Met behulp van Digital Image Correlation Local Spanningen op vaatweefsel Monsters karakteriseren
Summary
We describe the use of digital image correlation to characterize the local surface strain field on vascular tissue samples subjected to uniaxial tensile testing. These measurements facilitate precise quantification of the sample mechanical response and the generation of constitutive stress-strain relations.
Abstract
Characterization of the mechanical behavior of biological and engineered soft tissues is a central component of fundamental biomedical research and product development. Stress-strain relationships are typically obtained from mechanical testing data to enable comparative assessment among samples and in some cases identification of constitutive mechanical properties. However, errors may be introduced through the use of average strain measures, as significant heterogeneity in the strain field may result from geometrical non-uniformity of the sample and stress concentrations induced by mounting/gripping of soft tissues within the test system. When strain field heterogeneity is significant, accurate assessment of the sample mechanical response requires measurement of local strains. This study demonstrates a novel biomechanical testing protocol for calculating local surface strains using a mechanical testing device coupled with a high resolution camera and a digital image correlation technique. A series of sample surface images are acquired and then analyzed to quantify the local surface strain of a vascular tissue specimen subjected to ramped uniaxial loading. This approach can improve accuracy in experimental vascular biomechanics and has potential for broader use among other native soft tissues, engineered soft tissues, and soft hydrogel/polymeric materials. In the video, we demonstrate how to set up the system components and perform a complete experiment on native vascular tissue.
Introduction
Een rijke geschiedenis van het onderzoek in meer dan 50 jaar is gericht op het kwantificeren van de mechanische eigenschappen van vaatweefsel. Deze studies kunnen we beter inzicht zowel fysiologische en pathologische gedrag van bloedvaten, een basis voor het evalueren van de werkzaamheid / verenigbaarheid van endovasculaire inrichtingen en hulp bij het ontwerp en de fabricage van vasculaire gemanipuleerde constructen 1-6. Nauwkeurige meting van de mechanische respons van zacht weefsel en constitutief modelleren van hun mechanische eigenschappen inherent uitdaging vanwege de mechanische heterogeniteit, anisotropie, niet-lineariteit en vertoond door de meeste weefseltypen. Bovendien zijn experimentele metingen vaak verstoord door plaatselijke complexiteiten geïntroduceerd sample-grip interfaces in de loop van de mechanische testen (bijv buiging, wrijving, spanningsconcentraties, scheuren) en de onvermijdelijke overgang van mechanische eigenschappen na weefsel uitgesneden uit het levende dier. </ p>
Een uniaxiale treksterkte experiment is de eenvoudigste mechanische tests die kunnen worden uitgevoerd op een monster van een vast materiaal, en wordt vaak gebruikt om de mechanische respons van vaatweefsel beoordelen. De resultaten van deze experimenten bruikbare voorlopige informatie zowel natieve als gemanipuleerde weefsel bronnen, en kunnen worden gebruikt om de effecten van bepaalde behandelingen, ziektetoestanden of farmacologische samenstelling te vergelijken op het mechanische gedrag van de vaatwand 7-11.
Eenassige mechanische testen van zachte weefsels wordt meestal uitgevoerd op monsters met een relatief uniforme geometrieën, die zijn meestal hond-bot of ringvormige 7,8,12-14. Echter, significante afwijking van deze geïdealiseerde geometrieën optreden als gevolg van problemen in verband met weefsel dissectie, isolatie, en klemmen in het testsysteem. Elke niet-uniformiteit in de meetkunde zal uiteindelijk leiden tot heterogene stress en spanning gevenvelden wanneer het monster wordt onderworpen aan een uniaxiale verlenging, waarbij de mate van heterogeniteit afhankelijk werkelijke steekproef vorm en maat monster (ten opzichte van de handvatten) en de mechanische eigenschappen van het materiaal 9,15,16. Wanneer gebied heterogeniteiten significant, sample druk berekeningen op basis van de relatieve greepposities onnauwkeurig en dus een voldoende basis voor de beoordeling van mechanische eigenschappen.
Video-analysesystemen zijn uitgebreid gebruikt voor rekmetingen van zachte weefsels, vaak met behulp van hoge contrastvloeistof markers aangebracht op het preparaatoppervlak 17,18. Digitaal beeldcorrelatie een optische metrologie techniek die full-field oppervlak stam hoogte door vergelijking grijsniveau intensiteitswaarden op het oppervlak van het monster vóór en na vervorming, is gebruikt in combinatie met de video-analyses van zachte weefsels 19-21. Er zijn verschillende voordelen van digitaal beeld correlatie ten opzichte van interferometric werkwijzen die kunnen worden toegepast voor metingen. Ten eerste, als contactloze meettechniek, minimaliseert de verstorende effecten van het wijzigen van materiaaleigenschappen vanwege de wijze waarop het meetsysteem beïnvloedt het monster. Ten tweede vereist een veel minder strenge meetomgeving en heeft een breder scala van gevoeligheid en resolutie dan andere methoden. Ten derde, begiftigd met de mogelijkheid van het vastleggen van een volledig gezichtsveld, deze techniek kan zowel de gemiddelde als de lokale mechanische responsen. Voor gedetailleerde uitleg van de methode, wordt de lezer aangemoedigd om het boek te zien door Sutton 22.
