التحقيق في استجابات الإجهاد والاسترخاء والفشل في القصبة الهوائية

Anita Singh; Tanmay Majmudar; Adi Iyer; Diya Iyer; Sriram Balasubramanian

doi:10.3791/64245

Summary

يحدد هذا البروتوكول خصائص الإجهاد والاسترخاء والفشل في الشد للقصبة الهوائية الخنزيرية. يمكن أن تساعد نتائج هذه الأساليب في تحسين فهم عتبات المرونة اللزجة والفشل في القصبة الهوائية والمساعدة في تطوير قدرات النماذج الحسابية للجهاز الرئوي.

Abstract

تؤثر الخصائص الميكانيكية الحيوية للقصبة الهوائية بشكل مباشر على تدفق الهواء وتساهم في الوظيفة البيولوجية للجهاز التنفسي. فهم هذه الخصائص أمر بالغ الأهمية لفهم آلية الإصابة في هذا الأنسجة. يصف هذا البروتوكول نهجا تجريبيا لدراسة سلوك الإجهاد والاسترخاء للقصبة الهوائية الخنازير التي تم تمديدها مسبقا إلى إجهاد 0٪ أو 10٪ لمدة 300 ثانية ، تليها تحميل الشد الميكانيكي حتى الفشل. تقدم هذه الدراسة تفاصيل التصميم التجريبي والحصول على البيانات والتحليلات والنتائج الأولية من الاختبارات الميكانيكية الحيوية للقصبة الهوائية الخنزيرية. باستخدام الخطوات التفصيلية المقدمة في هذا البروتوكول ورمز تحليل البيانات MATLAB ، يمكن للدراسات المستقبلية التحقيق في السلوك اللزج المرن المعتمد على الوقت لأنسجة القصبة الهوائية ، وهو أمر بالغ الأهمية لفهم استجاباتها الميكانيكية الحيوية خلال الظروف الفسيولوجية والمرضية والصدمة. علاوة على ذلك ، فإن الدراسات المتعمقة للسلوك الميكانيكي الحيوي للقصبة الهوائية ستساعد بشكل حاسم في تحسين تصميم الأجهزة الطبية ذات الصلة مثل غرسات القصبة الهوائية التي تستخدم على نطاق واسع أثناء العمليات الجراحية.

Introduction

على الرغم من دورها الحاسم في الأمراض الرئوية ، فإن أكبر بنية مجرى هوائي ، القصبة الهوائية ، لديها دراسات محدودة تفصل خصائصها المرنة اللزجة¹. يعد الفهم المتعمق للسلوك اللزج المرن المعتمد على الوقت للقصبة الهوائية أمرا بالغ الأهمية لأبحاث ميكانيكا الرئة لأن فهم خصائص المواد الخاصة بمجرى الهواء يمكن أن يساعد في تطوير علم الوقاية من الإصابات والتشخيص والتدخل السريري للأمراض الرئوية ، والتي تعد السبب الرئيسي الثالث للوفاة في الولايات المتحدة²^،³^،⁴.

وقد أبلغت دراسات توصيف الأنسجة المتاحة عن خصائص صلابة القصبة الهوائية⁵،⁶^،⁷^،⁸. تم التحقيق في الاستجابات الميكانيكية المعتمدة على الوقت إلى الحد الأدنى على الرغم من أهميتها في إعادة تشكيل الأنسجة ، والتي يتم تغييرها أيضا بواسطة علم الأمراض ^9,10. وعلاوة على ذلك، فإن الافتقار إلى بيانات الاستجابة المعتمدة على الوقت يحد أيضا من القدرات التنبؤية للنماذج الحسابية للميكانيكا الرئوية التي تلجأ حاليا إلى استخدام القوانين التأسيسية العامة. هناك حاجة إلى معالجة هذه الفجوة عن طريق إجراء دراسات الإجهاد والاسترخاء التي يمكن أن توفر الخصائص المادية المطلوبة لإثراء الدراسات الفيزيائية الحيوية للقصبة الهوائية. تقدم الدراسة الحالية تفاصيل طرق الاختبار والحصول على البيانات وتحليل البيانات للتحقيق في سلوك الإجهاد والاسترخاء في القصبة الهوائية الخنزيرية.

Protocol

تمت الموافقة على جميع الطرق الموصوفة من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدام الحيوانات (IACUC) في جامعة دريكسل. تم الحصول على جميع الحيوانات الجثث من مزرعة معتمدة من وزارة الزراعة الأمريكية (USDA) تقع في ولاية بنسلفانيا ، الولايات المتحدة الأمريكية. تم استخدام جثة لخنزير يوركشاير ذكر (عمره 3 أسابيع) لهذه الدراسة.

