Undersökning av stressavslappning och felsvar i luftstrupen
Summary
Detta protokoll bestämmer dragspänningsavslappnings- och felegenskaperna hos svinspår. Resultat från sådana metoder kan bidra till att förbättra förståelsen för luftstrupens viskoelastiska och feltrösklar och hjälpa till att främja kapaciteten hos beräkningsmodeller i lungsystemet.
Abstract
Luftrörets biomekaniska egenskaper påverkar luftflödet direkt och bidrar till andningsorganens biologiska funktion. Att förstå dessa egenskaper är avgörande för att förstå skademekanismen i denna vävnad. Detta protokoll beskriver ett experimentellt tillvägagångssätt för att studera stressavslappningsbeteendet hos svinluftstrupen som var försträckt till 0% eller 10% belastning i 300 s, följt av mekanisk dragbelastning tills fel. Denna studie ger detaljer om experimentell design, datainsamling, analyser och preliminära resultat från biomekanisk testning av luftstrupen hos svin. Med hjälp av de detaljerade stegen i detta protokoll och MATLAB-koden för dataanalys kan framtida studier undersöka det tidsberoende viskoelastiska beteendet hos luftstrupen, vilket är avgörande för att förstå dess biomekaniska svar under fysiologiska, patologiska och traumatiska tillstånd. Dessutom kommer djupgående studier av luftstrupens biomekaniska beteende att kritiskt hjälpa till att förbättra utformningen av relaterade medicintekniska produkter såsom endotrakealimplantat som används i stor utsträckning under operationer.
Introduction
Trots sin kritiska roll vid lungsjukdom har den största luftvägsstrukturen, luftstrupen, begränsade studier som beskriver dess viskoelastiska egenskaper1. En fördjupad förståelse av luftrörets tidsberoende, viskoelastiska beteende är avgörande för lungmekanikforskning eftersom förståelse av de luftvägsspecifika materialegenskaperna kan hjälpa till att främja vetenskapen om skadeförebyggande, diagnos och klinisk intervention för lungsjukdomar, som är den tredje ledande dödsorsaken i USA 2,3,4.
Tillgängliga vävnadskarakteriseringsstudier har rapporterat luftstrupens styvhetsegenskaper 5,6,7,8. De tidsberoende mekaniska svaren har undersökts minimalt trots deras betydelse vid vävnadsombyggnad, vilket också förändras av patologi 9,10. Dessutom begränsar bristen på tidsberoende responsdata också de prediktiva egenskaperna hos de lungmekaniska beräkningsmodellerna som för närvarande använder sig av de generiska konstitutiva lagarna. Det finns ett behov av att ta itu med detta gap genom att utföra stressavslappningsstudier som kan ge de materialegenskaper som krävs för att informera biofysiska studier av luftstrupen. Den aktuella studien erbjuder detaljer om testmetoder, datainsamling och dataanalyser för att undersöka stressavslappningsbeteendet hos svinens luftstrupe.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mycket få studier har rapporterat stressavslappningsegenskaperna hos luftstrupen21,23. Studier behövs för att ytterligare stärka vår förståelse av trakealvävnadens tidsberoende svar. Denna studie erbjuder detaljerade steg för att utföra sådana undersökningar; Följande kritiska steg i protokollet måste dock säkerställas för tillförlitlig testning: (1) korrekt vävnadshydrering, (2) liknande vävnadstyp (antal broskringar och muskler) fördelning …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forskning som rapporteras i denna publikation stöddes av Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development vid National Institutes of Health under prisnummer R15HD093024 och National Science Foundation CAREER Award Number 1752513.
Materials
| Disposable safety scalpels | Fine Science Tools Inc | 10000-10 | |
| eXpert 7600 | ADMET Inc. | N/A | Norwood, MA |
| Forceps | Fine Science Tools Inc | 11006-12 and 11027-12 or 11506-12 | |
| Gauge Safe | ADMET Inc. | N/A | Free Download |
| Image J | NIH | N/A | Open Source |
| Proramming Software – MATLAB | Mathworks | N/A | version 2018A |
| Scissors | Fine Science Tools Inc | 14094-11 or 14060-09 | |
| Sterile phosphate buffer solution | Millipore, Thomas Scientific | MFCD00131855 |
References
- Brand-Saberi, B. E. M., Schäfer, T. Trachea: Anatomy and physiology. Thoracic Surgery Clinics. 24, 1-5 (2014).
- Barnett, S. B., Nurmagambetov, T. A. Costs of asthma in the United States: 2002-2007. The Journal of Allergy and Clinical Immunology. 127 (1), 145-152 (2011).
- Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). Centers for Disease Control and Prevention Available from: https://www.cdc.gov/copd/index.html (2022)
- Wilson, L., Devine, E. B., So, K. Direct medical costs of chronic obstructive pulmonary disease: chronic bronchitis and emphysema). Respiratory Medicine. 94 (3), 204-213 (2000).
- Codd, S. L., Lambert, R. K., Alley, M. R., Pack, R. J. Tensile stiffness of ovine tracheal wall. Journal of Applied Physiology. 76 (6), 2627-2635 (1994).
- Noble, P. B., Sharma, A., McFawn, P. K., Mitchell, H. W. Elastic properties of the bronchial mucosa: epithelial unfolding and stretch in response to airway inflation. Journal of Applied Physiology. 99 (6), 2061-2066 (2005).
