健康衰老調(diào)節(jié)心臟組織的性質(zhì)和功能

我們的身體隨著年齡的增長(zhǎng)而變化，心臟組織也不例外。 隨著這些變化，肺動(dòng)脈高壓等疾病的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)增加。 研究心臟組織結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的變化可能有助于確定這些與年齡有關(guān)的疾病的原因并預(yù)防它們。

匹茲堡大學(xué)的Mark Simon教授的小組正在研究這項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的研究，他們的計(jì)劃是將血流動(dòng)力學(xué)測(cè)量與雙軸力學(xué)測(cè)試數(shù)據(jù)和定量組織學(xué)相關(guān)聯(lián)。 我們還在研究從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出的本構(gòu)模型。

有趣的是，最近的研究發(fā)現(xiàn)與年齡相關(guān)的組織重塑和壓力負(fù)荷重塑之間存在相似之處。

他們?cè)谶@項(xiàng)研究中使用CellScale BioTester來測(cè)量幾種伸長(zhǎng)率下的組織特性。

生物力學(xué)表征

在形態(tài)學(xué)測(cè)量之后，從RVFW中收獲具有圓周縱向方向的方形試樣（圖1）進(jìn)行雙軸力學(xué)測(cè)試（n控制= 6， n老化= 6）。將標(biāo)本安裝在BioTester測(cè)試設(shè)備（CellScale，滑鐵盧，安大略省，加拿大）上，使用縫合線和滑輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行最小的剪切載荷（28）。然后將樣品浸沒在含有2，3-丁二酮一肟和氧氣的改良克雷布斯溶液中，以確保組織活力（27）。我們之前的工作（19）表明，這種培養(yǎng)基浴可以通過被動(dòng)擴(kuò)散有效地保持組織活力長(zhǎng)達(dá)90分鐘。本研究中的所有測(cè)量均在收獲心臟后45-80分鐘內(nèi)完成。

RVFW力學(xué)性能采用多協(xié)議位移控制的雙軸載荷情景（1：1、1：2、2：1、1：4、4：1、1：6和6：1位移比）進(jìn)行了表征。先前的工作已經(jīng)證明，該加載協(xié)議可以有效地捕獲各種可能的應(yīng)變（18，27，29）下的雙軸RVFW特性，為本構(gòu)模型的參數(shù)表征生成足夠的數(shù)據(jù)。在開始數(shù)據(jù)采集之前，每個(gè)樣品都經(jīng)過 15 個(gè) 1：1 位移控制預(yù)處理周期。將四個(gè)視覺跟蹤標(biāo)記放置在RVFW標(biāo)本的心外膜表面上，并通過標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)（27，29，30）對(duì)標(biāo)記位移（使用CCD相機(jī)記錄）進(jìn)行后處理，以獲得變形梯度張量（F），使用四節(jié)點(diǎn)有限元近似（31）。然后，格林-拉格朗日應(yīng)變張量（E）的分量計(jì)算為E=12(FTF?I)$?=\frac{1}{2}({?}^{?}?-我)$，其中 I 是恒等張量。使用雙軸力測(cè)量和初始試樣尺寸，通過計(jì)算參考配置中變形構(gòu)型中橫截面積上的力比，獲得第一皮奧拉-基爾霍夫應(yīng)力張量（P）。然后將第二個(gè)皮奧拉-基爾霍夫應(yīng)力張量 （S） 評(píng)估為 S = F?1P. 應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)在平面應(yīng)力近似下進(jìn)行后處理，使用 Mathcad 中的有限變形分析框架（PTC，Needham，MA）。

使用先前建立的技術(shù)（19，32），通過MATLAB中的雙諧波樣條插值從獲取的多協(xié)議位移控制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中插值RVFW試樣的等雙軸應(yīng)變控制響應(yīng)（補(bǔ)充圖2）。如前所述，等雙軸應(yīng)變控制響應(yīng)伴隨著的組織運(yùn)動(dòng)學(xué)，沒有纖維旋轉(zhuǎn)（33），因此可用于從組織水平測(cè)量估計(jì)纖維級(jí)機(jī)械性能，與纖維取向和張開（無關(guān)19，21，32）。有效纖維集合（EFE）應(yīng)力，代表組合膠原和肌纖維束的纖維水平響應(yīng)，然后從組織水平測(cè)量估計(jì)為（19，32）：

