Biaxial mechanische karakteristieken van Atrioventriculaire hartkleppen
Summary
Dit protocol omvat karakterisaties Atrioventriculaire ventiel folders met kracht-gecontroleerde, verplaatsing-gecontroleerde, en stress-ontspanning biaxial mechanische testprocedures. Resultaten verkregen met dit protocol kunnen worden gebruikt voor ontwikkeling van de constitutieve model om de mechanische gedrag van werkende kleppen binnen een eindige elementen simulatie kader te simuleren.
Abstract
Uitgebreide biaxial mechanische testen van de atrioventriculaire hart ventiel brochures kan worden gebruikt om optimale parameters gebruikt in constituerende modellen, waarmee een wiskundige vertegenwoordiging van de mechanische functie van deze structuren worden afgeleid. Dit gepresenteerd biaxial mechanische testen protocol omvat (i) weefsel verwerving, (ii) de opstelling van weefsel monsters, (iii) biaxial mechanische testen en (iv) de postprocessing van de opgehaalde gegevens. Eerst, vereist weefsel overname verkrijgen van varkens of schapen harten van een lokale Food and Drug Administration goedgekeurd slachthuis voor latere dissectie om op te halen van de folders van het ventiel. Ten tweede, weefsel voorbereiding vereist uitpakken met weefsel specimen scharen op de bijsluiter weefsel een duidelijke zone om te testen. Derde, biaxial mechanische testen voor de leaflet specimen vereist het gebruik van een commerciële biaxial mechanische tester, die uit kracht-gecontroleerde bestaat, verplaatsing-gecontroleerde, en karakteriseren van het leaflet weefsel van stress-ontspanning testen protocollen mechanische eigenschappen. Ten slotte vereist post-processing het gebruik van gegevens afbeelding correlatie technieken en kracht en de verplaatsing lezingen om samen te vatten de mechanische gedrag van het weefsel in reactie op externe laden. In het algemeen, resultaten van het testen van biaxial tonen aan dat de bijsluiter weefsels een niet-lineaire en anisotrope mechanische respons opleveren. De gepresenteerde biaxial testprocedure is voordelig aan andere methodes, omdat de methode die hier wordt gepresenteerd zorgt voor een meer uitgebreide karakterisering van het ventiel leaflet weefsel onder één uniforme testen regeling, in tegenstelling tot afzonderlijke testprotocollen op verschillende weefsel exemplaren. De voorgestelde testmethode heeft zijn beperkingen in dat schuifspanning potentieel aanwezig in het monster weefsel. Echter, elke potentiële schuintrekken wordt verondersteld te verwaarlozen.
Introduction
Goede hartfunctie, is afhankelijk van juiste mechanische gedrag van het hart ventiel folders. In situaties waar hart ventiel leaflet mechanica zijn gecompromitteerd, optreedt hart-en vaatziekten klep, die kan leiden tot andere hart-gerelateerde problemen. Begrip van hart-en vaatziekten ventiel vereist een grondig inzicht in de brochures goede mechanische gedrag voor gebruik in rekenmodellen en therapeutische ontwikkeling, en als zodanig een testen regeling moet worden ontwikkeld om nauwkeurig de gezonde ophalen folders mechanische eigenschappen. In de vorige literatuur, is deze mechanische karakterisering uitgevoerd met behulp van biaxial mechanische testprocedures.
Biaxial mechanische testprocedures voor zachte weefsels variëren in de literatuur, met verschillende testen kaders gebruikt om op te halen van verschillende kenmerken1,2,3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19. testen methoden voor onderzoek van de mechanische eigenschappen van hart ventiel folders zijn uitgebreid. In het algemeen, biaxial mechanische testen impliceert het hartweefsel van de klep met gelijktijdige krachten in de twee belangrijkste richtingen laden, maar hoe deze testen wordt uitgevoerd varieert op basis van de biomechanische eigenschappen in acht moeten worden genomen. Sommige van deze testprotocollen omvatten (i) stam-tarief, kruip (ii) (iii) stress-ontspanning en (iv) kracht-gecontroleerde testen.
Eerst, het testen van de spanning-tarief is gebruikt om te bepalen van de tijdsafhankelijke gedragingen van de weefsel folders18,20. In dit protocol testen folders worden geladen tot een maximale membraan spanningen op verschillende tijdstippen van de half-cyclus (d.w.z. 1, 0,5 0.1 en 0,05 s) om te bepalen als er een significant verschil in piek stretch of hysteresis tussen laadtijden. Deze tests hebben echter aangetoond dat een verwaarloosbaar verschil in de waargenomen rekken met variërende spanning-tarieven. Ten tweede, in kruip testen, wordt het weefsel geladen de piek membraan spanning en gehouden op piek membraan spanning. Deze testen zorgt een demonstratie van hoe de verplaatsing van het weefsel te handhaven van de piek membraan spanning kruipt. Echter het is gebleken dat de kruip onbeduidend voor hart ventiel folders is onder fysiologisch functioneren3,20. Ten derde, in het stress-testen, het weefsel wordt geladen de piek membraan spanning en de bijbehorende verplaatsing is constant gehouden voor een langere periode van tijd3,21,22. Bij dit soort testen, heeft de stress van het weefsel een opvallende vermindering van de spanning van de membraan piek. Tot slot, in kracht-gecontroleerde testen, weefsels worden cyclisch geladen op verschillende verhoudingen van de piek membraan spanning in elke richting17,23. Deze proefnemingen blijkt dat het materiaal de anisotropie en niet-lineaire spanning-spanning reactie, en door het laden van het weefsel onder verschillende ratio’s, potentiële fysiologische vervormingen kunnen beter worden begrepen. Deze recente onderzoeken maakte het duidelijk dat stress-ontspanning en kracht-gecontroleerde protocollen bewijzen meest gunstig zijn voor het uitvoeren van een mechanische karakterisatie van hart ventiel folders. Ondanks deze vooruitgang in de karakterisering van het biomechanische van de kleppen van het hart, de tests niet zijn uitgevoerd onder één uniforme regeling testen, en er zijn beperkte methoden te onderzoeken van de koppeling tussen richtingen.
Het doel van deze methode is om een volledige materiële karakterisering van de folders van de klep hart door een uniforme biaxial mechanische testen regeling. Een uniforme testen regeling wordt beschouwd als een waar elke brochure is getest onder alle testprotocollen in één sessie. Dit is gunstig, als weefsel eigenschappen zijn inherent variabele tussen folders, zodat een volledige karakterisering voor elke folder bewijst nauwkeuriger als een descriptor dan elk protocol onafhankelijk uitvoeren op verschillende folders. De testen regeling bestaat uit drie belangrijke componenten, namelijk (i) een kracht-gecontroleerde biaxial testen protocol, (ii) een verplaatsing bestuurde biaxial testen protocol en (iii) een biaxial stress-ontspanning testen protocol. Alle testen die gebruik maken van een densiteit van 4.42 N/min en 10 laden-lossen cycli om stress-spanning kromme dupliceerbaarheid door de 10e cyclus (als gevonden in vorige werk)23. Alle protocollen zijn ook gebouwd op basis van de membraan spanning aanname, die vereist dat de dikte minder dan 10% van de effectieve specimen lengtes.
De kracht-gecontroleerde protocol dat wordt gebruikt in dit onderhavige methode bestaat uit 10 laden en lossen van cycli met piek membraan spanningen 100 N/m en 75 N/m voor de mitralisklep (MV) en tricuspidalisklep (TV), respectievelijk15,17. Vijf ratio’s van laden worden beschouwd in dit kracht bestuurde testen protocol, namelijk 1:1, 0.75:1, 1:0.75, 0.5:1 en 1: 0. 5. Deze vijf laden verhoudingen nuttig voor het beschrijven van de spanningen en vervormingen correspondent aan alle potentiële fysiologische deformaties van de folder in vivo.
De verplaatsing-gecontroleerde protocol gepresenteerd in deze methode bestaat uit twee scenario’s van vervorming, namelijk (i) beperkt eenassige rekken en (ii) de zuivere afschuiving. In de beperkte eenassige rekken, wordt één richting van het weefsel verplaatst naar de piek membraan spanning terwijl de vaststelling van de andere richting. In de zuivere afschuiving-instellingen, is het weefsel uitgerekt in één richting en oordeelkundig verkort in de andere richting, zodat het gebied van het weefsel constant onder vervorming blijft. Elk van deze verplaatsing bestuurde testprocedures wordt uitgevoerd voor elk van de twee weefsel richtingen (ze en radiale richtingen).
De stress-ontspanning-protocol dat wordt gebruikt in de onderhavige methode wordt bereikt door het laden van het weefsel de piek membraan spanning in beide richtingen en het weefsel te houden op de correspondent verplaatsingen voor 15 min te controleren van het weefsel stress ontspanning gedrag. De gedetailleerde experimentele procedures worden hierna besproken.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritische stappen voor deze biaxial mechanische tests omvatten (i) de juiste stand van de bijsluiter, (ii) juiste biaxial tester setup voor te verwaarlozen schuintrekken, en (iii) een zorgvuldige toepassing van de fiducial markers. De oriëntatie van de bijsluiter is cruciaal voor de verkregen mechanische karakterisatie van het leaflet weefsel als het materiaal anisotrope in de natuur is. Aldus, moeten de radiale en ze richtingen worden bekend voor het correct uitlijnen van de weefsel monsters met de testen X – en Y-rich…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de American Heart Association wetenschapper ontwikkeling Grant 16SDG27760143. De auteurs wil ook de mentor Research Fellowship van de Universiteit van Oklahoma’s Office of Undergraduate Research voor de ondersteuning van zowel Colton Ross en Devin Laurence erkennen.
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 |
Referências
- May-Newman, K., Yin, F. Biaxial mechanical behavior of excised porcine mitral valve leaflets. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 269 (4), H1319-H1327 (1995).
- Billiar, K., Sacks, M. A method to quantify the fiber kinematics of planar tissues under biaxial stretch. Journal of Biomechanics. 30 (7), 753-756 (1997).
- Grashow, J. S., Sacks, M. S., Liao, J., Yoganathan, A. P. Planar Biaxial Creep and Stress Relaxation of the Mitral Valve Anterior Leaflet. Annals of Biomedical Engineering. 34 (10), 1509-1518 (2006).
- Humphrey, J. D., Vawter, D. L., Vito, R. P. Quantification of strains in biaxially tested soft tissues. Journal of Biomechanics. 20 (1), 59-65 (1987).
- Sacks, M. A method for planar biaxial mechanical testing that includes in-plane shear. Journal of Biomechanical Engineering. 121 (5), 551-555 (1999).
- Sacks, M., Chuong, C. Biaxial mechanical properties of passive right ventricular free wall myocardium. Journal of Biomechanical Engineering. 115 (2), 202-205 (1993).
- Stella, J. A., Sacks, M. S. On the biaxial mechanical properties of the layers of the aortic valve leaflet. Journal of Biomechanical Engineering. 129 (5), 757-766 (2007).
- Lanir, Y., Fung, Y. Two-dimensional mechanical properties of rabbit skin-II. Experimental results. Journal of Biomechanics. 7 (2), 171-182 (1974).
- Sun, W., Sacks, M. S., Sellaro, T. L., Slaughter, W. S., Scott, M. J. Biaxial mechanical response of bioprosthetic heart valve biomaterials to high in-plane shear. Journal of Biomechanical Engineering. 125 (3), 372-380 (2003).
- Sommer, G., Regitnig, P., Költringer, L., Holzapfel, G. A. Biaxial mechanical properties of intact and layer-dissected human carotid arteries at physiological and supraphysiological loadings. American Journal of Physiology-Heart and Circulatory Physiology. 298 (3), H898-H912 (2009).
- Tong, J., Cohnert, T., Regitnig, P., Holzapfel, G. A. Effects of age on the elastic properties of the intraluminal thrombus and the thrombus-covered wall in abdominal aortic aneurysms: biaxial extension behaviour and material modelling. European Journal of Vascular and Endovascular Surgery. 42 (2), 207-219 (2011).
- Billiar, K. L., Sacks, M. S. Biaxial mechanical properties of the natural and glutaraldehyde treated aortic valve cusp-Part I: Experimental results. Transactions-American Society of Mechanical Engineers Journal of Biomechanical Engineering. 122 (1), 23-30 (2000).
- Jett, S., et al. Biaxial mechanical data of porcine atrioventricular valve leaflets. Data in Brief. 21, 358-363 (2018).
- Pham, T., Sun, W. Material properties of aged human mitral valve leaflets. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 102 (8), 2692-2703 (2014).
- Pierlot, C. M., Moeller, A. D., Lee, J. M., Wells, S. M. Biaxial creep resistance and structural remodeling of the aortic and mitral valves in pregnancy. Annals of Biomedical Engineering. 43 (8), 1772-1785 (2015).
- Potter, S., et al. A Novel Small-Specimen Planar Biaxial Testing System With Full In-Plane Deformation Control. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), 051001 (2018).
- Khoiy, K. A., Amini, R. On the biaxial mechanical response of porcine tricuspid valve leaflets. Journal of Biomechanical Engineering. 138 (10), 104504 (2016).
- Grashow, J. S., Yoganathan, A. P., Sacks, M. S. Biaixal stress-stretch behavior of the mitral valve anterior leaflet at physiologic strain rates. Annals of Biomedical Engineering. 34 (2), 315-325 (2006).
- Huang, H. -. Y. S., Lu, J. Biaxial mechanical properties of bovine jugular venous valve leaflet tissues. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. , 1-13 (2017).
- Stella, J. A., Liao, J., Sacks, M. S. Time-dependent biaxial mechanical behavior of the aortic heart valve leaflet. Journal of Biomechanics. 40 (14), 3169-3177 (2007).
- Sacks, M. S., David Merryman, W., Schmidt, D. W. On the biomechanics of heart valve function. Journal of Biomechanics. 42 (12), 1804-1824 (2009).
- Sacks, M. S., Yoganathan, A. P. Heart valve function: a biomechanical perspective. Philosophical Transactions of the Royal Society of London B: Biological Sciences. 362 (1484), 1369-1391 (2007).
- Jett, S., et al. An investigation of the anisotropic mechanical properties and anatomical structure of porcine atrioventricular heart valves. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 87, 155-171 (2018).
- Ruifrok, A. C., Johnston, D. A. Quantification of histochemical staining by color deconvolution. Analytical and Quantitative Cytology and Histology. 23 (4), 291-299 (2001).
- Sacks, M. S. Biaxial mechanical evaluation of planar biological materials. Journal of Elasticity. 61 (1), 199 (2000).