1. حصاد الأنسجة

الحصول على جثة خنزير من مزرعة معتمدة وإجراء التجارب في غضون 2 ساعة من القتل الرحيم. احتفظ بالجثة على الجليد حتى يتم الانتهاء من حصاد الأنسجة لضمان الحفاظ على الخصائص الميكانيكية الحيوية للأنسجة الطازجة.
ملاحظة: في الأدبيات المنشورة ، يتم إجراء اختبار الأنسجة الطازجة في الحيوانات عادة في غضون 2 ساعة بعد القتل الرحيم. لمزيد من التفاصيل، راجع المراجع 11,12,13,14,15,16,17,18,19.
ضع الجثة في وضع ضعيف ، وقم بعمل شق عمودي في خط الوسط على طول الرقبة ، وكشف الغضروف الدرقي ، والغضروف الكريكود ، والقصبة الهوائية من العظم اللامي إلى الشق فوق القصبي.
حصاد الحنجرة والقصبة الهوائية كاملة الطول باستخدام شفرة # 10 (الشكل 1A).
افصل عينة القصبة الهوائية عن الحنجرة ثم اقطع أنبوب القصبة الهوائية طوليا على طول كامل على جانب واحد باستخدام الشفرة رقم 10 (الشكل 1B).
قم بقياس سمك القصبة الهوائية باستخدام الصورة المقطعية المكتسبة (التي تم الحصول عليها باستخدام ImageJ²⁰ ، انظر جدول المواد) (الشكل 1C). استخدم سمك الأنسجة المقاسة لحساب مساحة المقطع العرضي أثناء تحليل البيانات.
قطع القصبة الهوائية إلى شريطين محيطيين بعرض 5 مم تقريبا (قريب) وشريطين طوليين بعرض 5 مم تقريبا (بعيدا) ، مع الحد الأدنى لطول هذه الشرائط هو 25 مم (الشكل 1D).
احصل على صور للعينات الأربع (أي قطع شرائط القصبة الهوائية) إلى جانب مسطرة. استخدم هذه الصور لتوفير قياسات رقمية لعرض العينة باستخدام الصورة J (الشكل 1E). ثم استخدم هذا العرض المقاس لحساب مساحة المقطع العرضي للعينة أثناء تحليل البيانات.
تأكد من الحفاظ على رطوبة جميع عينات الأنسجة باستخدام محلول ملحي معقم مخزن بالفوسفات (PBS) طوال فترة الدراسة. حافظ على العينات رطبة في شاش منقوع في PBS حتى تصبح جاهزة للاختبار. اغمر الأنسجة في PBS قبل الاختبار مباشرة للحصول على الترطيب المناسب.

2. الاختبارات الميكانيكية الحيوية

قم بإرفاق كل عينة بمشبك مصمم خصيصا (انظر التقارير السابقة 11،12،13،14،15،¹⁶^،¹⁷،¹⁸^،19) بحيث يتم الاحتفاظ بالعينة طوليا بين المشابك (الشكل ^1F).
قم بتثبيت المشابك بعناية (دون الحث على أي تمدد) على آلة اختبار المواد (انظر جدول المواد) ، والتي تحتوي على خلية تحميل 50 N متصلة بالمحرك العلوي (الشكل 1G).
قم بقياس المسافة من قبضة إلى قبضة (أي المشبك) باستخدام مسطرة. استخدم هذه المسافة كطول النسيج الأولي لحسابات الإجهاد.
قم بإجراء التكييف المسبق عن طريق تحميل كل عينة بالشد خمس مرات بمعدل إجهاد 1٪ / ثانية إلى إجهاد 1٪.
امسك كل عينة عند ذروة استطالة 0٪ أو 10٪ لمدة 300 ثانية للتحقيق في استجابة الإجهاد والاسترخاء اللزج المرن للأنسجة.
بعد اختبار الإجهاد والاسترخاء ، قم بتمديد الأنسجة على الفور بنسبة 1٪ / ثانية حتى يحدث عطل ميكانيكي.
توثيق موقع الفشل والتأكد من عدم حدوث أي انزلاق من خلال ضمان وجود عينات داخل المشابك بعد الاختبار (الشكل 1H).

3. الحصول على البيانات

لا تحصل على أي بيانات أثناء التكييف المسبق.
سجل مقاطع فيديو اختبار الإجهاد والاسترخاء والفشل باستخدام أي كاميرا رقمية بمعدل لا يقل عن 30 إطارا / ثانية.
الحصول على بيانات الوقت (الأوقات) والحمل (N) والإزاحة (mm) باستخدام برنامج للحصول على البيانات (انظر جدول المواد) بمعدل أخذ عينات يبلغ 250 عينة/ثانية أثناء كل من تخفيف التوتر واختبار الفشل.
احفظ البيانات التي تم الحصول عليها كملف .csv واستخدمها لتحليل البيانات كما هو مفصل في الخطوة 4.
احصل على صور ثابتة للأنسجة المثبتة قبل الاسترخاء من الإجهاد ، وبعد الاسترخاء من الإجهاد ، وبعد الفشل (الشكل 2).