在這里，S埃菲表示組合膠原-肌纖維束的EFE應(yīng)力，并且（S11）等雙軸和 （S22）等雙軸分別是等雙軸應(yīng)變下圓周和縱向下插值的雙軸組織水平第二皮奧拉-基爾霍夫應(yīng)力。我們假設(shè)EFE應(yīng)力 - 應(yīng)變反應(yīng)的初始近線性，低應(yīng)變部分主要由肌纖維主導(dǎo)，而膠原纖維主導(dǎo)募集后的高應(yīng)變反應(yīng)（2，18）（補(bǔ)充圖34）。為了對(duì)膠原蛋白募集前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，根據(jù)EFE菌株（E埃菲），以評(píng)估 EFE 剛度的變化 （TMEFE=?SEFE?EEFE$\text{T}{\text{M}}_{\text{埃菲}}=\frac{?{\text{S}}_{\text{埃菲}}}{?{\text{E}}_{\text{埃菲}}}$;其中 TM埃菲是 EFE 剛度）。對(duì)于兩組的標(biāo)本，我們觀察到一個(gè)相對(duì)恒定的剛度區(qū)域（相對(duì)線性的應(yīng)力 - 應(yīng)變行為，以肌纖維為主），然后開始膠原蛋白募集和EFE剛度突然增加（補(bǔ)充圖4）。膠原纖維開始募集的應(yīng)變被定義為與之前的剛度趨勢(shì)相比，EFE 剛度顯著升高的點(diǎn)。這被量化為TM埃菲（EFE 剛度）在 TM 分布的 Z = 4.417 置信區(qū)間之外顯著升高埃菲在此之前的測(cè)量。選擇Z值4.417（99.999%置信區(qū)間）作為對(duì)檢測(cè)到的剛度增加的最大置信度的閾值，避免由于數(shù)據(jù)采集噪聲導(dǎo)致的低應(yīng)變數(shù)據(jù)的潛在波動(dòng)而導(dǎo)致膠原蛋白募集應(yīng)變的錯(cuò)誤檢測(cè)。EFE 剛度-應(yīng)變圖第 n + 1 點(diǎn)處的 EFE 應(yīng)變（補(bǔ)充圖 4）定義為膠原募集應(yīng)變，如果：

在這里，（TM埃菲)N+1是 EFE 剛度-應(yīng)變數(shù)據(jù)的第 n + 1 點(diǎn)處的 EFE 剛度（補(bǔ)充圖 4）。不等式的右側(cè)代表 TM 的上限埃菲基于 TM 的置信區(qū)間埃菲數(shù)據(jù)高達(dá) n千點(diǎn)。膠原蛋白募集的開始被定義為滿足等式3中的不等式的第一個(gè)點(diǎn)。然后將膠原蛋白募集前的EFE應(yīng)力 - 應(yīng)變數(shù)據(jù)用于肌纖維剛度估計(jì)，使用混合規(guī)則方法（18，19，35）：

其中（TM埃菲）膠原蛋白募集前是擬合到 EFE 應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始低應(yīng)變部分的直線斜率（補(bǔ)充圖 5），φ肌纖維和φ膠原代表 RVFW 標(biāo)本中的肌纖維和膠原面積分?jǐn)?shù)（組織含量測(cè)量;從組織學(xué)測(cè)量中獲得）和 TM肌纖維和 TM膠原分別是有效的肌纖維和膠原硬度。假設(shè)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)的初始部分以肌纖維為主（最小膠原蛋白募集，TM膠原= 0），每個(gè)試樣的有效肌纖維剛度估計(jì)為：

此外，還使用非線性各向異性本構(gòu)模型（36）對(duì)每個(gè)隊(duì)列中RVFW標(biāo)本的反應(yīng)進(jìn)行建模：

這里，W是應(yīng)變能密度，E11和 E22，分別代表圓周和縱向（頂點(diǎn)到基底）格林-拉格朗日菌株，B0是比例因子，b1- C2和 b3分別是RVFW的圓周、縱向和面內(nèi)耦合剛度的指標(biāo)（19）。通過微分方程2相對(duì)于格林-拉格朗日應(yīng)變得到第二個(gè)皮奧拉-基爾霍夫應(yīng)力分量：

其中 （S11)模型-預(yù)測(cè)和 （S22)模型-預(yù)測(cè)分別是圓周和縱向的模型預(yù)測(cè)應(yīng)力分量。使用公式7和獲取的多協(xié)議實(shí)驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)，使用MATLAB中的信任區(qū)域反射非線性最小二乘優(yōu)化算法估計(jì)每個(gè)樣品的模型參數(shù)，以最小化模型預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)之間的差異。阿·2測(cè)量用于評(píng)估擬合優(yōu)度。然后，通過取每個(gè)隊(duì)列中試樣的圓周-縱向應(yīng)變空間中所有應(yīng)變能分布的平均值，生成低應(yīng)變和高應(yīng)變區(qū)域中的隊(duì)列特定應(yīng)變能圖，從而促進(jìn)在各種載荷場(chǎng)景中對(duì)RVFW生物力學(xué)特性進(jìn)行基于模型的整體評(píng)估。

