अलिंद-निलय हृदय वाल्व के द्वि अक्षीय यांत्रिक लक्षण
Summary
इस प्रोटोकॉल में बल-नियंत्रित, विस्थापन-नियंत्रित, और तनाव-विश्राम द्विअक्षीय यांत्रिक परीक्षण प्रक्रियाओं के साथ अलिंद-निलय वाल्व पत्रक की विशेषताएं शामिल हैं । इस प्रोटोकॉल के साथ प्राप्त परिणाम एक परिमित तत्व सिमुलेशन ढांचे के तहत कार्य वाल्व के यांत्रिक व्यवहार अनुकरण करने के लिए संरक्टिव मॉडल विकास के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है ।
Abstract
अलिंद-वेंट्रिकुलर हार्ट वाल्व पत्रक के व्यापक द्वि अक्षीय यांत्रिक परीक्षण का उपयोग उन संरचनाओं के यांत्रिक प्रकार्य का गणितीय निरूपण प्रदान करने वाले, संरक्षी मॉडलों में प्रयुक्त इष्टतम पैरामीटरों को प्राप्त करने के लिए किया जा सकता है । इस प्रस्तुत द्विअक्षीय यांत्रिक परीक्षण प्रोटोकॉल शामिल है (i) ऊतक अधिग्रहण, (ii) ऊतक नमूनों की तैयारी, (iii) द्विअक्षीय यांत्रिक परीक्षण, और (iv) अधिगृहीत आंकड़ों का पोस्टप्रोसेसिंग । सबसे पहले, ऊतक अधिग्रहण के लिए एक स्थानीय खाद्य और दवा प्रशासन से सुअर का या ovine दिल प्राप्त करने की आवश्यकता है, बाद में विच्छेदन के लिए वाल्व पत्रक पुनः प्राप्त करने के लिए-अनुमोदित बूचड़खाना । दूसरा, ऊतक की तैयारी के परीक्षण के लिए एक स्पष्ट क्षेत्र निकालने के लिए पत्रक ऊतक पर ऊतक नमूना कटर का उपयोग करने की आवश्यकता है । तीसरा, पुस्तिका नमूना के द्वि अक्षीय यांत्रिक परीक्षण एक वाणिज्यिक द्विअक्षीय यांत्रिक परीक्षक के उपयोग की आवश्यकता है, जो बल नियंत्रित, विस्थापन नियंत्रित, और तनाव छूट परीक्षण प्रोटोकॉल के शामिल करने के लिए पत्रक ऊतक की विशेषता यांत्रिक गुण । अंत में, पोस्ट-प्रोसेसिंग डेटा छवि सहसंबंध तकनीकों और बल और विस्थापन रीडिंग के उपयोग के लिए बाहरी लदान के जवाब में ऊतक यांत्रिक व्यवहार संक्षेप में प्रस्तुत करने की आवश्यकता है । सामान्य रूप से, द्विअक्षीय परीक्षण के परिणाम दर्शाते हैं कि पत्रक ऊतक एक अरैखिक, असमदैशिक यांत्रिक अनुक्रिया उत्पन्न करते हैं । प्रस्तुत द्विअक्षीय परीक्षण प्रक्रिया यहां प्रस्तुत विधि के बाद से अंय तरीकों के लिए लाभप्रद है एक एकीकृत परीक्षण योजना के तहत वाल्व पत्रक ऊतक के एक अधिक व्यापक लक्षण वर्णन के लिए अनुमति देता है, के रूप में अलग परीक्षण प्रोटोकॉल पर विरोध अलग ऊतक नमूनों । प्रस्तावित परीक्षण विधि कि कतरें तनाव में अपनी सीमाएं है संभावित ऊतक के नमूने में मौजूद है । हालांकि, किसी भी संभावित कतरनी नगण्य माना जाता है ।
Introduction
उचित हृदय समारोह हृदय वाल्व पत्रक के उचित यांत्रिक व्यवहार पर निर्भर करता है । जहां दिल वाल्व पत्रक यांत्रिकी समझौता कर रहे हैं स्थितियों में, हृदय वाल्व रोग होता है, जो अन्य दिल से संबंधित मुद्दों के लिए नेतृत्व कर सकते हैं. हार्ट वाल्व रोग को समझने के लिए कंप्यूटेशनल मॉडल और चिकित्सीय विकास में उपयोग के लिए पत्रक ‘ उचित यांत्रिक व्यवहार की एक पूरी तरह से समझ की आवश्यकता है, और इस तरह के रूप में, एक परीक्षण योजना सही स्वस्थ पुनः प्राप्त करने के लिए विकसित किया जाना चाहिए पत्रक ‘ यांत्रिक गुण । पिछले साहित्य में, यह यांत्रिक लक्षण वर्णन द्विअक्षीय यांत्रिक परीक्षण प्रक्रियाओं का उपयोग कर आयोजित किया गया है ।