4. تحليل البيانات

إدخال البيانات
1. قم بتنزيل برنامج تحليل بيانات MATLAB وتثبيته (انظر جدول المواد)، بما في ذلك مربعات أدوات "التحسين" و"معالجة الصور".
2. قم بتنزيل المجلد المضغوط (ملف الترميز التكميلي 1) ، والذي يتضمن رموز MATLAB ومجموعة بيانات نموذجية سيتم استخدامها لشرح خطوات تحليل البيانات.
3. انتقل إلى المجلد المضغوط الذي تم تنزيله واستخرج محتوياته.
4. افتح MATLAB وقم بتعيين المجلد الذي تم فك ضغطه كدليل عمل. تأكد من أن دليل العمل يحتوي على المجلدات والملفات التالية المسماة كما هو مذكور في الملاحظة أدناه. تأكد من عدم وجود مجلدات أو ملفات إضافية في دليل العمل هذا لأنها قد تتداخل مع التعليمات البرمجية وتؤدي إلى حدوث خطأ.
  ملاحظة: (1) الفشل (بعد الاسترخاء) ، (2) الفشل فقط ، (3) الاسترخاء ، (4) calc_relax_failure ، (5) main_relax_failure صباحا ، (6) تواريخ الاختبار .xlsx.
5. انتقل إلى مجلد الفشل فقط .
  ملاحظة: البيانات الواردة في هذا المجلد مستمدة من المجموعة الضابطة في هذه الدراسة، أي البيانات الميكانيكية الحيوية من عينات القصبة الهوائية التي تعرضت لعطل ميكانيكي بعد استطالة 0٪.
6. قم بتخزين البيانات من العينات التي تم اختبارها في تاريخ معين في ملف Microsoft Excel واحد باستخدام اصطلاح تسمية الملف التالي: mmddyy. على سبيل المثال ، يجب تخزين البيانات من جميع عينات القصبة الهوائية للمجموعة الضابطة التي تم اختبارها في 30 أبريل 2022 في الفشل فقط | 043022.xlsx.
  ملاحظة: يرجى ملاحظة أنه في الدراسة الحالية ، تم إجراء جميع الاختبارات الميكانيكية الحيوية في يوم واحد. ومع ذلك، إذا تم اشتقاق البيانات من تواريخ اختبار متعددة، فقم بإنشاء ملف Microsoft Excel جديد، مسمى في الاتفاقية الموصوفة، لكل تاريخ من تواريخ الاختبار هذه.
7. فشل مفتوح فقط | 043022.xlsx والاعتراف بوجود علامات تبويب متعددة لأوراق العمل، يحتوي كل منها على البيانات الخام من كل عينة تعرضت لعطل ميكانيكي في هذا التاريخ بالذات، أي 30 أبريل 2022.
8. تأكد من تسمية العينات باستخدام الاصطلاح التالي: [نوع العينة]_[ رقم العينة]_[أدخل مستوى إجهاد ما قبل التمدد]٪.
  ملاحظة: على سبيل المثال ، في الدراسة الحالية ، خضعت عينات القصبة الهوائية للمجموعة الضابطة لاختبار الفشل الميكانيكي تحت التحميل المحوري أو المحيطي دون أي استرخاء مسبق للإجهاد. لذلك ، يتم تسمية هذه العينات بالتنسيق التالي: TA_1_0 ٪ و TC_1_0٪ ، على التوالي. 0٪ لا يدل على أي تمدد مسبق. تم الاحتفاظ بعينات القصبة الهوائية من مجموعتنا التجريبية لأول مرة عند استطالة ثابتة تحت تحميل محوري أو محيطي بنسبة 10٪ لتقييم استجابة استرخاء الإجهاد المرن اللزج ثم تعرضت لعطل ميكانيكي. لذلك، يتم تسمية هذه العينات بالتنسيق التالي: TA_1_10 ٪ و TC_1_10٪ (يرجى الرجوع إلى الخطوة 4.1.16 والخطوة 4.1.23، التي تمثل ظروف التحميل المحورية والمحيطية، على التوالي).
9. حدد علامة تبويب ورقة العمل TA_1_0٪. تأكد من تسمية أعمدة رأس البيانات الأولية تماما كما هو مكتوب بخط غامق في الملاحظة أدناه.
  ملاحظة: (1) الوقت (ثانية)، (2) الحمل (N)، (3) الموضع (مم)، (4) الأقطار (مم) (الخطوة 1.7)، (5) متوسط مساحة المقطع العرضي (السماكة × العرض، مم 2) (تم الحصول عليها في الخطوة 1.5 والخطوة 1.7)، (6) الطول الأولي (مم) (الخطوة^2.3).
