健康衰老調節心臟組織的性質和功能
我們的身體隨著年齡的增長而變化，心臟組織也不例外。 隨著這些變化，肺動脈高壓等疾病的風險也會增加。 研究心臟組織結構和機械性能的變化可能有助于確定這些與年齡有關的疾病的原因并預防它們。
匹茲堡大學的Mark Simon教授的小組正在研究這項具有挑戰性的研究，他們的計劃是將血流動力學測量與雙軸力學測試數據和定量組織學相關聯。 我們還在研究從實驗數據得出的本構模型。
有趣的是，最近的研究發現與年齡相關的組織重塑和壓力負荷重塑之間存在相似之處。
他們在這項研究中使用CellScale BioTester來測量幾種伸長率下的組織特性。
在形態學測量之后，從RVFW中收獲具有圓周縱向方向的方形試樣（圖1）進行雙軸力學測試（n控制= 6， n老化= 6）。將標本安裝在BioTester測試設備（CellScale，滑鐵盧，安大略省，加拿大）上，使用縫合線和滑輪機構進行最小的剪切載荷（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，這種培養基浴可以通過被動擴散有效地保持組織活力長達90分鐘。本研究中的所有測量均在收獲心臟后45-80分鐘內完成。
RVFW力學性能采用多協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）進行了表征。先前的工作已經證明，該加載協議可以有效地捕獲各種可能的應變（18，27，29）下的雙軸RVFW特性，為本構模型的參數表征生成足夠的數據。在開始數據采集之前，每個樣品都經過 15 個 1：1 位移控制預處理周期。將四個視覺跟蹤標記放置在RVFW標本的心外膜表面上，并通過標準技術（27，29，30）對標記位移（使用CCD相機記錄）進行后處理，以獲得變形梯度張量（F），使用四節點有限元近似（31）。然后，格林-拉格朗日應變張量（E）的分量計算為，其中 I 是恒等張量。使用雙軸力測量和初始試樣尺寸，通過計算參考配置中變形構型中橫截面積上的力比，獲得第一皮奧拉-基爾霍夫應力張量（P）。然后將第二個皮奧拉-基爾霍夫應力張量 （S） 評估為 S = F?1P. 應力-應變數據在平面應力近似下進行后處理，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（19，32），通過MATLAB中的雙諧波樣條插值從獲取的多協議位移控制實驗數據中插值RVFW試樣的等雙軸應變控制響應（補充圖2）。如前所述，等雙軸應變控制響應伴隨著的組織運動學，沒有纖維旋轉（33），因此可用于從組織水平測量估計纖維級機械性能，與纖維取向和張開（無關19，21，32）。有效纖維集合（EFE）應力，代表組合膠原和肌纖維束的纖維水平響應，然后從組織水平測量估計為（19，32）：
在這里，S埃菲表示組合膠原-肌纖維束的EFE應力，并且（S11）等雙軸和 （S22）等雙軸分別是等雙軸應變下圓周和縱向下插值的雙軸組織水平第二皮奧拉-基爾霍夫應力。我們假設EFE應力 - 應變反應的初始近線性，低應變部分主要由肌纖維主導，而膠原纖維主導募集后的高應變反應（2，18）（補充圖34）。為了對膠原蛋白募集前后的數據進行分類，根據EFE菌株（E埃菲），以評估 EFE 剛度的變化 （;其中 TM埃菲是 EFE 剛度）。對于兩組的標本，我們觀察到一個相對恒定的剛度區域（相對線性的應力 - 應變行為，以肌纖維為主），然后開始膠原蛋白募集和EFE剛度突然增加（補充圖4）。膠原纖維開始募集的應變被定義為與之前的剛度趨勢相比，EFE 剛度顯著升高的點。這被量化為TM埃菲（EFE 剛度）在 TM 分布的 Z = 4.417 置信區間之外顯著升高埃菲在此之前的測量。選擇Z值4.417（99.999%置信區間）作為對檢測到的剛度增加的最大置信度的閾值，避免由于數據采集噪聲導致的低應變數據的潛在波動而導致膠原蛋白募集應變的錯誤檢測。EFE 剛度-應變圖第 n + 1 點處的 EFE 應變（補充圖 4）定義為膠原募集應變，如果：