Om spanning velden op het monster oppervlak te verkrijgen, kan een tweedimensionaal digitaal beeld correlatietechniek (2D-DIC) worden gebruikt. In het kort, worden de beelden van het monster gevangen bij gelost en geladen verschillende staten. Het eerste beeld wordt verdeeld in kleine vierkantjes subsets (M x M beeldpunten) die een maas voor daaropvolgende berekening van vormen2D stam velden. De positie van elk vierkant in het vervormde monster wordt verkregen met een afbeelding zoekalgoritme. De beweging van elk vierkant wordt dan gevolgd, beeld-voor-beeld, waarbij verplaatsingsvelden die vervolgens kan worden gebruikt vervorming gradiënten en stammen afgeleid via een verscheidenheid van methoden, waaronder polynoom fitting of eindige elementen interpolatie. In de huidige manuscript, bieden we een gedetailleerde methodologie voor de beoordeling van het oppervlak stam velden op inheemse vaatweefsels via integratie van eenassige trekproeven en 2D-DIC.
Protocol
Representative Results
Discussion
Hoewel eerdere studies een breed scala van kleurstof bijhouden video werkwijzen gebruikt voor sample stam 18,20,21,23,24 beoordelen onze huidige doel is om een veelomvattende methode voor het koppelen van uniaxiale trekproef voorzien 2D-DIC voor de beoordeling van oppervlak stammen op vasculaire weefselmonsters. Met een hoge resolutie camera en in-house beeldanalyse-software, kan het veld stam worden gemeten binnen een vooraf bepaald oppervlak regio als het monster eenassige belasting ondergaat. Van bijzonder…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De software en technische ondersteuning waren hoffelijkheid van gecorreleerde Solutions Incorporated (www.correlatedsolutions.com).
Materials
| Uniaxial tensile mechanical tester | Enduratec | 3230 AT/HR | |
| Blue tissue marking dye | http://www.ebay.com/itm/Tissue-Marking-Dye-in-Bottles-2oz-Bottle-1-ea-/201193551510?pt=LH_DefaultDomain_0&hash=item2ed811f696 | ||
| Sprayer | Anest-iwata | CM-B | Custom Micron B |
| Camera | Point Grey | GS2-GE-50S5M-C | |
| Lens | Tokina | AT-X M100 | |
| Vascular tissue | Caughman Inc | ||
| 0.9% Sodium Chloride Injection PBS | BAXTER HEALTHCARE CORP. | ||
| Vic_snap | Correlated Solutions | ||
| Vic_2D | Correlated Solutions | ||
| Wintest 4.1 | Bose ElectroForce | ||
| Tissue adhesive | 3M Vetbond | 1469SB | |
| Disinfectant | Fisher Scientific | 04-355-13 | Decon BDD Bacdown Detergent Disinfectant |
References
- Holzapfel, G. A. Biomechanics of soft tissue. The handbook of materials behavior models. 3, 1049-1063 (2001).
- Vito, R. P., & Dixon, S. A. Blood vessel constitutive models-1995-2002. Annu Rev Biomed Eng. 5, 413-439 (2003).
- Dodson, R. B., Martin, J. T., Hunter, K. S., & Ferguson, V. L. Determination of hyperelastic properties for umbilical artery in preeclampsia from uniaxial extension tests. Eur J Obstet Gynecol Reprod Biol. 169, 207-212 (2013).
- Chuong, C. J., & Fung, Y. C. On residual stresses in arteries. J Biomech Eng. 108, 189-192 (1986).
- Borschel, G. H. et al. Tissue engineering of recellularized small-diameter vascular grafts. Tissue Eng. 11, 778-786 (2005).
- Wagenseil, J. E., & Mecham, R. P. Vascular extracellular matrix and arterial mechanics. Physiol Rev. 89, 957-989 (2009).
- Holzapfel, G. A. Determination of material models for arterial walls from uniaxial extension tests and histological structure. J Theor Biol. 238, 290-302 (2006).
- Tanaka, T. T., & Fung, Y.-C. Elastic and inelastic properties of the canine aorta and their variation along the aortic tree. J Biomech. 7, 357-370 (1974).
