Biaxial mekanisk Characterizations av atrioventrikulær hjertet ventiler
Summary
Denne protokollen innebærer characterizations av atrioventrikulær ventil brosjyrer med kraft-kontrollerte, forskyvning-kontrollert, og stress-avslapping biaxial mekanisk testing prosedyrer. Resultatene kjøpt med denne protokollen kan brukes for grunnleggende modellen utvikling for å simulere mekanisk virkemåten til fungerende ventilene under et begrenset element simulering rammeverk.
Abstract
Omfattende biaxial mekanisk testing av atrioventrikulær hjertet ventil brosjyrer kan benyttes for å utlede optimale parametere brukes i grunnleggende modeller, som gir en matematisk representasjon av den mekaniske de strukturene. Denne presentert biaxial mekanisk testing protokollen omfatter (i) vev oppkjøp, (ii) utarbeidelse av vevsprøver, (iii) biaxial mekanisk testing og (iv) postprosessering av oppkjøpte dataene. Først krever vev oppkjøpet å få svin eller ovine hjerter fra en lokal mat og Drug Administration-godkjent abattoir for senere disseksjon hente ventil løpesedler. Andre krever vev forberedelse bruk av vev prøven kniver på brosjyre vev å trekke ut en klar sone for testing. Tredje, biaxial mekanisk testing av brosjyre prøven krever bruk av en kommersiell biaxial mekanisk tester, som består av kraft-kontrollerte, forskyvning-kontrollert, og stress-avslapping testing protokoller betegner pakningsvedlegget vevets mekaniske egenskaper. Til slutt, etterbehandling krever bruk av data bilde korrelasjon teknikker og styrke og forskyvning opplesninger summere vevets mekanisk atferd svar på ekstern lasting. Vanligvis viser resultatene fra biaxial testing at pakningsvedlegget vev gir en ikke-lineær, Anisotrop mekanisk reaksjon. Presentert biaxial testing prosedyren er fordelaktig for andre metoder siden metoden presenteres her gjør det mer omfattende karakteristikk av ventilen pakningsvedlegget vev under en enhetlig testing ordningen, i motsetning til separate testing protokoller på forskjellige vevsprøver. Foreslåtte testmetoden har begrensninger i at skjæring stress er potensielt tilstede i Vevsprøve. Men antas noen potensielle skjær ubetydelig.
Introduction
Lated hjertefunksjon er avhengig av aktuelle mekanisk oppførsel av hjertet ventil løpesedler. I situasjoner hvor hjertet ventil pakningsvedlegget mekanikk er kompromittert, oppstår ventil hjertesykdom, som kan føre til andre problemer med hjertet. Forstå hjertesykdommer ventil krever en grundig forståelse av løpesedler riktig mekanisk oppførsel for bruk i datamodeller og terapeutiske utvikling, og som sådan, en testing ordningen må utvikles for å hente nøyaktig den sunne brosjyrer mekaniske egenskaper. I forrige litteratur, er denne mekaniske karakteristikken utført ved hjelp av biaxial mekanisk testprosedyrer.
Biaxial mekanisk testprosedyrer for bløtvev varierer over hele litteratur, med forskjellige testing rammeverk benyttes for å hente ulike egenskaper1,2,3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19. Testing metoder har blitt utvidet for undersøkelser av mekaniske egenskaper av hjertet ventil brosjyrer. Generelt basert biaxial mekanisk testing innebærer lasting hjertet ventil tissue med samtidig styrker i de to viktigste retningene, men hvordan denne testingen utføres varierer på egenskapene biomekaniske overholdes. Noen av disse testing protokoller inkluderer (i) belastning-rate, (ii) krype, (iii) stress-avslapping og (iv) force-kontrollerte testing.
Først blitt belastning-rate tester benyttet for å avgjøre den tid avhengig atferd av vev brosjyrer18,20. I denne testing protokollen, flygeblader lastet opp til en maksimal membran spenning på ulike tidspunkter, halv-syklusen (dvs. 1, 0,5, 0,1 og 0,05 s) å avgjøre om det er en betydelig forskjell i topp strekke eller hysteresis mellom innlastingstidene. Men har disse testene vist en ubetydelig aldersforskjell observert strekningen med varierende belastning-priser. Andre i krype testing, er vevet lastet til toppen membran spenningen og holdt på topp membran spenning. Denne testingen kan en demonstrasjon av hvordan vevets forskyvning kryper for å opprettholde topp membran spenningen. Men det har vist at creep er ubetydelig for hjertet ventil brosjyrer under fysiologisk funksjon3,20. Tredje stress-avslapning testing, vevet er lastet til toppen membran spenningen og tilknyttede forskyvning holdes konstant i lengre tid3,21,22. I denne typen tester, har vev stress en merkbar reduksjon fra topp membran spenningen. Til slutt, i kraft-kontrollerte testing, vev er syklisk lastet på ulike prosenter av topp membran spenning i hver retning17,23. Disse testene viser materialets anisotropy og ikke-lineære stress-belastning respons, og ved lasting av vev under forskjellige forhold, potensielle fysiologiske deformasjoner kan bli bedre forstått. Disse nyere undersøkelser gjorde det klart at stress-avslapping og kraft-kontrollerte protokoller være mest gunstig å utføre mekanisk karakteristikk av hjertet ventil brosjyrer. Til tross for disse fremskritt i hjertet ventil biomekaniske karakterisering, testing er ikke utført under en enhetlig testing ordningen, og det er begrensede metoder å undersøke koblingen mellom retninger.
Formålet med denne metoden er å lette full materiale karakteristikk av hjertet ventil løpesedler av et enhetlig biaxial mekanisk testing ordning. En enhetlig testing ordningen regnes som der hver brosjyre er testet under alle testing protokoller i én økt. Dette er en fordel, som vev egenskaper er iboende variabel mellom brosjyrer, slik en full analyse for hver brosjyre beviser mer nøyaktig som en beskrivelse enn utføre hver protokoll uavhengig på ulike brosjyrer. Testing ordningen består av tre hovedkomponenter, nemlig (i) en kraft-kontrollerte biaxial testing protokollen, (ii) en forskyvning-kontrollerte biaxial testing protokoll og (iii) en biaxial stress-avslapping testing protokoll. Alle testing ordninger bruke en overføringshastighet på 4.42 N/min, og 10 lasting-lossing sykluser å sikre stress-belastning kurven replicability av 10 syklus (som i tidligere arbeid)23. Alle protokoller er også bygget basert på membran spenning antagelsen, som krever at tykkelsen er mindre enn 10% effektiv prøven lengden.
Force-kontrollerte protokollen som brukes i denne presentert metoden består av 10 lasting og lossing sykluser med topp membran spenninger 100 N/m og 75 N/m for mitral ventil (MV) og trikuspidalklaff ventil (TV), henholdsvis15,17. Fem lasting prosenter anses i denne kraft-kontrollerte testing protokollen, nemlig 1:1, 0.75:1, 1:0.75, 0.5:1 og 1:0. 5. Disse fem lasting forholdene være nyttig i å beskrive den stress og påkjenningen korrespondenten til alle potensielle fysiologiske deformasjoner av brosjyren i vivo.
Forskyvning-kontrollerte protokollen presentert i denne metoden består av to deformasjon scenarier, nemlig (i) begrenset uniaxial strekking og (ii) ren skjær. I den begrensede uniaxial stretching, blir én retning av vev fortrengt til toppen membran spenningen mens bestemmer den andre retningen. I ren skjær stilling, er vevet strukket i en retning og judiciously forkortet i den andre retningen, så området av vev forblir konstant under deformasjon. Hver av disse forskyvning-kontrollerte testprosedyrer utføres for hver av de to vev retningene (omkrets og radial retninger).
Stress-avslapping protokollen presentert metoden som brukes er oppnådd ved lasting av vev peak membran spenningen i begge retninger og holder vev på korrespondent forskyvningene i 15 min overvåke vevets stress avslapning atferd. Detaljerte eksperimentelle prosedyrer diskuteres på neste.
Protocol
Representative Results
Discussion
Avgjørende skritt for denne biaxial mekanisk tester inkluderer (i) riktig retning av brosjyren, (ii) riktig biaxial tester oppsett for ubetydelig skjær og (iii) en forsiktig anvendelse av fiducial markører. Retningen til heftet er avgjørende å fått mekanisk karakterisering av brosjyre vev som materiale er Anisotrop i naturen. Dermed må radial og omkrets instruksjonene være kjent for riktig justering vevsprøver med testing X – og Y-retningene. Det er også viktig at biaxial testeren er riktig kalibrert slik at pr…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av American Heart Association forsker Development Grant 16SDG27760143. Forfatterne vil også erkjenne forskningsstipend mentor fra University of Oklahoma’s Office for Undergraduate forskning for å støtte både Colton Ross og Devin Laurence.
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).