10. أغلق ملف Microsoft Excel الحالي، فشل | فقط 043022.xlsx.
11. ارجع إلى دليل العمل الخاص ببرنامج تحليل البيانات.
12. انتقل إلى مجلد الاسترخاء.
  ملاحظة: البيانات الواردة في هذا المجلد مستمدة من المجموعة التجريبية في هذه الدراسة، أي البيانات الميكانيكية الحيوية من عينات القصبة الهوائية التي خضعت لاختبار استرخاء الإجهاد عند استطالة ثابتة بنسبة 10٪ لمدة 300 ثانية.
13. قم بتخزين البيانات من عينات المجموعة التجريبية التي تم اختبارها في تاريخ معين في ملف Microsoft Excel واحد باستخدام اصطلاح وضع العلامات التالي: mmddyy.
  ملاحظة: على سبيل المثال، يجب تخزين البيانات من جميع عينات القصبة الهوائية للمجموعة التجريبية التي تم اختبارها في 30 أبريل 2022 في Relax | 043022.xlsx. راجع الملاحظة الواردة في الخطوة 4.1.6 للحصول على تفاصيل إضافية.
14. | الاسترخاء المفتوحة 043022.xlsx وأدرك أن هناك علامات تبويب متعددة لأوراق العمل، تحتوي كل منها على بيانات تخفيف الحمل الخام من كل عينة في المجموعة التجريبية التي تم اختبارها في هذا التاريخ بالذات، أي 30 أبريل 2022.
15. توقف مؤقتا ولاحظ أن كل عينة من العينات، كما هو موضح في علامات تبويب ورقة العمل المضمنة في ملف Microsoft Excel هذا، تعرضت لاحقا لعطل ميكانيكي أثناء التحميل الميكانيكي للشد.
  ملاحظة: يجب تخزين بيانات الفشل المقابلة لكل عينة من العينات الموجودة في المجلد فشل (ما بعد الاسترخاء)، كما هو موضح بمزيد من التفصيل في الخطوة 4.1.20.
16. تأكد من تسمية العينات باستخدام الاصطلاح الموضح في الخطوة 4.1.8.
17. قم بالتبديل بين كل علامة تبويب ورقة عمل موجودة في ملف Microsoft Excel الحالي وراجع الخطوة 4.1.9 للتأكد من تنسيق بيانات تخفيف الحمل الخام لكل عينة، المشار إليها بأي علامة تبويب ورقة عمل معينة، بشكل صحيح.
18. حفظ وإغلاق ملف Microsoft Excel الحالي، الاسترخاء | 043022.xlsx.
19. ارجع إلى دليل العمل الخاص ببرنامج تحليل البيانات.
20. انتقل إلى المجلد فشل (ما بعد الاسترخاء).
21. تأكد من وجود ملف (ملفات) Microsoft Excel بنفس التاريخ (التواريخ) (راجع الخطوة 4.1.6 للحصول على تفاصيل حول تسمية ملفات Microsoft Excel المقابلة لكل تاريخ اختبار) كما هو موجود في المجلد Relax.
  ملاحظة: البيانات الواردة في المجلد الحالي ، الفشل (ما بعد الاسترخاء) ، هي بيانات الفشل الميكانيكي الخام المقابلة من عينات القصبة الهوائية الخاضعة لاختبار استرخاء الإجهاد عند استطالة ثابتة تبلغ 10٪ لمدة 300 ثانية.
22. الفشل المفتوح (بعد الاسترخاء) | 043022.xlsx علامات تبويب أوراق عمل متعددة والتعرف عليها، يحتوي كل منها على بيانات فشل ميكانيكي خام من نفس العينات الموجودة في Relax | 043022.xlsx.
23. تأكد من تسمية العينات باستخدام الاصطلاح المذكور في الخطوة 4.1.8 وأن الملصقات تتطابق مع تلك الموجودة في Relax | 043022.xlsx.
  ملاحظة: على سبيل المثال، تمثل البيانات الموجودة في ملف Microsoft Excel الحالي ل TA_1_10 ٪ بيانات الفشل الميكانيكي الخام لعينة القصبة الهوائية رقم 1 تحت التحميل المحوري التي خضعت سابقا لاختبار استرخاء الإجهاد عند استطالة ثابتة بنسبة 10٪ لمدة 300 ثانية.
24. قم بالتبديل بين كل علامة تبويب ورقة عمل وراجع الخطوة 4.1.9 للتأكد من تنسيق عمود الرأس الخاص ببيانات الفشل الميكانيكي الخام لكل عينة بشكل صحيح.