在這里，（TM埃菲)N+1是 EFE 剛度-應變數據的第 n + 1 點處的 EFE 剛度（補充圖 4）。不等式的右側代表 TM 的上限埃菲基于 TM 的置信區間埃菲數據高達 n千點。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點。然后將膠原蛋白募集前的EFE應力 - 應變數據用于肌纖維剛度估計，使用混合規則方法（18，19，35）：
其中（TM埃菲）膠原蛋白募集前是擬合到 EFE 應力-應變曲線初始低應變部分的直線斜率（補充圖 5），φ肌纖維和φ膠原代表 RVFW 標本中的肌纖維和膠原面積分數（組織含量測量;從組織學測量中獲得）和 TM肌纖維和 TM膠原分別是有效的肌纖維和膠原硬度。假設應力-應變數據的初始部分以肌纖維為主（最小膠原蛋白募集，TM膠原= 0），每個試樣的有效肌纖維剛度估計為：
此外，還使用非線性各向異性本構模型（36）對每個隊列中RVFW標本的反應進行建模：
這里，W是應變能密度，E11和 E22，分別代表圓周和縱向（頂點到基底）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、縱向和面內耦合剛度的指標（19）。通過微分方程2相對于格林-拉格朗日應變得到第二個皮奧拉-基爾霍夫應力分量：
其中 （S11)模型-預測和 （S22)模型-預測分別是圓周和縱向的模型預測應力分量。使用公式7和獲取的多協議實驗應力-應變數據，使用MATLAB中的信任區域反射非線性最小二乘優化算法估計每個樣品的模型參數，以最小化模型預測數據和實驗獲取數據之間的差異。阿·2測量用于評估擬合優度。然后，通過取每個隊列中試樣的圓周-縱向應變空間中所有應變能分布的平均值，生成低應變和高應變區域中的隊列特定應變能圖，從而促進在各種載荷場景中對RVFW生物力學特性進行基于模型的整體評估。
老化對RVFW雙軸性能產生了雙峰效應，在較低應變下導致圓周和縱向剛度增加，而在較高應變下則發展為雙軸剛度降低（圖3A）。對RVFW膠原-肌纖維束組合的EFE（有效纖維集合）應力-應變特性也觀察到了類似的影響（圖3B）。使用混合規則方法，這轉化為有效肌纖維剛度的增加（圖 3C; 老化與對照組為 159.5 ± 23.6 ± 66.2 kPa;p = 5.2），而對膠原蛋白募集菌株沒有觀察到顯著影響（圖0D; 衰老與對照組為003.3 ± 11.9%±0.7%;p = 10.4）。每組的樣本特定本構模型參數如補充表0所示。總體而言，所采用的模型顯示出可接受的擬合質量（R2）到我們的實驗數據（R2= 0.95 ± 0.01 和 0.96 ±老化和控制分別為 0.01）。圖3E，F顯示了低應變和高應變區域每個隊列的年齡特定應變能圖，代表了所有模型參數的綜合效應。
圖3.健康老齡化對（A）右心室心肌雙軸力學性能的影響，（B）膠原-肌纖維束組合的有效纖維系綜（EFE）力學性能，（C）有效肌纖維剛度，（D）膠原蛋白募集應變，（E）RVFW在低應變區域（圓周-縱向應變空間）的應變能圖，以及 （F ） RVFW在高應變區域的應變能圖。健康老化以雙峰方式調節RVFW的生物力學特性，在較低應變下導致圓周和縱向剛度增加，而在較高應變下則發展為雙軸剛度降低。隨著健康衰老，觀察到明顯的肌纖維硬化。與低應變區域的對照組相比，老化隊列中的試樣在等效變形水平下表現出更高水平的應變能（表明RVFW剛度），而在高應變區域顯示出較低的應變能（表明RVFW更順應）。誤差線表示平均值 （SEM） 的標準誤差。表示 p < 0.05。右心室，右心室;RVFW，右心室游離壁;第二P-K應力，第二皮奧拉-基爾霍夫應力;圓周，圓周;長，縱向;EFE 第二 P-K 應力，有效纖維集合第二皮奧拉-基爾霍夫應力。*