- Sokolis, D. Passive mechanical properties and structure of the aorta: segmental analysis. Acta physiologica. 190, 277-289 (2007).
- Twal, W. et al. Cellularized Microcarriers as Adhesive Building Blocks for Fabrication of Tubular Tissue Constructs. Ann Biomed Eng., 1-12 (2013).
- Shazly, T. et al. On the Uniaxial Ring Test of Tissue Engineered Constructs. Exp Mech., 1-11 (2014).
- Kim, J., & Baek, S. Circumferential variations of mechanical behavior of the porcine thoracic aorta during the inflation test. J Biomech. 44, 1941-1947 (2011).
- Li, L. et al. Determination of material parameters of the two-dimensional Holzapfel-Weizsacker type model based on uniaxial extension data of arterial walls. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 16, 358-367 (2013).
- Li, L. et al. Determination of the material parameters of four-fibre family model based on uniaxial extension data of arterial walls. Comput Methods Biomech Biomed Engin. 17, 695-703 (2014).
- Hoeltzel, D. A., Altman, P., Buzard, K., & Choe, K.-i. Strip extensiometry for comparison of the mechanical response of bovine, rabbit, and human corneas. J Biomech Eng. 114, 202-215 (1992).
- Guo, X., & Kassab, G. S. Variation of mechanical properties along the length of the aorta in C57bl/6 mice. Am J Physiol Heart Circ Physiol. 285, H2614-H2622 (2003).
- Smutz, W., Drexler, M., Berglund, L., Growney, E., & An, K. Accuracy of a video strain measurement system. J Biomech. 29, 813-817 (1996).
- Genovese, K., Lee, Y. U., Lee, A. Y., & Humphrey, J. D. An improved panoramic digital image correlation method for vascular strain analysis and material characterization. J Mech Behav Biomed Mater. 27, 132-142 (2013).
- Wang, C. C., Deng, J.-M., Ateshian, G. A., & Hung, C. T. An automated approach for direct measurement of two-dimensional strain distributions within articular cartilage under unconfined compression. J Biomech Eng. 124, 557-567 (2002).
- Ning, J. et al. Deformation measurements and material property estimation of mouse carotid artery using a microstructure-based constitutive model. J Biomech Eng. 132, 121010 (2010).
- Sutton, M. A. et al. Strain field measurements on mouse carotid arteries using microscopic three-dimensional digital image correlation. J Biomed Mater Res A. 84, 178-190 (2008).
- Sutton, M. A., Orteu, J. J., & Schreier, H. Image correlation for shape, motion and deformation measurements: basic concepts, theory and applications. Springer Science & Business Media, (2009).
- Verhulp, E., van Rietbergen, B., & Huiskes, R. A three-dimensional digital image correlation technique for strain measurements in microstructures. J Biomech. 37, 1313-1320 (2004).
- Wang, C. C., Deng, J.-M., Ateshian, G. A., & Hung, C. T. An automated approach for direct measurement of two-dimensional strain distributions within articular cartilage under unconfined compression. Journal of Biomechanical Engineering. 124, 557-567 (2002).
- Franck, C., Hong, S., Maskarinec, S., Tirrell, D., & Ravichandran, G. Three-dimensional full-field measurements of large deformations in soft materials using confocal microscopy and digital volume correlation. Exp Mech. 47, 427-438 (2007).
- Garcia, A. et al. Experimental study and constitutive modelling of the passive mechanical properties of the porcine carotid artery and its relation to histological analysis: Implications in animal cardiovascular device trials. Med Eng Phys. 33, 665-676 (2011).
- Miller, K. How to test very soft biological tissues in extension? J Biomech. 34, 651-657 (2001).
- Sutton, M. A. in Springer handbook of experimental solid mechanics. 565-600, Springer, (2008).
- Han, H. C., & Fung, Y. C. Longitudinal strain of canine and porcine aortas. J Biomech. 28, 637-641 (1995).
- Sokolis, D. P. A passive strain-energy function for elastic and muscular arteries: correlation of material parameters with histological data. Med Biol Eng Comput. 48, 507-518 (2010).
- Zhou, B., Wolf, L., Rachev, A., & Shazly, T. A structure-motivated model of the passive mechanical response of the primary porcine renal artery. J Mech Med Biol. (2013).
- Zhou, B., Rachev, A., & Shazly, T. The biaxial active mechanical properties of the porcine primary renal artery. J Mech Behav Biomed Mater. 48, 28-37 (2015).
- Sommer, G., & Holzapfel, G. A. 3D constitutive modeling of the biaxial mechanical response of intact and layer-dissected human carotid arteries. J Mech Behav Biomed Mater. 5, 116-128 (2012).