RVFW生物力學(xué)特性

老化對(duì)RVFW雙軸性能產(chǎn)生了雙峰效應(yīng)，在較低應(yīng)變下導(dǎo)致圓周和縱向剛度增加，而在較高應(yīng)變下則發(fā)展為雙軸剛度降低（圖3A）。對(duì)RVFW膠原-肌纖維束組合的EFE（有效纖維集合）應(yīng)力-應(yīng)變特性也觀察到了類似的影響（圖3B）。使用混合規(guī)則方法，這轉(zhuǎn)化為有效肌纖維剛度的增加（圖 3C; 老化與對(duì)照組為 159.5 ± 23.6 ± 66.2 kPa;p = 5.2），而對(duì)膠原蛋白募集菌株沒有觀察到顯著影響（圖0D; 衰老與對(duì)照組為003.3 ± 11.9%±0.7%;p = 10.4）。每組的樣本特定本構(gòu)模型參數(shù)如補(bǔ)充表0所示。總體而言，所采用的模型顯示出可接受的擬合質(zhì)量（R2）到我們的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（R2= 0.95 ± 0.01 和 0.96 ±老化和控制分別為 0.01）。圖3E，F(xiàn)顯示了低應(yīng)變和高應(yīng)變區(qū)域每個(gè)隊(duì)列的年齡特定應(yīng)變能圖，代表了所有模型參數(shù)的綜合效應(yīng)。

圖3.健康老齡化對(duì)（A）右心室心肌雙軸力學(xué)性能的影響，（B）膠原-肌纖維束組合的有效纖維系綜（EFE）力學(xué)性能，（C）有效肌纖維剛度，（D）膠原蛋白募集應(yīng)變，（E）RVFW在低應(yīng)變區(qū)域（圓周-縱向應(yīng)變空間）的應(yīng)變能圖，以及 （F ） RVFW在高應(yīng)變區(qū)域的應(yīng)變能圖。健康老化以雙峰方式調(diào)節(jié)RVFW的生物力學(xué)特性，在較低應(yīng)變下導(dǎo)致圓周和縱向剛度增加，而在較高應(yīng)變下則發(fā)展為雙軸剛度降低。隨著健康衰老，觀察到明顯的肌纖維硬化。與低應(yīng)變區(qū)域的對(duì)照組相比，老化隊(duì)列中的試樣在等效變形水平下表現(xiàn)出更高水平的應(yīng)變能（表明RVFW剛度），而在高應(yīng)變區(qū)域顯示出較低的應(yīng)變能（表明RVFW更順應(yīng)）。誤差線表示平均值 （SEM） 的標(biāo)準(zhǔn)誤差。表示 p < 0.05。右心室，右心室;RVFW，右心室游離壁;第二P-K應(yīng)力，第二皮奧拉-基爾霍夫應(yīng)力;圓周，圓周;長(zhǎng)，縱向;EFE 第二 P-K 應(yīng)力，有效纖維集合第二皮奧拉-基爾霍夫應(yīng)力。*

BioTester

專為生物材料而打造的一套設(shè)備齊全的雙軸測(cè)試系統(tǒng)

由于其定向取向的微觀結(jié)構(gòu)，雙軸測(cè)試對(duì)于理解生物材料的機(jī)械性能而言是至關(guān)重要的。BioTester系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使雙軸測(cè)試變得簡(jiǎn)單，使用戶可以專注于結(jié)果而不是測(cè)試本身。BioTester生物雙軸測(cè)試BioTester生物雙軸測(cè)試

主要優(yōu)勢(shì)

• 4個(gè)高性能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶有直列加載傳感器

• 使用基于圖像應(yīng)變測(cè)量工具的高分辨率CCD成像

• 包括BioRakes在內(nèi)的多種附著選項(xiàng)，可快速可靠地安裝樣品

• 集成溫控介質(zhì)浴

• 功能齊全的用戶界面軟件，可進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋的簡(jiǎn)單、循環(huán)、松弛和多模式測(cè)試

試樣和安裝

BioRake樣品安裝系統(tǒng)使用了CellScale技術(shù)的附著軟組織和生物材料的方法。

每根尖齒都經(jīng)過電化學(xué)銳化，可以輕松刺穿最硬和最脆弱的組織樣本。每套都地連接到一個(gè)共同的基座，可以同時(shí)刺穿所有20個(gè)連接點(diǎn)。磁力安裝的BioRakes便于清潔或更換，可以實(shí)現(xiàn)BioRake、平衡滑輪和夾具安裝系統(tǒng)之間的輕松轉(zhuǎn)換。

進(jìn)行測(cè)試時(shí)，使用手動(dòng)升降機(jī)構(gòu)將樣本定位并升高到位，并施加壓力以將鉤子插入組織中。樣品因此可以在幾秒鐘內(nèi)安裝好并做好分析準(zhǔn)備。安裝一氣呵成、準(zhǔn)確易操作。