由于其定向取向的微觀結構，雙軸測試對于理解生物材料的機械性能而言是至關重要的。BioTester系統的設計使雙軸測試變得簡單，使用戶可以專注于結果而不是測試本身。BioTester生物雙軸測試BioTester生物雙軸測試
4個高性能的執行機構，帶有直列加載傳感器
使用基于圖像應變測量工具的高分辨率CCD成像
包括BioRakes在內的多種附著選項，可快速可靠地安裝樣品
集成溫控介質浴
功能齊全的用戶界面軟件，可進行實時反饋的簡單、循環、松弛和多模式測試
BioRake樣品安裝系統使用了CellScale技術的附著軟組織和生物材料的方法。
每根尖齒都經過電化學銳化，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共同的基座，可以同時刺穿所有20個連接點。磁力安裝的BioRakes便于清潔或更換，可以實現BioRake、平衡滑輪和夾具安裝系統之間的輕松轉換。
進行測試時，使用手動升降機構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安裝好并做好分析準備。安裝一氣呵成、準確易操作。
BioRakes的齒間距從0.7毫米到2.2毫米不等，以適應從3到15毫米大小的標本。
兩個雙端定制縫合鉤被用來在樣品的每一側上創建4個附著點。兩級不銹鋼滑輪機構確保在測試過程中每根縫線保持相同的張力。
滑輪機構采用磁性安裝方式，便于拆卸清潔，并使BioRake、平衡滑輪和夾具安裝系統之間輕松過渡。
使用十字形試樣可以讓比基礎材料更弱的附著位置遠離試樣的測量區域移動。夾具讓樣品可以很容易地加載并且牢固地就位。
不銹鋼夾緊機構安裝在與其他附著系統相同的支架上，以便在BioRake、平衡滑輪和夾具安裝系統之間快速簡單的轉換。
還可以進行定制夾具設計，以適應您的組織對夾緊力和夾緊表面的要求。
測試參數（如位移量、持續時間和數據/圖像采集速率）以表格格式，以便快速訪問和修改。位移和受力測試都可以針對每個軸獨立。一旦建立了協議，就可以使用模板系統快速重新加載所需的測試參數。
軟件界面在測試設置期間向用戶提供實時成像和當前的力、位置和溫度的信息。在測試運行時，軟件提供實時結果圖形和實時視頻饋送，以方便用戶監視測試進度。BioTester彈性模量力學試驗機
如果詢問使用我們設備的用戶，他們會很快告訴您這個軟件包是多么的直觀和有用。
BioTester包含一個圖像分析軟件模塊，可用于查看和分析測試圖像，提供有價值的定量和定性信息。該模塊可以用來導出用于演示目的.avi視頻或帶有數據疊加層的圖像。
BioTester包含一個高分辨率的相機，在測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）自動和力位移數據進行時間關聯，以便軟件模塊可以將所有的測試信息供用戶選用。
軟件模塊的圖像跟蹤功能可以快速輕松地分析測試圖像，以確定樣本表面上一個或多個點的平面內運動。這個跟蹤信息提供了直接的標本應變測量，而不依靠由夾點運動計算的應變。通過追蹤多點組成的網格，可以研究樣品不同區域的應變。
Chung-Hao Lee教授 (Oklahoma) 關于瓣膜
BioTester圖像跟蹤示例
丹佛大學心臟組織測試
KU Leuven的心血管組織測試
內布拉斯加大學的動脈壁測試
在滑鐵盧大學進行腰椎間盤組織測試
BioTester 演示
用縫線進行BioTester測試
| 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 |
| 力的準確性 | 加載傳感器容量0.2% |
| 最大夾點分離 | 80mm |
| 最大速度 | 10mm/s |
| 最大循環頻率 | 2Hz |
| 最大數據速率 | 100Hz |