कोमल ऊतकों के लिए द्विअक्षीय यांत्रिक परीक्षण प्रक्रियाओं विभिन्न विशेषताओं1,2,3,4को पुनः प्राप्त करने के लिए उपयोग किए गए विभिन्न परीक्षण चौखटे के साथ, साहित्य भर में बदलती हैं, 5,6,7,8,9,10,11,12,13, 14 , 15 , 16 , 17 , 18 , 19. हृदय वाल्व पत्रक के यांत्रिक विशेषताओं की जांच के लिए परीक्षण विधियों का विस्तार किया गया है । सामांय में, द्वि अक्षीय यांत्रिक परीक्षण दो प्रमुख दिशाओं में एक साथ बलों के साथ दिल वाल्व ऊतक लदान शामिल है, लेकिन यह कैसे परीक्षण किया जाता है के आधार पर देखा जा करने के लिए बायोमैकेनिकल गुण पर निर्भर करता है । इनमें से कुछ परीक्षण प्रोटोकॉलों में (i) विकृति-दर, (ii) विसर्पण, (iii) तनाव-विश्रांति, और (iv) बल-नियंत्रित परीक्षण शामिल हैं ।
सबसे पहले, तनाव दर परीक्षण ऊतक पत्रक18,20के समय पर निर्भर व्यवहार का निर्धारण करने के लिए उपयोग किया गया है । इस परीक्षण प्रोटोकॉल में, पत्रक अलग आधा चक्र समय (यानी, 1, ०.५, ०.१, और ०.०५ s) पर एक अधिकतम झिल्ली तनाव के लिए लोड कर रहे है अगर वहां पीक खिंचाव या लोड हो रहा है के बीच हिस्टेरिसिस में एक महत्वपूर्ण अंतर है निर्धारित करने के लिए । तथापि, इन परीक्षणों ने विभिन्न विकृति दरों के साथ पे्रक्षित खंड में नगण्य अंतर प्रदशत किया है । दूसरा, रेंगना परीक्षण में, ऊतक शिखर झिल्ली तनाव के लिए भरी हुई है और शिखर झिल्ली तनाव में आयोजित किया । इस परीक्षण के एक प्रदर्शन की अनुमति देता है कि कैसे ऊतक विस्थापन के लिए शिखर झिल्ली तनाव को बनाए रखने के ढोंगी । तथापि, यह दिखाया गया है कि क्रीप हृदय वाल्व पत्रक के लिए शारीरिक रूप से काम कर रहे3,20के तहत नगण्य है । तीसरा, तनाव-विश्राम परीक्षण में, ऊतक शिखर झिल्ली तनाव के लिए भरी हुई है और संबंधित विस्थापन समय3,21,22की एक विस्तारित अवधि के लिए निरंतर आयोजित किया जाता है । परीक्षण के इस प्रकार में, ऊतक तनाव शिखर झिल्ली तनाव से एक उल्लेखनीय कमी है । अंत में, बल नियंत्रित परीक्षण में, ऊतकों cyclically प्रत्येक दिशा17,23में चोटी झिल्ली तनाव के विभिन्न अनुपात में भरी हुई हैं । इन परीक्षणों से पता चलता है सामग्री की विषमदैशिकता और अरैखिक तनाव-तनाव प्रतिक्रिया, और विभिन्न अनुपात के तहत ऊतक लोड करके, संभावित फिजियोलॉजिकल विकृतियों बेहतर समझा जा सकता है. ये हाल ही में जांच की यह स्पष्ट है कि तनाव छूट और बल नियंत्रित प्रोटोकॉल सबसे अधिक दिल वाल्व पत्रक के एक यांत्रिक लक्षण प्रदर्शन फायदेमंद साबित कर दिया । हृदय वाल्व biomechanical लक्षण वर्णन में इन अग्रिमों के बावजूद, परीक्षण एक एकीकृत परीक्षण योजना के तहत नहीं किया गया है, और वहां सीमित करने के लिए दिशाओं के बीच युग्मन की जांच करने के तरीके हैं ।
इस विधि का उद्देश्य एक एकीकृत द्विअक्षीय यांत्रिक परीक्षण योजना के द्वारा हृदय वाल्व पत्रक के एक पूर्ण सामग्री लक्षण वर्णन की सुविधा है । एक एकीकृत परीक्षण योजना एक के रूप में जहां प्रत्येक पत्रक एक सत्र में सभी परीक्षण प्रोटोकॉल के तहत परीक्षण किया जाता है माना जाता है । यह लाभप्रद है, के रूप में ऊतक गुण स्वाभाविक पत्रक के बीच चर रहे हैं, तो प्रत्येक पत्रक के लिए एक पूर्ण लक्षण वर्णन स्वतंत्र रूप से विभिंन पत्रक पर प्रत्येक प्रोटोकॉल प्रदर्शन से एक डिस्क्रिप्टर के रूप में अधिक सटीक साबित होता है । परीक्षण योजना के तीन मुख्य घटक हैं, अर्थात् (i) एक बल नियंत्रित द्विअक्षीय परीक्षण प्रोटोकॉल, (ii) एक विस्थापन-नियंत्रित द्विअक्षीय परीक्षण प्रोटोकॉल, और (iii) एक द्विअक्षीय तनाव-विश्रांति परीक्षण प्रोटोकॉल । सभी परीक्षण स्कीमें 10 वें चक्र (पिछले कार्य में पाए गए के रूप में) द्वारा तनाव-विकृति वक्र प्रतिकृतिशीलता सुनिश्चित करने के लिए ४.४२ N/मिनट की लोडिंग दर का उपयोग करतेहैं, और १० लोडिंग-अनलोडिंग चक्र । सभी प्रोटोकॉल भी झिल्ली तनाव धारणा है, जो की आवश्यकता है कि मोटाई प्रभावी नमूना लंबाई के 10% से कम हो के आधार पर निर्माण कर रहे हैं ।
इस प्रस्तुत विधि में प्रयुक्त बल-नियंत्रित प्रोटोकोल में 10 लोडिंग और उतराई चक्र होते हैं जिसमें पीक झिल्ली तनावों के साथ १०० है और ७५ एन/एम का मिट्रल वाल्व (एमवी) और त्रिकपर्द वाल्व (टीवी), क्रमशः15,17है । पांच लोडिंग अनुपात इस बल नियंत्रित परीक्षण प्रोटोकॉल, अर्थात् 1:1, 0.75:1, 1:0.75, 0.5:1, और 1:0.5 में माना जाता है । इन पांच लदान अनुपात विवो में पत्रक के सभी संभावित फिजियोलॉजिकल विकृतियों के लिए तनाव और उपभेदों संवाददाता का वर्णन करने में उपयोगी साबित होता है ।
इस विधि में प्रस्तुत किए गए विस्थापन-नियंत्रित प्रोटोकाल में दो विरूपण परिदृश्य होते हैं, अर्थात् (i) एकअक्षीय स्ट्रेचिंग और (पप) शुद्ध अपरूपण को विवश करते हैं । विवश एकाक्ष खींच में, ऊतक की एक दिशा चोटी झिल्ली तनाव के लिए विस्थापित है, जबकि दूसरी दिशा फिक्सिंग । शुद्ध कतरें सेटअप में, ऊतक एक दिशा में फैला है और विवेकपूर्ण ढंग से दूसरी दिशा में छोटा है, तो ऊतक के क्षेत्र विरूपण के तहत लगातार रहता है । इन प्रत्येक विस्थापन नियंत्रित परीक्षण प्रक्रियाओं के प्रत्येक दो ऊतक दिशाओं (परिधीय और रेडियल दिशाओं) में से प्रत्येक के लिए किया जाता है ।
प्रस्तुत विधि में प्रयोग किया जाने वाला तनाव-विश्राम प्रोटोकाल दोनों दिशाओं में शिखर झिल्ली तनाव में ऊतक को लोड करने और टिशू के तनाव छूट व्यवहार की निगरानी करने के लिए 15 मिनट के लिए संवाददाता विस्थापन में ऊतक को लदान द्वारा प्राप्त होता है । इसके बाद विस्तृत प्रायोगिक प्रक्रियाओं पर चर्चा की जाती है ।
Protocol
Representative Results
Discussion
इस द्विअक्षीय यांत्रिक परीक्षण के लिए महत्वपूर्ण कदम शामिल हैं (i) पत्रक का उचित ओरिएंटेशन, (ii) नगण्य कतरें के लिए उचित द्विअक्षीय परीक्षक सेटअप, और (iii) फिड्यूशियल मार्कर का एक सावधान अनुप्रयोग. पत्रक का अ…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
इस काम के अमेरिकी हार्ट एसोसिएशन वैज्ञानिक विकास अनुदान 16SDG27760143 द्वारा समर्थित किया गया था । लेखक भी दोनों Colton रॉस और Devin लारेंस के समर्थन के लिए स्नातक अनुसंधान के ओकलाहोमा के कार्यालय के विश्वविद्यालय से Mentored अनुसंधान फैलोशिप स्वीकार करना चाहते हैं ।
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 |
References
- 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).