25. أغلق ملف Microsoft Excel الحالي، | فشل (ما بعد الاسترخاء) 043022.xlsx.
26. ارجع إلى دليل العمل الخاص ببرنامج تحليل البيانات.
27. كرر الخطوات 4.1.5-4.1.26 للحصول على تواريخ اختبار إضافية، حسب الاقتضاء.
28. افتح ملف Microsoft Excel ، testingDates .xlsx ، والذي سيوجه التعليمة البرمجية لتحليل تواريخ الاختبار المحددة من قبل المستخدم.
29. اذكر تواريخ الاختبار في العمود الأول بالتنسيق التالي: mm/dd/yy.
30. في العمود الثاني ، أشر باستخدام Y (للنعم) أو N (ل لا) ما إذا كانت أي عينات في تاريخ الاختبار المحدد هذا من المجموعة التجريبية (تخفيف الإجهاد متبوعا بالفشل الميكانيكي).
31. في العمود الثالث ، أشر باستخدام Y (للنعم) أو N (للعدم) ما إذا كانت أي عينات في تاريخ الاختبار المحدد هذا من مجموعة التحكم (الفشل الميكانيكي المباشر).
32. كرر الخطوات 4.1.29-4.1.31 للحصول على تواريخ اختبار إضافية.
33. حفظ وإغلاق ملف Microsoft Excel الحالي، testDates.xlsx.
34. ارجع إلى دليل العمل الخاص ببرنامج تحليل البيانات.
35. افتح ملف البرنامج النصي الرئيسي، main_relax_failure صباحا.
36. حدد السهم الأخضر الكبير على واجهة البرنامج لتشغيل التعليمة البرمجية. بدلا من ذلك، اكتب تشغيل main_calc_relax في نافذة الأوامر.
37. عند المطالبة ، أدخل مستويات استطالة ثابتة مفصولة بفواصل (في المائة) لمختلف المجموعات التجريبية واضغط على موافق.
  ملاحظة: في الدراسة الحالية ، تم استخدام استطالة استرخاء إجهاد واحدة فقط ، أي أدخل 10. لا تقم بتضمين 0٪ للمجموعة الضابطة. ومع ذلك ، إذا تم اشتقاق البيانات من استطالات متعددة ، على سبيل المثال 10٪ و 20٪ ، فأدخل 10,20.
38. عند المطالبة، أدخل فترات اختبار الإجهاد والاسترخاء المفصولة بفاصلة (بالثواني) للمجموعات التجريبية المختلفة واضغط على موافق.
  ملاحظة: في الدراسة الحالية ، تم الاحتفاظ بعينات القصبة الهوائية عند استطالة ثابتة لمدة 300 ثانية ، وبالتالي ، إدخال 300. ومع ذلك ، إذا تم اشتقاق البيانات من فترات استرخاء الإجهاد المتعددة ، على سبيل المثال 90 ثانية و 300 ثانية ، فأدخل 90,300.
استجابة استرخاء الإجهاد اللزج المرن
1. باستخدام الرمز (main_relax_failure.m) ، قم بتحويل بيانات وقت التحميل (سطر التعليمات البرمجية 144) إلى بيانات وقت الإجهاد الاسمية باستخدام المعادلة التالية¹⁹: ، حيث يمثل σ الإجهاد (mega Pascals [MPa]) ، و F يمثل الحمل المحيطي أو المحوري (نيوتن [N]) ، ويمثل A₀ مساحة المقطع العرضي الأولية (ملليمتر مربع [mm²]).
2. باستخدام الرمز (main_relax_failure.m) ، حدد ذروة الحمل وأحجام الإجهاد (خطي الرمز 138 و 146) استجابة لتطبيق الاستطالة الثابتة بنسبة 10٪ على العينة في بداية اختبار الاسترخاء 300 ثانية.
  ملاحظة: يطلق على هذه القيم فيما يلي الحمل الأقصى الأولي والإجهاد الأقصى الأولي على التوالي.
3. باستخدام الرمز (main_relax_failure.m) ، احسب النسبة المئوية للانخفاض في الإجهاد (أو الحمل) عند 300 ثانية (خطي الرمز 141 و 149) باستخدام المعادلة التالية: ، حيث يمثل Rel٪ النسبة المئوية للاسترخاء ، ويمثل σ(0⁺) إجهاد الذروة الأولي (أو حمل الذروة الأولي) ، ويمثل σ (300) مستوى الإجهاد (أو الحمل) المسجل بعد الاسترخاء على مدار 300 ثانية.
