651-657 (2001).
- Sutton, M. A. . Springer handbook of experimental solid mechanics. , 565-600 (2008).
- Han, H. C., Fung, Y. C. Longitudinal strain of canine and porcine aortas. J Biomech. 28, 637-641 (1995).
- Sokolis, D. P. A passive strain-energy function for elastic and muscular arteries: correlation of material parameters with histological data. Med Biol Eng Comput. 48, 507-518 (2010).
- Zhou, B., Wolf, L., Rachev, A., Shazly, T. A structure-motivated model of the passive mechanical response of the primary porcine renal artery. J Mech Med Biol. , (2013).
- Zhou, B., Rachev, A., Shazly, T. The biaxial active mechanical properties of the porcine primary renal artery. J Mech Behav Biomed Mater. 48, 28-37 (2015).
- Sommer, G., Holzapfel, G. A. 3D constitutive modeling of the biaxial mechanical response of intact and layer-dissected human carotid arteries. J Mech Behav Biomed Mater. 5, 116-128 (2012).