BioRakes的齒間距從0.7毫米到2.2毫米不等，以適應(yīng)從3到15毫米大小的標(biāo)本。

平衡滑輪樣品安裝系統(tǒng)提供了CellScale在雙軸測(cè)試過程中確保零剪切應(yīng)力的附著方法。

兩個(gè)雙端定制縫合鉤被用來在樣品的每一側(cè)上創(chuàng)建4個(gè)附著點(diǎn)。兩級(jí)不銹鋼滑輪機(jī)構(gòu)確保在測(cè)試過程中每根縫線保持相同的張力。

滑輪機(jī)構(gòu)采用磁性安裝方式，便于拆卸清潔，并使BioRake、平衡滑輪和夾具安裝系統(tǒng)之間輕松過渡。

夾具樣品安裝系統(tǒng)提供了CellScale失敗測(cè)試的附著方法。

使用十字形試樣可以讓比基礎(chǔ)材料更弱的附著位置遠(yuǎn)離試樣的測(cè)量區(qū)域移動(dòng)。夾具讓樣品可以很容易地加載并且牢固地就位。

不銹鋼夾緊機(jī)構(gòu)安裝在與其他附著系統(tǒng)相同的支架上，以便在BioRake、平衡滑輪和夾具安裝系統(tǒng)之間快速簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換。

還可以進(jìn)行定制夾具設(shè)計(jì)，以適應(yīng)您的組織對(duì)夾緊力和夾緊表面的要求。

軟件

BioTester的設(shè)置、操作和數(shù)據(jù)收集軟件模塊讓標(biāo)準(zhǔn)或定制測(cè)試規(guī)程的執(zhí)行變得容易。

測(cè)試參數(shù)（如位移量、持續(xù)時(shí)間和數(shù)據(jù)/圖像采集速率）以表格格式，以便快速訪問和修改。位移和受力測(cè)試都可以針對(duì)每個(gè)軸獨(dú)立。一旦建立了協(xié)議，就可以使用模板系統(tǒng)快速重新加載所需的測(cè)試參數(shù)。

軟件界面在測(cè)試設(shè)置期間向用戶提供實(shí)時(shí)成像和當(dāng)前的力、位置和溫度的信息。在測(cè)試運(yùn)行時(shí)，軟件提供實(shí)時(shí)結(jié)果圖形和實(shí)時(shí)視頻饋送，以方便用戶監(jiān)視測(cè)試進(jìn)度。BioTester彈性模量力學(xué)試驗(yàn)機(jī)

如果詢問使用我們?cè)O(shè)備的用戶，他們會(huì)很快告訴您這個(gè)軟件包是多么的直觀和有用。

雙軸測(cè)試的很大一部分是理解和解釋收集到的數(shù)據(jù)。

BioTester包含一個(gè)圖像分析軟件模塊，可用于查看和分析測(cè)試圖像，提供有價(jià)值的定量和定性信息。該模塊可以用來導(dǎo)出用于演示目的.avi視頻或帶有數(shù)據(jù)疊加層的圖像。

BioTester包含一個(gè)高分辨率的相機(jī)，在測(cè)試過程中可以很好地觀察樣品。所收集的圖像（按用戶輸入的頻率）自動(dòng)和力位移數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間關(guān)聯(lián)，以便軟件模塊可以將所有的測(cè)試信息供用戶選用。

軟件模塊的圖像跟蹤功能可以快速輕松地分析測(cè)試圖像，以確定樣本表面上一個(gè)或多個(gè)點(diǎn)的平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。這個(gè)跟蹤信息提供了直接的標(biāo)本應(yīng)變測(cè)量，而不依靠由夾點(diǎn)運(yùn)動(dòng)計(jì)算的應(yīng)變。通過追蹤多點(diǎn)組成的網(wǎng)格，可以研究樣品不同區(qū)域的應(yīng)變。

視頻

Chung-Hao Lee教授 (Oklahoma) 關(guān)于瓣膜

BioTester圖像跟蹤示例

丹佛大學(xué)心臟組織測(cè)試

KU Leuven的心血管組織測(cè)試

內(nèi)布拉斯加大學(xué)的動(dòng)脈壁測(cè)試

在滑鐵盧大學(xué)進(jìn)行腰椎間盤組織測(cè)試

BioTester 演示

用縫線進(jìn)行BioTester測(cè)試

技術(shù)信息

外形尺寸	60 X 60 X 80cm
重量	18kg
力的大小	23N
可用的加載傳感器	0.5, 1.5, 2.5, 5, 10, 23N
力的準(zhǔn)確性	加載傳感器容量0.2%
最大夾點(diǎn)分離	80mm
最大速度	10mm/s
最大循環(huán)頻率	2Hz
最大數(shù)據(jù)速率	100Hz

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