JoVE Journal > Bioengineering
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Automatic Translation
Bioengineering

Undersøgelse af stress-afslapning og fejlresponser i luftrøret

Published: October 18, 2022
doi:
10.3791/64245
, , , ,
1Department of Biomedical Engineering,Widener University, 2Drexel University College of Medicine, 3School of Biomedical Engineering, Science and Health Systems,Drexel University, 4Rosetree Media School District

Summary

Den nuværende protokol bestemmer trækspændingsafslapning og svigtegenskaber for svin luftrør. Resultater fra sådanne metoder kan bidrage til at forbedre forståelsen af luftrørets viskoelastiske og svigttærskler og bidrage til at fremme kapaciteten af beregningsmodeller i lungesystemet.

Abstract

Luftrørets biomekaniske egenskaber påvirker direkte luftstrømmen og bidrager til åndedrætssystemets biologiske funktion. At forstå disse egenskaber er afgørende for at forstå skademekanismen i dette væv. Denne protokol beskriver en eksperimentel tilgang til undersøgelse af stress-afslapningsadfærden hos svin luftrør, der blev forspændt til 0% eller 10% belastning i 300 s, efterfulgt af mekanisk trækbelastning indtil svigt. Denne undersøgelse giver detaljer om det eksperimentelle design, dataindsamling, analyser og foreløbige resultater fra svinerør biomekanisk test. Ved hjælp af de detaljerede trin i denne protokol og dataanalyse MATLAB-koden kan fremtidige undersøgelser undersøge den tidsafhængige viskoelastiske opførsel af luftrørvæv, hvilket er afgørende for at forstå dets biomekaniske reaktioner under fysiologiske, patologiske og traumatiske tilstande. Desuden vil dybdegående undersøgelser af luftrørets biomekaniske opførsel kritisk hjælpe med at forbedre designet af relateret medicinsk udstyr såsom endotracheale implantater, der i vid udstrækning anvendes under operationer.

Introduction

På trods af sin kritiske rolle i lungesygdomme har den største luftvejsstruktur, luftrøret, begrænsede undersøgelser, der beskriver dets viskoelastiske egenskaber1. En dybdegående forståelse af luftrørets tidsafhængige, viskoelastiske opførsel er afgørende for lungemekanikforskning, da forståelse af de luftvejsspecifikke materialegenskaber kan hjælpe med at fremme videnskaben om skadeforebyggelse, diagnose og klinisk intervention for lungesygdomme, som er den tredje førende dødsårsag i USA 2,3,4.

Tilgængelige vævskarakteriseringsundersøgelser har rapporteret luftrørets stivhedsegenskaber 5,6,7,8. De tidsafhængige mekaniske reaktioner er blevet minimalt undersøgt på trods af deres betydning i vævsombygning, som også ændres af patologi 9,10. Desuden begrænser manglen på tidsafhængige responsdata også de forudsigelige muligheder for de lungemekanik beregningsmodeller, der i øjeblikket tyer til at bruge de generiske konstitutive love. Der er behov for at løse dette hul ved at udføre stressafslapningsundersøgelser, der kan give de nødvendige materialeegenskaber til at informere biofysiske undersøgelser af luftrøret. Den aktuelle undersøgelse giver detaljer om testmetoder, dataindsamling og dataanalyser for at undersøge porcinrørets stressafslapningsadfærd.

Protocol

Alle beskrevne metoder blev godkendt af Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) ved Drexel University. Alle kadaveriske dyr blev erhvervet fra en amerikansk landbrugsministerium (USDA) -godkendt gård beliggende i Pennsylvania, USA. Et kadaver af en Yorkshire-hangris (3 uger gammel) blev anvendt til denne undersøgelse. 1. Vævshøst Anskaf et kadaver af et svin fra en godkendt gård og udfør forsøgene inden for 2 timer fra eutanasi. Opbevar kadaveret p…

Representative Results

Figur 1 viser det mislykkede væv nær fastspændingsstedet og tilstedeværelsen af væv i klemmen, hvilket bekræfter, at der ikke er nogen glidning under trækprøvning. Figur 2 viser forskellige fejlsteder, herunder de øverste eller nederste fastspændingssteder eller langs vævets længde, der blev observeret under trækprøvning blandt de testede prøver. Dataanalyseresultater er opsummeret i figur 3-4…

Discussion

Meget få undersøgelser har rapporteret stress-afslapning egenskaber af luftrøret21,23. Undersøgelser er nødvendige for yderligere at styrke vores forståelse af trakealvævets tidsafhængige reaktioner. Denne undersøgelse giver detaljerede trin til at udføre sådanne undersøgelser; følgende kritiske trin i forsøgsprotokollen skal dog sikres for pålidelig testning: 1) korrekt vævshydrering, 2) lignende vævstype (antal bruskringe og muskler) fordeling …

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forskning rapporteret i denne publikation blev støttet af Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health and Human Development fra National Institutes of Health under Award Number R15HD093024 og 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
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Brand-Saberi, B. E. M., Schäfer, T. Trachea: Anatomy and physiology. Thoracic Surgery Clinics. 24, 1-5 (2014).
  2. 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).
  3. Chronic Obstructive Pulmonary Disease (COPD). Centers for Disease Control and Prevention Available from: https://www.cdc.gov/copd/index.html (2022)
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. Teng, Z., et al. Anisotropic material behaviours of soft tissues in human trachea: An experimental study. Journal of Biomechanics. 45 (9), 1717-1723 (2012).
  8. 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).
  9. Ambrosi, D., et al. Perspectives on biological growth and remodeling. Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 59 (4), 863-883 (2011).
  10. Bai, T. R., Knight, D. A. Structural changes in the airways in asthma: Observations and consequences. Clinical Science. 108 (6), 463-477 (2005).
  11. 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).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Singh, A., Magee, R., Balasubramanian, S. Mechanical properties of cervical spinal cord in neonatal piglet: in vitro. Neurology and Neurobiology. 3 (2), (2020).
  17. 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).
  18. 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).
  19. Singh, A. . The effects of tensile loading on mechanical, neurophysiological and morphological changes in spinal nerve roots. , (2006).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. Safshekan, F., Tafazzoli-Shadpour, M., Abdouss, M., Shadmehr, M. B. Viscoelastic properties of human tracheal tissues. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (1), (2017).
  24. Singh, A. A new approach to teaching biomechanics through active, adaptive, and experiential learning. Journal of Biomechanical Engineering. 139 (7), 0710011-0710017 (2017).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Singh, A., Ferry, D., Ramakrishnan, A., Balasubramanian, S. Using virtual reality in biomedical engineering education. Journal of Biomechanical Engineering. 142 (11), 111013 (2020).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. 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).
  32. 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).
  33. 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).

Tags

TracheaStress-relaxationFailure ResponsePulmonary MechanicsLarynxTracheal TubeLongitudinal StripsFailure TestingLoad Relaxation DataMechanical FailureTensile Mechanical Loading
check_url/64245?article_type=t

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Singh, A., Majmudar, T., Iyer, A., Iyer, D., Balasubramanian, S. Investigating Stress-relaxation and Failure Responses in the Trachea. J. Vis. Exp. (188), e64245, doi:10.3791/64245 (2022).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image