Biaxial mekaniska karakteriseringar av atrioventrikulärt hjärtklaffar
Summary
Detta protokoll innebär karakteriseringar av atrioventrikulärt ventilen flygblad med kraft-kontrollerade, deplacement kontrollerade och stress-avkoppling biaxiell mekaniska testförfaranden. Resultaten som förvärvats med detta protokoll kan användas för konstitutiv modellutveckling för att simulera den mekaniska beteenden av fungerande ventiler under en finita element simulering ram.
Abstract
Omfattande biaxiell mekaniska tester av atrioventrikulärt hjärtat ventilen broschyrer kan användas för att härleda optimala parametrar används i konstitutiva modeller, som ger en matematisk representation av den mekaniska funktionen av dessa strukturer. Här presenteras biaxiell mekanisk provning protokollet innebär (i) vävnad förvärv, (ii) utarbetande av vävnadsprover, (iii) biaxiell mekanisk provning och (iv) postprocessing förvärvade data. Först, vävnad förvärv kräver att erhålla svin eller får hjärtan från en lokal mat och Drug Administration godkänt slakteri för senare dissektion för att hämta ventilen broschyrer. Andra kräver vävnad förberedelse med vävnad preparatet fräsar på bipacksedeln vävnad för att extrahera en tydlig zon för testning. Tredje, biaxiell mekanisk provning av bipacksedel preparatet kräver användning av en kommersiell biaxiell mekaniska tester, som består av kraft-kontrollerade, deplacement-kontrollerade, och stress-avkoppling test protokoll för att karakterisera bipacksedel vävnadens mekaniska egenskaper. Slutligen kräver efterbehandling av data bild korrelation tekniker och kraft och deplacement avläsningar att sammanfatta vävnadens mekaniska beteenden som svar på externa lastning. Generellt visar resultaten från biaxiell testning att bipacksedeln vävnader ger en ickelinjär, Anisotrop mekaniska svar. Presenterade biaxiell testförfarandet är fördelaktigt att andra metoder eftersom metoden presenteras här möjliggör en mer omfattande karakterisering av ventilen bipacksedel vävnaden under ett enhetligt test system, i motsats till separat testprotokoll på olika vävnadsprover. Föreslagna testmetoden har sina begränsningar däri skjuvspänning är potentiellt närvarande i vävnadsprov. Några potentiella skjuvning förutsätts dock försumbar.
Introduction
Ordentlig hjärtfunktion är beroende av lämpliga mekaniska beteenden av hjärtat ventilen broschyrer. I situationer där hjärtat ventilen bipacksedel mekanik är äventyras, uppstår ventil hjärtsjukdom, vilket kan leda till andra hjärtrelaterade problem. Förstå ventil hjärtsjukdom kräver en grundlig förståelse av flygbladen ordentlig mekanisk beteenden för beräkningsmodeller och terapeutisk utveckling, och som sådan, ett test system måste utvecklas för att korrekt Hämta friska broschyrer mekaniska egenskaper. I tidigare litteratur genomförts denna mekaniska karakterisering med hjälp av biaxiell mekaniska testförfaranden.
Biaxial mekaniska testförfaranden för mjuka vävnader varierar i litteraturen, med olika tester ramar används för att hämta olika egenskaper1,2,3,4, 5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19. testa metoder har förlängts för undersökningar av de mekaniska egenskaperna hos hjärtat ventilen broschyrer. I allmänhet baserat biaxiell mekanisk provning innebär lastning hjärtat ventil vävnaden med samtidiga styrkor i de två huvudsakliga riktningarna, men hur denna testning utförs varierar på biomekaniska egenskaper observeras. Några av dessa testprotokoll inkluderar (i) stam-rate, (ii) krypning, (iii) stress-avkoppling och (iv) kraft-kontrollerade tester.