4. ارجع إلى الرمز (main_relax_failure.m) لنمذجة استجابة استرخاء الإجهاد اللزج المرن (خطوط التعليمات البرمجية 152-161) باستخدام نموذج الاضمحلال الأسي لسلسلة Prony المكون من مصطلحين. يستخدم هذا النموذج عادة لوصف السلوك اللزج المرن لمختلف الأنسجة البيولوجية، بما في ذلك مستويات مجرى الهواء الغضروفي المختلفة (القصبة الهوائية، الشعب الهوائية الكبيرة، والشعب الهوائية الصغيرة)²¹^،²².
  ملاحظة: يتم تطبيع قيم الإجهاد المحسوبة [σ(t)] لإنتاج دالة الاسترخاء المخفضة التالية: و G(0) = 1. لمقارنة استجابات الإجهاد والاسترخاء اللزجة المرنة ، يتم تركيب G(t) على المنحنى باستخدام انحدار المربعات الصغرى غير الخطي على النحو التالي: ، حيث t هو الوقت أثناء عقد استرخاء الإجهاد ، g هو معامل الاسترخاء ، τ₁ و τ₂ ويشير إلى أوقات الاسترخاء (بالثواني) التي تصف السلوك القصير (الأولي) والطويل الأجل (التوازن) للنسيج ، على التوالي.
الاستجابة للأعطال الميكانيكية
1. استخدم الرمز (main_relax_failure.m) لتحويل بيانات إزاحة الحمل (خطوط الكود 143-144) المسجلة بواسطة آلة اختبار الشد إلى بيانات إجهاد إجهاد اسمية باستخدام المعادلات المذكورة في الملاحظة أدناه.
  ملاحظة: ، حيث يمثل σ الإجهاد الاسمي (MPa) ، و F يمثل الحمل المحيطي أو المحوري (N) ، و A 0 يمثل مساحة المقطع العرضي الأولي (mm²) ؛ ، حيث يمثل الإجهاد الناتج ، و Δ L يمثل الإزاحة ، وL ₀ يمثل الطول الأولي للعينة. بالنسبة للعينات التي تخضع لاختبار الشد الفاشل بعد عقد استرخاء الإجهاد ، يمثل L₀ طول الأنسجة الممتد مسبقا. على سبيل المثال ، تم تمديد العينة 3 (الطول الأولي 8 مم) مسبقا إلى 10٪ ، وبالتالي ، تم اعتبار L₀ 8.8 مم لحساب قيم الإجهاد الناتجة¹⁹.
2. استخدم الدالة (calc_relax_failure.m) لتحديد الحمل الأقصى (أي حمل الفشل) وإزاحة الفشل المقابلة ، بالإضافة إلى الحد الأقصى للإجهاد (أي إجهاد الفشل) وإجهاد الفشل المقابل (خطوط الرمز 33 و 61-63).
3. استخدم الدالة (calc_relax_failure.m) لتجاهل بيانات إزاحة الحمل بعد تحميل الفشل (السطر 34).
4. استخدم الدالة (calc_relax_failure.m) لرسم منحنى إزاحة الحمل ، وعند المطالبة بذلك ، حدد يدويا نقطتين في المنطقة الخطية من المنحنى لتقريب صلابة الأنسجة (N / mm) (خطوط التعليمات البرمجية 37-58).
  ملاحظة: بما أن منحنى إزاحة الحمل يتم تطبيعه بواسطة مساحة المقطع العرضي والطول الأولي للعينة لإنتاج منحنى إجهاد إجهاد ، فإن الرمز يستخدم إحداثيات x و y المحددة من قبل المستخدم من منحنى إزاحة الحمل لحساب معامل المرونة (MPa) باستخدام المعادلة التالية¹⁹: ، حيث يمثل E معامل المرونة ، ويمثل x و y الإحداثيات المحددة على منحنى إزاحة الحمل ، يمثل A 0 مساحة المقطع العرضي ، ويمثل L₀ طول العينة في بداية الفشل الميكانيكي ، ويمثل Δσ و Δ التغير في الإجهاد والإجهاد على المنطقة الخطية لاستجابة الفشل ، على التوالي.
5. كرر الخطوة 4.3.4 لكل عينة.
إخراج البيانات
1. بمجرد تشغيل التعليمة البرمجية بنجاح ، تأكد من توفر النتائج المحسوبة في دليل العمل الخاص ببرنامج تحليل البيانات كملف Microsoft Excel في اصطلاح التسمية التالي: relax_failure_results_mmddyy.xlsx ، حيث سيتم استبدال mmddyy بتاريخ تشغيل التعليمة البرمجية.

