Caratterizzazioni biassiale meccaniche delle valvole atrioventricolari cuore

Summary

Questo protocollo coinvolge caratterizzazioni degli opuscoli della valvola atrioventricolare con controllato dalla forza, spostamento-controllato, e procedure di collaudo meccanico biassiale rilassamento da stress. Risultati acquisiti con questo protocollo possono essere utilizzati per lo sviluppo del modello costitutivo per simulare il comportamento meccanico di funzionamento valvole in un quadro di simulazione agli elementi finiti.

Abstract

Test meccanico biassiale approfonditi degli opuscoli della valvola atrioventricolare del cuore possono essere utilizzate per derivare i parametri utilizzati in modelli costitutivi, che forniscono una rappresentazione matematica della funzione meccanica di quelle strutture. Questo protocollo di prova meccanica biassiale presentato comporta acquisizione di tessuto (i), (ii) la preparazione dei campioni di tessuto, prove meccaniche (iii) biassiale e (iv) post-processing dei dati acquisiti. In primo luogo, acquisizione del tessuto richiede l’ottenimento di cuori di suini o ovini da un cibo locale e Drug Administration-approvato macello per dissezione successiva per recuperare opuscoli della valvola. In secondo luogo, preparazione del tessuto richiede l’utilizzo di frese campione di tessuto sul tessuto leaflet per estrarre una zona libera per il test. In terzo luogo, biassiale prove meccaniche dell’esemplare opuscolo richiede l’uso di un tester meccanico biassiale commerciale, che consiste di controllato dalla forza, spostamento-controllato, e protocolli di prova di rilassamento da stress per caratterizzare il tessuto di foglio illustrativo Proprietà meccaniche. Infine, la post-elaborazione richiede l’uso di tecniche di correlazione dei dati immagine e letture di forza e spostamento di riassumere il comportamento meccanico del tessuto in risposta al carico esterno. In generale, i risultati di prove biassiali dimostrano che i tessuti di volantino resa una risposta meccanica non lineare, anisotropica. La procedura di collaudo biassiale presentata è vantaggiosa per altri metodi in quanto il metodo presentato qui permette una più completa caratterizzazione del tessuto leaflet della valvola sotto uno schema di test unificato, al contrario di protocolli di prova separati su campioni di tessuto diverso. Il metodo di analisi proposto ha i suoi limiti in quanto la sollecitazione di taglio è potenzialmente presente nel campione di tessuto. Tuttavia, qualsiasi potenziale taglio presume trascurabile.

Introduction

Funzione cardiaca adeguata si basa su comportamenti adeguati meccanici degli opuscoli della valvola di cuore. In situazioni in cui è compromessa meccanica leaflet valvola di cuore, malattia delle valvole cardiache si verifica, che può portare ad altri problemi legati al cuore. Malattie delle valvole cardiache la comprensione richiede una conoscenza approfondita dei comportamenti meccanici corretta degli opuscoli per l’utilizzo in modelli computazionali e sviluppo terapeutico, e come tale, uno schema di test deve essere sviluppato per recuperare correttamente il sano Proprietà meccaniche dei volantini. Nella letteratura precedente, questa caratterizzazione meccanica è stata condotta utilizzando le procedure di collaudo meccaniche biassiale.

Procedure di test meccaniche biassiale per tessuti molli variano in tutta la letteratura, con diversi framework di test utilizzati per recuperare diverse caratteristiche^{1,2,3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19}. metodi di Testing sono stati estesi per le indagini delle caratteristiche meccaniche degli opuscoli della valvola di cuore. In generale, biassiale prove meccaniche coinvolge il tessuto di valvole cardiache con forze simultanee in due principali direzioni di carico, ma come questo test viene eseguito varia basato sulle proprietà biomeccaniche devono essere rispettate. Alcuni di questi protocolli di prova includono (i) a velocità di deformazione, creep (ii), (iii) rilassamento da stress e (iv) controllato dalla forza test.

In primo luogo, il test di velocità di deformazione è stata utilizzata per determinare i comportamenti di tempo-dipendente del tessuto volantini^18,20. In questo protocollo di prova, volantini vengono caricati per una tensione massima di membrana in momenti diversi di mezzo ciclo (cioè, 1, 0.5, 0.1 e 0.05 s) per determinare se c’è una differenza significativa nel tratto di picco o isteresi tra tempi di caricamento. Tuttavia, questi test hanno dimostrato una differenza trascurabile nel tratto osservato con diverse velocità di deformazione. In secondo luogo, nel test di scorrimento, il tessuto è caricato alla tensione di picco della membrana e tenuto in tensione di picco della membrana. Questo test permette una dimostrazione di come lo spostamento del tessuto si insinua per mantenere la tensione di picco della membrana. Tuttavia, è stato dimostrato che lo scorrimento è insignificante per gli opuscoli di valvola del cuore sotto fisiologicamente funzionamento^3,20. In terzo luogo, nel rilassamento da stress test, il tessuto è caricato alla tensione di picco della membrana e lo spostamento associato viene mantenuto costante per un periodo prolungato di tempo^3,21,22. In questo tipo di test, lo sforzo di tessuto ha una notevole riduzione di tensione della membrana il picco. Infine, nei test di forza controllata, tessuti ciclicamente vengono caricati in vari rapporti di tensione nelle membrane il picco in ogni direzione^17,23. Questi test rivelano anisotropia e la risposta non lineare sforzo-deformazione del materiale, e caricando il tessuto sotto vari rapporti, deformazioni fisiologici potenziale possono essere meglio compreso. Queste indagini recenti reso evidente che lo stress-rilassamento e controllato dalla forza protocolli provare più utile effettuare una caratterizzazione meccanica degli opuscoli della valvola di cuore. Nonostante questi progressi nella caratterizzazione biomeccanica valvola di cuore, il test non è stato eseguito sotto un unificato test schema, e ci sono metodi limitati per indagare l’accoppiamento tra le direzioni.

Lo scopo di questo metodo è quello di facilitare una caratterizzazione completa del materiale degli opuscoli della valvola di cuore di un sistema di collaudo meccanico biassiale unificato. Un sistema di test unificato è considerato come uno dove ogni volantino viene testato sotto tutti i protocolli di prova in un’unica sessione. Questo è vantaggioso, come tessuto proprietà sono intrinsecamente variabile tra volantini, così una completa caratterizzazione per ogni foglio illustrativo si dimostra più precisa come un descrittore di eseguire in modo indipendente ogni protocollo su vari opuscoli. Lo schema di collaudo è costituito da tre componenti principali, vale a dire (i) un protocollo di prova biassiale controllato dalla forza, (ii) un protocollo di prova biassiale spostamento controllato e (iii) un protocollo di prova biassiale rilassamento da stress. Tutti i regimi di prova utilizzano una velocità di caricamento di 4,42 N/min e 10 cicli di carico e scarico per assicurare la sollecitazione-deformazione curva replicabilità del 10 ° ciclo (come nel precedente lavoro)²³. Tutti i protocolli sono inoltre costruiti partendo dal presupposto di tensione della membrana, che è necessario che lo spessore sia inferiore al 10% delle lunghezze efficaci esemplare.

Il protocollo controllato dalla forza utilizzato in questo metodo presentato è costituito da 10 di carico e scarico cicli con picchi di tensione della membrana di 100 N/m e 75 N/m per la valvola mitrale (sistemi MV) e la valvola tricuspide (TV), rispettivamente di^15,17. Cinque rapporti di caricamento sono considerati nel presente protocollo test controllato dalla forza, vale a dire 1:1, 0.75:1, 1:0.75, 0.5:1 e 1:0. 5. Questi rapporti di cinque carico rivelarsi utili nel descrivere il corrispondente sollecitazioni e gli sforzi a tutti i potenziali deformazioni fisiologiche dell’opuscolo in vivo.

Il protocollo di spostamento-controllato ha presentato in questo metodo è costituito da due scenari di deformazione, vale a dire (i) vincolato stretching monoassiale e taglio (ii) puro. Nello stretching monoassiale vincolata, una direzione del tessuto viene spostata alla tensione di picco della membrana mentre l’altra direzione di fissaggio. Nell’impostazione di taglio puro, il tessuto è allungato in una direzione e giudiziosamente accorciato in direzione opposta, quindi l’area del tessuto rimane costante sotto deformazione. Ciascuna di queste procedure di collaudo spostamento controllato viene eseguita per ciascuna delle direzioni dei due tessuti (direzione circonferenziale e radiale).

Il protocollo di rilassamento da stress utilizzato nel metodo presentato si ottiene caricando il tessuto per la tensione di picco della membrana in entrambe le direzioni e che tiene il tessuto presso gli spostamenti corrispondenti per 15 min monitorare il comportamento di rilassamento dello stress del tessuto. Le procedure sperimentali sono discussi successivamente.

Protocol

Tutti i metodi descritti sono stati approvati dal istituzionale Animal Care e uso Committee (IACUC) at The University of Oklahoma. Tutti i tessuti animali sono stati acquisiti da un Stati Uniti Dipartimento di agricoltura USDA-approvato macello (Country Home carne Co., Edmond, OK). 1. tessuto acquisizione e pulizia Recuperare i cuori degli animali nello stesso giorno come l’animale è abbattuto e archiviare i cuori in una ghiacciaia per assicurare la freschezza del tessuto. Trasporta…

Representative Results

Dati stress-tratto dal controllato dalla forza meccanica prove biassiali rivelano una curva non lineare con qualche somiglianza con una curva esponenziale (Figura 12). Per quanto riguarda la risposta in ogni direzione principale, il comportamento del materiale è trasversalmente isotropo, con il tratto radiale maggiore la deformazione circonferenza. In alcuni casi, le indicazioni di anisotropia possono capovolgere, con direzione circonferenziale esibendo una …

Discussion

Fasi critiche per questo biassiale prove meccaniche includono (i) il corretto orientamento dell’opuscolo, installazione di (ii) un’adeguata tester biassiale per taglio trascurabile e (iii) un’applicazione attenta dei fiducial markers. L’orientamento del foglio illustrativo è fondamentale per la caratterizzazione meccanica ottenuta del tessuto volantino come il materiale è anisotropo in natura. Così, le direzioni radiali e circonferenziale devono essere conosciute per allineare correttamente gli esemplari del tessuto c…

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