Först, stam-rate testning har använts för att fastställa tidsberoende beteenden av vävnad broschyrer18,20. I detta test protokoll, broschyrer läses en högsta aluminiummembran spänningar på olika halv-cykeltider (dvs 1, 0.5, 0,1 och 0.05 s) att avgöra om det finns en betydande skillnad i maximal stretch eller hysteres mellan laddningstider. Dessa tester har dock visat en försumbar skillnad i den observerade stretch med varierande stam-priser. Andra i krypning testning, är vävnaden lastat till peak membran spänningen och hölls på topp membran spänning. Denna testning tillåter en demonstration av hur vävnadens deplacement kryper för att upprätthålla peak membran spänningen. Det har dock visat att krypning är obetydlig för hjärtat ventilen flygblad under fysiologiskt fungerande3,20. Tredje i stress-avkoppling testning, vävnaden är laddad till peak membran spänningen och associerade förskjutningen hålls konstant under en längre tid3,21,22. I denna typ av provning, har vävnad stress en anmärkningsvärd minskning från peak membran spänningen. Slutligen, i kraft-kontrollerade tester, vävnader läses cykliskt vid olika förhållanden av peak membran spänningen i varje riktning17,23. Dessa provningar visar materialets anisotropi och ickelinjära stress-påfrestningar svar och genom laddar vävnaden under olika nyckeltal, potentiella fysiologiska deformationer kan förstås bättre. Dessa undersökningar som nyligen gjorde det uppenbart att stress-avkoppling och kraft-kontrollerade protokoll bevisa mest fördelaktigt att utföra en mekanisk karakterisering av hjärtat ventilen broschyrer. Trots dessa framsteg i hjärtat ventil biomekaniska karakterisering, testning inte har utförts enligt en enhetlig testa systemet, och det finns begränsad metoder för att undersöka kopplingen mellan riktningar.
Syftet med denna metod är att underlätta en fullständig materialkarakterisering av hjärtat ventilen broschyrer genom en enhetlig biaxiell mekanisk provning systemet. En enhetlig provning systemet anses som en där varje bipacksedel är testad under alla testprotokoll i en session. Detta är fördelaktigt, som vävnad boenden är till sin natur variabelt mellan broschyrer, så en fullständig karakterisering för varje bipacksedel visar mer exakt som en deskriptor än utför varje protokoll självständigt på olika foldrar. Testa systemet består av tre huvuddelar, nämligen (i) en kraft-kontrollerade biaxiell testning, (ii) ett deplacement-kontrollerade biaxiell test protokoll, och (iii) en biaxiell stress-avkoppling testning protokollen. Alla test system utnyttja en fisktäthet 4,42 N/min, och 10 lastning cykler att säkerställa stress-påfrestningar kurvan replikerbarhet genom den 10: e cykel (som finns i tidigare arbete)23. Alla protokoll är också konstruerade utifrån membran spänning antagandet, som kräver att tjockleken är mindre än 10% av de effektiva preparatet längderna.
Kraft-kontrollerade protokollet som används i denna presenterade metoden består av 10 lastning och lossning cykler med peak membran spänningar av 100 N/m och 75 N/m för mitralisklaffstenos (MV) och trikuspidalklaffen (TV), respektive15,17. Fem lastning nyckeltal betraktas i detta kraft-kontrollerade test protokoll, nämligen 1:1, 0.75:1, 1:0.75, 0.5:1 och 1:0. 5. Dessa fem lastning nyckeltal Visa sig användbara i beskriver påfrestningar korrespondent till alla potentiella fysiologiska deformationer av bipacksedeln Invivo.
Deplacement-kontrollerade protokollet presenteras i denna metod består av två deformation scenarier, nämligen (i) begränsad enaxiella stretching och (ii) ren skjuvning. I den begränsade enaxiella stretching, är en riktning av vävnad fördrivna till peak membran spänningen fördriva tiden fästande den andra riktningen. I ren skjuvning setup, är vävnaden sträcks i en riktning och omdömesgillt förkortas i den andra riktningen, så området av vävnad förblir konstant under deformation. Var och en av dessa deplacement-kontrollerade testprocedurer utförs för varje av de två vävnad riktningarna (omkretsriktningen och radiella riktningar).
Den stress-avkoppling-protokoll som används i den presenterade metoden uppnås genom lastning vävnaden till peak membran spänningen i båda riktningarna och hålla vävnad på de korrespondent förskjutningarna för 15 min att övervaka vävnadens stress avkoppling beteende. De detaljerade experimentella förfarandena diskuteras nästa.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kritiska steg för detta biaxiell mekanisk provning inkluderar (i) rätt orientering av bipacksedeln, (ii) ordentlig biaxiell testare setup för försumbar skjuvning och (iii) en noggrann tillämpning av relaterat markörerna. Orientering på bipacksedeln är avgörande för den erhållna mekaniska karakteriseringen av bipacksedel vävnad som materialet är Anisotrop i naturen. De radiella och perifera riktningarna måste därför vara känd för att korrekt rikta vävnadsprover med testning X – och Y-anvisningarna. Det …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöds av den amerikanska hjärtat Association vetenskapsman utveckling Grant 16SDG27760143. Författarna vill också erkänna den Mentor Research Fellowship från University of Oklahoma’s Office of Undergraduate Research för att stödja både Colton Ross och 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).
