Biaxiales caractérisations mécaniques des valvules auriculo-ventriculaire
Summary
Ce protocole comporte des caractérisations de valve atrioventriculaire folioles avec force contrôlée, déplacement contrôlé, et méthodes d’essai mécanique biaxial stress-relaxation. Les résultats acquis avec ce protocole peuvent être utilisés pour l’élaboration d’un modèle constitutif pour simuler le comportement mécanique des valves fonctionnant dans un cadre de simulation par éléments finis.
Abstract
Biaxial mécanique des tests approfondis des folioles valve auriculo-ventriculaire cardiaque peuvent être utilisés pour dériver les paramètres optimaux utilisés dans les modèles de comportement, qui fournissent une représentation mathématique de la fonction mécanique de ces structures. Ce protocole de test mécanique biaxial présenté implique l’acquisition de tissu (i), (ii) la préparation d’échantillons de tissus, des essais mécaniques (iii) biaxial et (iv) le post-traitement des données acquises. Tout d’abord, acquisition de tissus nécessite obtention porcine ou ovine coeurs d’une nourriture locale et abattoir approuvé par FDA pour la dissection plus tard pour récupérer les tracts de la soupape. Ensuite, préparation du tissu nécessite l’utilisation de coupeurs de spécimen de tissu sur le tissu de la brochure pour extraire une zone claire pour les tests. Troisièmement, biaxial essais mécaniques du spécimen brochure nécessite l’utilisation d’un testeur mécanique biaxial commercial, qui se compose de force contrôlée, déplacement contrôlé, et des protocoles de tests de stress-relaxation afin de caractériser les tissus dépliant propriétés mécaniques. Enfin, post-traitement requiert l’utilisation de techniques de corrélation données images et lectures de force et de déplacement pour résumer les comportements mécaniques du tissu en réponse à une charge externe. En général, les résultats d’essais biaxial démontrent que les tissus de la brochure donnent une réponse mécanique non linéaire, anisotrope. La procédure d’essai biaxiale présentée est avantageuse à d’autres méthodes car la méthode présentée ici permet une caractérisation plus complète du tissu dépliant vanne sous un régime test unifié, par opposition à des protocoles de tests séparés sur échantillons de tissus différents. La méthode d’essai proposée a ses limites que la contrainte de cisaillement est potentiellement présente dans l’échantillon de tissu. Toutefois, aucun cisaillement potentiel est présumé négligeable.
Introduction
Fonction cardiaque correcte s’appuie sur des comportements mécaniques appropriées des folioles valve cardiaque. Dans les situations où la mécanique de dépliant valve cardiaque est compromise, valvulopathie cardiaque se produit, qui peut entraîner d’autres problèmes cardiaques. Comprendre la valvulopathie exige une compréhension approfondie des comportements mécaniques appropriées des folioles pour une utilisation dans des modèles informatiques et développement thérapeutique, et par conséquent, un régime d’essai doit être développé pour récupérer avec exactitude les bien-portants propriétés mécaniques des folioles. Dans la littérature antérieure, cette caractérisation mécanique a été réalisée à l’aide de procédures de test mécaniques biaxiales.
Procédures de test mécaniques biaxiales pour tissus mous varient à travers la littérature, avec différentes infrastructures de test utilisés pour récupérer des caractéristiques différentes,1,2,3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19. méthodes d’essai ont été étendues pour les études des caractéristiques mécaniques de dépliants de valve cardiaque. En général, biaxial essai mécanique consiste à charger le tissu valvulaire cardiaque avec forces simultanées dans les deux directions principales, mais comment cette analyse est réalisée varie selon les propriétés biomécaniques à observer. Certains de ces protocoles d’analyse comprennent (i) taux de déformation, fluage (ii), (iii) stress-relaxation et (iv) force contrôlée par test.
Tout d’abord, les tests de vitesse de déformation a été utilisé pour déterminer les comportements dépendant du temps des tissus folioles18,20. Dans ce protocole d’essai, des tracts sont chargés à une tension maximale de membrane à des moments différents de demi-cycle (c.-à-d., 1, 0,5, 0,1 et 0,05 s) pour déterminer s’il existe une différence significative dans l’étirement de la crête ou hystérésis entre les temps de chargement. Cependant, ces essais ont démontré une différence négligeable dans le tronçon observée avec différentes vitesses de déformation. Deuxièmement, dans l’essai de fluage, le tissu est chargé à la tension de membrane de pointe et qui s’est tenu à la tension de membrane de crête. Ce test permet une démonstration de comment déplacement de tissu se glisse pour maintenir la tension de membrane de pointe. Toutefois, il a été démontré que le fluage est insignifiant pour dépliants valve cardiaque sous fonctionnement physiologique3,20. En troisième lieu, dans les tests de stress-relaxation, le tissu est chargé à la tension de membrane de crête et le déplacement associé est maintenu constant pendant une période prolongée de temps3,21,22. Dans ce type de test, le stress de tissu a une réduction notable de la tension de membrane de crête. Enfin, pour tester la force contrôlée, les tissus sont cycliquement chargés à différents ratios de la tension de membrane de pointe dans chaque direction17,23. Ces tests révèlent l’anisotropie et la réponse non linéaire contrainte-déformation du matériau et en chargeant le tissu sous divers rapports, déformations physiologiques potentielles peuvent être mieux comprises. Ces investigations récentes fait apparaître ce stress-relaxation et protocoles contrôlés par force s’avérer plus avantageux d’effectuer une caractérisation mécanique des dépliants de valve cardiaque. Malgré ces avancées dans la caractérisation biomécanique de valve cardiaque, l’essai n’a été effectuée sous une unifiée essai régime, et il existe des méthodes limitées pour enquêter sur le couplage entre les sens.
Cette méthode vise à faciliter une caractérisation complète des folioles valve cardiaque par un régime de test mécanique biaxial unifié. Un régime unifié de test est considéré comme l’un où chaque foliole est testé sous tous les protocoles d’essai en une seule session. C’est avantageux, comme un tissu, les propriétés sont intrinsèquement variables entre les folioles, donc une caractérisation complète pour chaque foliole s’avère plus précise comme un descripteur que l’exécution de chaque protocole indépendamment sur divers dépliants. Le régime d’essai se compose de trois éléments principaux, à savoir (i) un protocole d’essai biaxial force contrôlée, (ii) un protocole d’essai biaxial déplacement contrôlé et (iii) un protocole d’essai biaxiale stress-relaxation. Tous les régimes d’essais utilisent un taux de charge de 4.42 tr/min et 10 cycles de chargement et de déchargement pour s’assurer de contrainte-déformation de la courbe réplicabilité par la 10ème cycle (que l’on trouve dans les travaux antérieurs)23. Tous les protocoles sont également construits fondée sur l’hypothèse de tension de membrane, qui exige que l’épaisseur soit moins de 10 % de la longueur de l’échantillon efficace.
Le protocole de force contrôlé utilisé dans cette méthode présentée se compose de 10 de chargement et de déchargement des cycles avec des tensions de membrane de pointe de 100 N/m et 75 N/m pour la valve mitrale (MV) et de la valve tricuspide (TV), respectivement de15,17. Cinq rapports de chargement sont considérés dans ce protocole d’essai contrôlé par force, à savoir : 1:1, 0.75:1, 1:0.75, 0.5:1 et 1 : 0. 5. Ces ratios de cinq chargement s’avérer utiles pour décrire les contraintes et déformations correspondant à toutes les déformations physiologiques potentiels du dépliant in vivo.
Le protocole de contrôle déplacement présenté dans cette méthode se compose de deux scénarios de déformation, à savoir (i) contrainte uniaxiale stretching et cisaillement (ii) pur. L’étirement contrainte uniaxiale, un sens du tissu est décalée vers la tension de membrane de pointe tout en fixant l’autre sens. Dans la configuration de cisaillement pur, le tissu est tendu dans une seule direction et judicieusement abrégé dans l’autre sens, donc la zone du tissu reste constante dans la déformation. Chacune de ces procédures d’essai contrôlé par déplacement est effectuée pour chacune des directions de deux tissus (directions circonférentielles et radiales).
Le protocole de stress-relaxation, utilisé dans la méthode présentée est obtenu par chargement le tissu à la tension de membrane de crête dans les deux sens et le maintien du tissu dans les déplacements correspondants pendant 15 min surveiller le comportement de relaxation de contrainte du tissu. Les procédures expérimentales on discute ensuite.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les étapes essentielles pour ce test mécanique biaxial comprennent (i) l’orientation correcte de la notice, (ii) bon testeur biaxial installation pour négligeable au cisaillement et (iii) une application minutieuse des marqueurs fiducial. L’orientation de cette brochure est cruciale pour la caractérisation mécanique obtenue du tissu dépliant car le matériau est anisotrope dans la nature. Ainsi, les directions radiales et circonférentielles doivent s’appeler pour aligner correctement les échantillons de tis…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ce travail a été soutenu par l’American Heart Association scientifique Development Grant 16SDG27760143. Les auteurs aimerait également remercier la bourse de recherche de bureau de recherche de l’Université de l’Oklahoma, de premier cycle pour support Colton Ross et Devin Laurence tutoré.
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).