- Teng, Z., et al. Anisotropic material behaviours of soft tissues in human trachea: An experimental study. Journal of Biomechanics. 45 (9), 1717-1723 (2012).
- Wang, L., et al. Mechanical properties of the tracheal mucosal membrane in the rabbit. I. steady-state stiffness as a function of age. Journal of Applied Physiology. 88 (3), 1014-1021 (2000).
- Ambrosi, D., et al. Perspectives on biological growth and remodeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 59 (4), 863-883 (2011).
- Bai, T. R., Knight, D. A. Structural changes in the airways in asthma: Observations and consequences. Clinical Science. 108 (6), 463-477 (2005).
- Singh, A. Extent of impaired axoplasmic transport and neurofilament compaction in traumatically injured axon at various strains and strain rates. Brain Injury. 31 (10), 1387-1395 (2017).
- Singh, A., Kallakuri, S., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Structural and functional changes in nerve roots due to tension at various strains and strain rates: An in-vivo study. Journal of Neurotrauma. 26 (4), 627-640 (2009).
- Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Cavanaugh, J. M. Mechanical properties of spinal nerve roots subjected to tension at different strain rates. Journal of Biomechanics. 39 (9), 1669-1676 (2006).
- Singh, A., Lu, Y., Chen, C., Kallakuri, S., Cavanaugh, J. M. A new model of traumatic axonal injury to determine the effects of strain and displacement rates. Stapp Car Crash Journal. 50, 601-623 (2006).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Methods for in vivo biomechanical testing on brachial plexus in neonatal piglets. Journal of Visualized Experiments. (154), e59860 (2019).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Mechanical properties of cervical spinal cord in neonatal piglet: in vitro. Neurology and Neurobiology. 3 (2), (2020).
- Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. An in vitro study to investigate biomechanical responses of peripheral nerves in hypoxic neonatal piglets. Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 114501 (2021).
- Singh, A., Shaji, S., Delivoria-Papadopoulos, M., Balasubramanian, S. Biomechanical responses of neonatal brachial plexus to mechanical stretch. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 13, 8-14 (2018).
- Singh, A. . The effects of tensile loading on mechanical, neurophysiological and morphological changes in spinal nerve roots. , (2006).
- Schneider, C. A., Rasband, W. S., Eliceiri, K. W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis. Nature Methods. 9 (7), 671-675 (2012).
- Eskandari, M., Arvayo, A. L., Levenston, M. E. Mechanical properties of the airway tree: Heterogeneous and anisotropic pseudoelastic and viscoelastic tissue responses. Journal of Applied Physiology. 125 (3), 878-888 (2018).
- Toby, E. B., Rotramel, J., Jayaraman, G., Struthers, A. Changes in the stress relaxation properties of peripheral nerves after transection. Journal of Hand Surgery. 24 (4), 694-699 (1999).
- Safshekan, F., Tafazzoli-Shadpour, M., Abdouss, M., Shadmehr, M. B. Viscoelastic properties of human tracheal tissues. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (1), (2017).
- Singh, A. A new approach to teaching biomechanics through active, adaptive, and experiential learning. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (7), 0710011-0710017 (2017).
- Singh, A., Ferry, D., Balasubramanian, S. Efficacy of clinical simulation based training in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 141 (12), 121011-121017 (2019).
- Singh, A., Ferry, D., Mills, S. Improving biomedical engineering education through continuity in adaptive, experiential, and interdisciplinary learning environments. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (8), 0810091-0810098 (2018).
- Singh, A., Ferry, D., Ramakrishnan, A., Balasubramanian, S. Using virtual reality in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 142 (11), 111013 (2020).
- Majmudar, T., Balasubramanian, S., Magee, R., Gonik, B., Singh, A. In-vitro stress relaxation response of neonatal peripheral nerves. Journal of Biomechanical Engineering. 128, 110702 (2021).
- Orozco, V., Magee, R., Balasubramanian, S., Singh, A. A systematic review of the tensile biomechanical properties of the neonatal brachial plexus. Journal of Biomechanical Engineering. 143 (11), 110802 (2021).
- Singh, A. M. T., Magee, R., Gonik, B., Balasubramanian, S. Effects of pre-stretch on neonatal peripheral nerve: An in-vitro study. Journal of Brachial Plexus and Peripheral Nerve Injury. 17 (1), 1-9 (2022).
- Balasubramanian, S., D’Andrea, C., Viraraghavan, G., Cahill, P. J. Development of a finite element model of the pediatric thoracic and lumbar spine, ribcage, and pelvis with orthotropic region-specific vertebral growth. Journal of Biomechanical Engineering. 144 (10), 101007 (2022).
- Hadagali, P., Peters, J. R., Balasubramanian, S. Morphing the feature-based multi-blocks of normative/healthy vertebral geometries to scoliosis vertebral geometries: Development of personalized finite element models. Computer Methods in Biomechanics and Biomedical Engineering. 21 (4), 297-324 (2018).
- Singh, A. Available computational and physical models to understand the mechanisms of neonatal brachial plexus injury during shoulder dystocia. Open Access Journal of Neurology and Neurosurgery. 9 (4), 555768 (2019).