النتائج

يوضح الشكل 1 الأنسجة الفاشلة بالقرب من موقع التثبيت ووجود أنسجة داخل المشبك ، مما يؤكد عدم وجود انزلاق أثناء اختبار الشد. ويشير الشكل 2 إلى مواقع الفشل المختلفة، بما في ذلك مواقع التثبيت العلوية أو السفلية أو على طول الأنسجة، التي لوحظت أثناء اختبار الشد بين العينات المختبرة. ويرد موجز لنتائج تحليل البيانات في الأشكال 3-4 والجداول 1-2. يوضح الشكل 3 استجابات استرخاء الإجهاد لعينات القصبة الهوائية التي تتبع الإجهاد المحوري أو المحيطي قبل التمدد إلى 10٪. تم حساب الحمل الأولي الذروة والإجهاد ، والنسبة المئوية للانخفاض في الإجهاد على مدى عقد 300 ثانية ، وثوابت الوقت ، t1 و t2 ، في دالة استرخاء سلسلة Prony على المدى الثاني من منحنيات الاسترخاء هذه. وترد هذه المعلمات اللزجة المرنة في الجدول 1. ويبين الشكل 4 استجابات الإجهاد والإجهاد لعينة القصبة الهوائية الخاضعة لاختبار الفشل تحت الأحمال المحورية أو المحيطية بعد عدم وجود تمدد مسبق أو 10٪ قبل التمدد. من هذه المنحنيات ، تم تحديد إجهاد الفشل وإجهاد الفشل المقابل ، وكذلك معامل المرونة ، وهي مدرجة في الجدول 2.

تميزت الاختبارات الأولية بنجاح باستجابات الإجهاد والاسترخاء لأنسجة القصبة الهوائية. في هذه التجارب الأولية، أفادت استجابة الإجهاد والاسترخاء قبل التمدد بنسبة 10٪ أن إجهاد الذروة الأولي أعلى في اتجاهات التحميل المحوري، في حين كانت النسبة المئوية للانخفاض في الإجهاد أعلى في اتجاه التحميل المحيطي عند مقارنتها باتجاه التحميل المحوري (الجدول 1). كانت أوقات الاسترخاء (τ₁ و τ₂ التي تصف سلوك [التوازن] القصير [الأولي] والطويل الأجل للأنسجة) أعلى أيضا في اتجاه التحميل المحوري عند مقارنتها باتجاه التحميل المحيطي لنفس مجموعة ما قبل التمدد بنسبة 10٪. وعند مقارنة بيانات الفشل، كانت قيم إجهاد الفشل وقيم E أعلى في اتجاهات التحميل المحيطية في كل من المجموعتين السابقتين للتمدد بنسبة 0٪ و10٪، في حين كانت إجهاد الفشل المبلغ عنها في اتجاهات التحميل المحوري أعلى (الجدول 2). تستدعي هذه النتائج الأولية إجراء تجارب إضافية لزيادة توصيف استجابات الإجهاد والاسترخاء والفشل في أنسجة القصبة الهوائية لفهم استجابات الإجهاد والاسترخاء بشكل أفضل في ظروف تحميل الشد ، سواء محوريا أو محيطيا. يمكن أن تساعد الخطوات الموضحة في هذا البروتوكول في تحقيق هذا الهدف.

figure-results-2458
الشكل 1: حصاد الأنسجة وتفاصيل الاختبار الميكانيكي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-2850
الشكل 2: مواقع الفشل. نماذج مواقع الفشل كما هو موضح بالأسهم الصفراء. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3260
الشكل 3: استجابة استرخاء الإجهاد على مدى 300 ثانية من عينات القصبة الهوائية الممتدة مسبقا إلى إجهاد 10٪. (أ) تحميل محوري أو (ب) محيطي (ن = 1 لكل حالة تحميل). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-3793
الشكل 4: استجابات إجهاد الإجهاد لاختبار فشل عينات القصبة الهوائية تحت التحميل المحوري أو المحيطي بعد عدم وجود تمدد مسبق أو 10٪ قبل التمدد (n = 1 لكل حالة تحميل).

عينة	إجهاد ما قبل التمدد	اتجاه التحميل	الحمل الأولي للذروة (N)	ذروة الإجهاد الأولي (MPa)	٪ انخفاض في الإجهاد	τ₁ (ق)	τ₂ (ق)	R المعدل²(٪)
3	10%	المحوري	0.56	0.089	33.93	11.59	152.44	98.79
4	10%	محيطي	0.26	0.057	42.31	1.58	14.86	99.08

الجدول 1: قيم معلمات استرخاء الإجهاد المقاسة والمحسوبة لعينات القصبة الهوائية المعرضة لإجهاد مسبق بنسبة 10٪ للخضوع لاسترخاء الإجهاد لمدة 300 ثانية.

