Biaxial caracterizações mecânicas das válvulas cardíacas Atrioventricular

Summary

Este protocolo envolve caracterizações dos folhetos da válvula atrioventricular com força controlada, deslocamento controlado, e procedimentos de teste mecânico biaxial de stress-relaxamento. Resultados adquiridos com este protocolo podem ser usados para o desenvolvimento do modelo constitutivo para simular o comportamento mecânico de válvulas de funcionamento sob um quadro de simulação de elementos finitos.

Abstract

Extensos testes mecânicos biaxial dos folhetos da válvula atrioventricular coração podem ser utilizados para derivar parâmetros ideais, usados nos modelos constitutivos, que fornecem uma representação matemática da função mecânica das estruturas. Este protocolo de teste mecânico biaxial apresentado envolve a aquisição de tecido (i), (ii) a preparação de amostras de tecido, (iii) biaxial teste mecânico e (iv) o pós-processamento dos dados adquiridos. Primeiro, aquisição de tecido exige a obtenção de suínos ou ovinos corações de uma comida local e matadouro aprovados pelo FDA para posterior dissecação para recuperar os folhetos da válvula. Em segundo lugar, preparação do tecido requer o uso de cortadores de amostra de tecido no tecido dos folhetos para extrair uma zona clara para testes. Terceiro, biaxial teste mecânico do espécime folheto requer o uso de um testador de mecânico biaxial comercial, que consiste de força controlada, controlada por deslocamento, e testes de stress-relaxamento protocolos para caracterizar o tecido folheto Propriedades mecânicas. Finalmente, pós-processamento requer o uso de técnicas de correlação de dados imagem e leituras de força e deslocamento para resumir comportamentos de mecânica do tecido em resposta a carga externa. Em geral, os resultados de ensaio biaxial demonstram que os tecidos de folheto produzem uma resposta de mecânica não-linear, anisotrópica. O procedimento de ensaio biaxial apresentado é vantajoso para outros métodos, desde que o método aqui apresentado permite uma caracterização mais abrangente do tecido dos folhetos da válvula sob um regime de teste unificado, em oposição a protocolos de testes separados na amostras de diferentes tecidos. O método de teste proposto tem suas limitações, em que a tensão de cisalhamento é potencialmente presente na amostra de tecido. No entanto, qualquer potencial cisalhamento presume-se insignificante.

Introduction

Função cardíaca adequada depende de comportamentos mecânicos apropriados dos folhetos da válvula coração. Em situações onde a mecânica de folheto de válvula de coração está comprometidas, doença valvular cardíaca ocorre, que pode conduzir a outros problemas relacionados com o coração. Compreender a doença valvular cardíaca requer uma compreensão completa dos comportamentos de mecânica adequada dos folhetos para uso em modelos computacionais e desenvolvimento de terapêutico, e como tal, um esquema de ensaio deve ser desenvolvido para recuperar com precisão o saudável Propriedades mecânicas dos folhetos. Na literatura anterior, esta caracterização mecânica tem sido conduzida usando procedimentos de teste mecânicos biaxial.

Procedimentos de ensaio biaxial mecânicos para tecidos moles variam em toda a literatura, com diferentes estruturas de teste utilizadas para recuperar diferentes características^{1,2,3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19}. métodos de teste foram estendidos para investigações das características mecânicas dos folhetos da válvula de coração. Em geral, biaxial teste mecânico envolve carregar o tecido da válvula de coração com forças simultâneas nas duas direções principais, mas como este teste é realizado varia com base nas propriedades biomecânicas que devem ser observados. Alguns destes testes protocolos incluem (i) taxa de deformação, fluência (ii), (iii) stress-relaxamento e (iv) força controlada testando.

Primeiro, o teste de tensão-taxa tem sido utilizada para determinar os comportamentos de tempo-dependente do tecido folhetos^18,20. Neste protocolo teste, folhetos são carregados para uma tensão máxima de membrana em momentos diferentes da metade do ciclo (ou seja, 1, 0,5, 0,1 e 0,05 s) para determinar se há uma diferença significativa no trecho de pico ou histerese entre tempos de carregamento. No entanto, esses testes demonstraram uma diferença insignificante no trecho observado com diferentes taxas de estirpe. Em segundo lugar, em testes de fluência, o tecido é carregado para o pico de tensão de membrana e realizado no pico de tensão de membrana. Este teste permite uma demonstração de como o deslocamento do tecido arrasta-se para manter a tensão de membrana de pico. No entanto, foi demonstrado que o patife é insignificante para folhetos de válvula do coração sob fisiologicamente funcionamento^3,20. Em terceiro lugar, em testes de stress-relaxamento, o tecido é carregado para o pico de tensão de membrana e o deslocamento associado é mantido constante por um longo período de tempo,^3,21,22. Neste tipo de teste, o stress de tecido tem uma notável redução desde o pico de tensão de membrana. Por último, em testes de força controlada, tecidos são carregados ciclicamente em várias relações da tensão de membrana de pico em cada direção^17,23. Estes testes revelam a anisotropia do material e a resposta de tensão-deformação não-linear, e carregando o tecido sob várias relações, deformações fisiológicas potenciais podem ser melhor compreendidas. Estas investigações recentes feitas aparente stress-relaxamento e protocolos controlados por força ser mais benéficos para realizar uma caracterização mecânica dos folhetos da válvula de coração. Apesar destes avanços na caracterização biomecânica do coração da válvula, o teste não foi realizado sob uma unificada regime de teste, e existem métodos limitados para investigar o acoplamento entre as direções.

A finalidade desse método é facilitar uma caracterização completa material dos folhetos da válvula coração por um regime de teste mecânico biaxial unificado. Um esquema unificado de teste é considerado como um onde cada folheto é testado em todos os protocolos de testes em uma sessão. Isto é vantajoso, como tecido propriedades são inerentemente variáveis entre folhetos, portanto, uma caracterização completa de cada folheto prova mais precisa como um descritor que realizando cada protocolo independentemente em vários folhetos. O esquema de teste consiste de três componentes principais, nomeadamente (i) um protocolo de teste biaxial força controlada, (ii) um protocolo de teste biaxial deslocamento controlado e (iii) um protocolo de teste de stress-relaxamento biaxial. Todos os regimes de testes utilizam uma taxa de carregamento de 4,42 N/min e 10 ciclos de carga e descarga para garantir tensão-deformação curva replicabilidade pelo 10º ciclo (como os encontrados em trabalhos anteriores)²³. Todos os protocolos também são construídos com base no pressuposto de tensão da membrana, que exige que a espessura seja inferior a 10% dos comprimentos de amostra eficaz.

O protocolo força controlada usado neste método apresentado é composto por 10 de carga e descarga de ciclos com as tensões de membrana de pico de 100 N/m e 75 N/m para a válvula mitral (MV) e a válvula tricúspide (TV), respectivamente de^15,17. Rácios de carregamento cinco são considerados neste protocolo teste controlado por força, ou seja 1:1, 0.75:1, 1:0.75, 0.5:1 e 1:0. 5. Estas relações de cinco carga provar útil em descrever o stress e tensões correspondente para todos os possíveis deformações fisiológicas do folheto in vivo.

O protocolo de deslocamento controlado apresentado neste método consiste em dois cenários de deformação, nomeadamente (i) restrito uniaxial alongamento e (ii) puro cisalhamento. No alongamento uniaxial restrita, uma direção do tecido é deslocada para o pico de tensão de membrana ao reparar na outra direção. Na configuração do cisalhamento puro, o tecido é esticado em uma direção e criteriosamente encurtado em outra direção, então a área do tecido permanece constante sob deformação. Cada um desses procedimentos de teste controlado por deslocamento é executado para cada uma das direções dois tecidos (direções radiais e circunferenciais).

O protocolo de stress-relaxamento usado no método apresentado é conseguido por carregar o tecido para o pico de tensão de membrana em ambos os sentidos e segurando o tecido para os deslocamentos correspondentes por 15 min monitorar o comportamento de relaxamento do tecido stress. Os procedimentos experimentais detalhados são discutidos em seguida.

Protocol

Todos os métodos descritos foram aprovados pelo cuidado institucional do Animal e Comissão de utilização (IACUC) na The University of Oklahoma. Todos os tecidos animais foram adquiridos de um departamento de Estados Unidos de agricultura USDA-aprovado matadouro (país Home co. de carne, Edmond, Okey). 1. tecido aquisição e limpeza Recuperar os corações animais no mesmo dia, como o animal é abatido e armazenar os corações em uma caixa de gelo para garantir a frescura de tec…

Representative Results

Dados de stress-trecho da força controlada biaxial teste mecânico revelam uma curva não linear com alguma semelhança com uma curva exponencial (Figura 12). Quanto a resposta em cada direção principal, o comportamento do material é transversalmente isotrópico, com o estiramento radial maior que a deformação circunferencial. Em alguns casos, podem virar direções a anisotropia, com a direção circunferencial exibindo conformidade maior do que a dire…

Discussion

Passos críticos para este teste mecânico biaxial incluem (i) a orientação correta de folheto da instalação testador biaxial (ii) adequado para a tesoura insignificante e (iii) uma aplicação cuidadosa dos marcadores fiduciais. A orientação do folheto é crucial para a caracterização mecânica Obtida de tecido dos folhetos, como o material é anisotrópico na natureza. Assim, as direções radiais e circunferenciais precisam ser conhecido para alinhar corretamente as amostras de tecido com a teste X – e Y-dire?…

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