عينة	إجهاد ما قبل التمدد	اتجاه التحميل	إجهاد الفشل (MPa)	إجهاد الفشل	معامل المرونة (MPa)
3	10%	المحوري	0.89	0.38	2.9
4	10%	محيطي	1.78	0.51	3.74
5	0٪ (فشل فقط)	المحوري	1.02	0.86	2.3
6	0٪ (فشل فقط)	محيطي	2.15	0.57	6.3

الجدول 2: استجابات الفشل لعينات القصبة الهوائية تحت مجموعات تجريبية مختلفة.

ملف الترميز التكميلي 1: الرموز المخصصة لدراسة سلوك الإجهاد والاسترخاء في القصبة الهوائية. يرجى النقر هنا لتنزيل هذا الملف.

Discussion

وقد أبلغ عدد قليل جدا من الدراسات عن خصائص الإجهاد والاسترخاء في القصبة الهوائية^21,23. هناك حاجة إلى دراسات لزيادة تعزيز فهمنا للاستجابات المعتمدة على الوقت لأنسجة القصبة الهوائية. وتقدم هذه الدراسة خطوات مفصلة لإجراء مثل هذه التحقيقات؛ ومع ذلك ، يجب ضمان الخطوات الحرجة التالية ضمن البروتوكول لإجراء اختبار موثوق: (1) ترطيب الأنسجة المناسب ، (2) توزيع مماثل من نوع الأنسجة (عدد الحلقات الغضروفية والعضلات) في العينات المحيطية والطولية ، (3) لقط العينة دون تمدد مسبق ، (4) استخدام سمك العينة وعرضها لتقدير منطقة المقطع العرضي المستخدمة لحساب إجهاد الأنسجة أثناء اختبار الشد الميكانيكي الحيوي ، (5) التثبيت السليم لعينة الأنسجة ، 6) باستخدام طول مقياس العينة المثبتة لإدخال معدل الإجهاد البالغ 1٪ / ثانية لاختبار الشد ، و (7) تأكيد عدم وجود انزلاق مع وجود أنسجة في المشبك بعد الاختبار. بالإضافة إلى ذلك، قد يتطلب استكشاف الأخطاء وإصلاحها إعادة تشغيل برنامج الحصول على البيانات لإعادة إنشاء اتصال مع وحدة تحكم جهاز الاختبار.

تقدم الدراسة الحالية أيضا وصفا مفصلا لطرق الاختبار وتحليلات البيانات ورموز MATLAB المخصصة (ملف الترميز التكميلي 1) التي تم إنشاؤها لدراسة سلوك الإجهاد والاسترخاء في القصبة الهوائية. لا توجد دراسات سابقة توفر مثل هذه المعلومات الشاملة. علاوة على ذلك ، على الجبهة التعليمية ، يمكن دمج الأساليب الموضحة في الدراسة الحالية بسهولة كوحدة تعليمية لمختبرات الاسترخاء من الإجهاد في دورات الهندسة في كل من تنسيقات الواقع التقليدي والافتراضي²⁴،²⁵^،²⁶^،²⁷.

تتناسب دراسات الإجهاد والاسترخاء المتاحة حاليا على القصبة الهوائية والأنسجة الرخوة الأخرى مع وظيفة الاسترخاء لسلسلة Prony المكونة من فصلين^{دراسيين 28}،²⁹^،³⁰. وتستخدم الدراسة الحالية أيضا هذه الوظيفة؛ ومع ذلك ، يمكن للدراسات المستقبلية توسيع نطاق تحقيقها من خلال استخدام تقنيات النمذجة اللزجة المرنة شبه الخطية لتوصيف السلوك اللزج المرن. لن تساعد مثل هذه الدراسات في إنشاء نموذج حسابي تنبؤي قوي للميكانيكا الحيوية للمجاري الهوائية فحسب ، بل ستساعد أيضا في تصميم الغرسات مثل دعامات مجرى الهواء التي تتطلب خصائص مواد الأنسجة لاختبار الأداء.

أخيرا ، لا يمكن استخدام الطرق الموضحة في هذه الدراسة لتقييم آثار العمر والأنواع على سلوك الإجهاد والاسترخاء في القصبة الهوائية فحسب ، بل يمكن تطبيقها أيضا على الأنسجة الرخوة والصلبة الأخرى مثل الأربطة والأقراص الفقرية والعظام. يمكن دمج هذه البيانات المرنة اللزجة لتحسين النماذج الحسابية الحالية للعناصر المحدودة عالية الدقة 31،³²^،³³.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

تم دعم الأبحاث الواردة في هذا المنشور من قبل معهد يونيس كينيدي شرايفر الوطني لصحة الطفل والتنمية البشرية التابع للمعاهد الوطنية للصحة تحت رقم الجائزة R15HD093024 وجائزة CAREER Award من المؤسسة الوطنية للعلوم رقم 1752513.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

188

This article has been published

Video Coming Soon

Keep me updated: