健康衰老调节心脏组织的性质和功能

我们的身体随着年龄的增长而变化，心脏组织也不例外。随着这些变化，肺动脉高压等疾病的风险也会增加。研究心脏组织结构和机械性能的变化可能有助于确定这些与年龄有关的疾病的原因并预防它们。

匹兹堡大学的Mark Simon教授的小组正在研究这项具有挑战性的研究，他们的计划是将血流动力学测量与双轴力学测试数据和定量组织学相关联。我们还在研究从实验数据得出的本构模型。

有趣的是，最近的研究发现与年龄相关的组织重塑和压力负荷重塑之间存在相似之处。

他们在这项研究中使用CellScale BioTester来测量几种伸长率下的组织特性。

生物力学表征

在形态学测量之后，从RVFW中收获具有圆周纵向方向的方形试样（图1）进行双轴力学测试（n控制= 6， n老化= 6）。将标本安装在BioTester测试设备（CellScale，滑铁卢，安大略省，加拿大）上，使用缝合线和滑轮机构进行最小的剪切载荷（28）。然后将样品浸没在含有2，3-丁二酮一肟和氧气的改良克雷布斯溶液中，以确保组织活力（27）。我们之前的工作（19）表明，这种培养基浴可以通过被动扩散有效地保持组织活力长达90分钟。本研究中的所有测量均在收获心脏后45-80分钟内完成。

RVFW力学性能采用多协议位移控制的双轴载荷情景（1：1、1：2、2：1、1：4、4：1、1：6和6：1位移比）进行了表征。先前的工作已经证明，该加载协议可以有效地捕获各种可能的应变（18，27，29）下的双轴RVFW特性，为本构模型的参数表征生成足够的数据。在开始数据采集之前，每个样品都经过 15 个 1：1 位移控制预处理周期。将四个视觉跟踪标记放置在RVFW标本的心外膜表面上，并通过标准技术（27，29，30）对标记位移（使用CCD相机记录）进行后处理，以获得变形梯度张量（F），使用四节点有限元近似（31）。然后，格林-拉格朗日应变张量（E）的分量计算为 $� = \frac{1}{2} (�^{�} � - 我)$ ，其中 I 是恒等张量。使用双轴力测量和初始试样尺寸，通过计算参考配置中变形构型中横截面积上的力比，获得第一皮奥拉-基尔霍夫应力张量（P）。然后将第二个皮奥拉-基尔霍夫应力张量（S）评估为 S = F−1P. 应力-应变数据在平面应力近似下进行后处理，使用 Mathcad 中的有限变形分析框架（PTC，Needham，MA）。

使用先前建立的技术（19，32），通过MATLAB中的双谐波样条插值从获取的多协议位移控制实验数据中插值RVFW试样的等双轴应变控制响应（补充图2）。如前所述，等双轴应变控制响应伴随着的组织运动学，没有纤维旋转（33），因此可用于从组织水平测量估计纤维级机械性能，与纤维取向和张开（无关19，21，32）。有效纤维集合（EFE）应力，代表组合胶原和肌纤维束的纤维水平响应，然后从组织水平测量估计为（19，32）：

\begin{array}{l} S_{埃菲} = {(S_{11})}_{等双轴} + {(S_{22})}_{等双轴} & (2) \end{array}

在这里，S埃菲表示组合胶原-肌纤维束的EFE应力，并且（S11）等双轴和（S22）等双轴分别是等双轴应变下圆周和纵向下插值的双轴组织水平第二皮奥拉-基尔霍夫应力。我们假设EFE应力 - 应变反应的初始近线性，低应变部分主要由肌纤维主导，而胶原纤维主导募集后的高应变反应（2，18）（补充图34）。为了对胶原蛋白募集前后的数据进行分类，根据EFE菌株（E埃菲），以评估 EFE 刚度的变化（ $T M_{埃菲} = \frac{� S_{埃菲}}{� E_{埃菲}}$ ;其中 TM埃菲是 EFE 刚度）。对于两组的标本，我们观察到一个相对恒定的刚度区域（相对线性的应力 - 应变行为，以肌纤维为主），然后开始胶原蛋白募集和EFE刚度突然增加（补充图4）。胶原纤维开始募集的应变被定义为与之前的刚度趋势相比，EFE 刚度显着升高的点。这被量化为TM埃菲（EFE 刚度）在 TM 分布的 Z = 4.417 置信区间之外显著升高埃菲在此之前的测量。选择Z值4.417（99.999%置信区间）作为对检测到的刚度增加的最大置信度的阈值，避免由于数据采集噪声导致的低应变数据的潜在波动而导致胶原蛋白募集应变的错误检测。EFE 刚度-应变图第 n + 1 点处的 EFE 应变（补充图 4）定义为胶原募集应变，如果：

\begin{array}{l} {({唰唰��}_{埃菲})}_{n + 1} > \frac{1}{n} \sum_{1}^{n} {({唰唰��}_{埃菲})}_{n} \\ + 4.417 * \frac{\sqrt{\frac{\sum_{1}^{n} {[{({唰唰��}_{埃菲})}_{n} - \frac{1}{n} \sum_{1}^{n} {({唰唰��}_{埃菲})}_{n}]}^{2}}{n - 1}}}{\sqrt{n}} & (3) \end{array}

在这里，（TM埃菲)N+1是 EFE 刚度-应变数据的第 n + 1 点处的 EFE 刚度（补充图 4）。不等式的右侧代表 TM 的上限埃菲基于 TM 的置信区间埃菲数据高达 n千点。胶原蛋白募集的开始被定义为满足等式3中的不等式的第一个点。然后将胶原蛋白募集前的EFE应力 - 应变数据用于肌纤维刚度估计，使用混合规则方法（18，19，35）：

\begin{array}{l} {(T M_{埃菲})}_{胶原蛋白募集前} = φ_{肌纤维} T M_{肌纤维} \\ + φ_{胶原} T M_{胶原} & (4) \end{array}

其中（TM埃菲）胶原蛋白募集前是拟合到 EFE 应力-应变曲线初始低应变部分的直线斜率（补充图 5），φ肌纤维和φ胶原代表 RVFW 标本中的肌纤维和胶原面积分数（组织含量测量;从组织学测量中获得）和 TM肌纤维和 TM胶原分别是有效的肌纤维和胶原硬度。假设应力-应变数据的初始部分以肌纤维为主（最小胶原蛋白募集，TM胶原= 0），每个试样的有效肌纤维刚度估计为：

\begin{array}{l} T M_{肌纤维} = \frac{{(T M_{埃菲})}_{胶原蛋白募集前}}{φ_{肌纤维}} & (5) \end{array}

此外，还使用非线性各向异性本构模型（36）对每个队列中RVFW标本的反应进行建模：

\begin{array}{l} W = B_{0} (e^{\frac{1}{2} b_{1} E_{11}^{2}} + e^{\frac{1}{2} b_{2} E_{22}^{2}} + e^{b_{3} E_{11} E_{22}} - 3) & (6) \end{array}

这里，W是应变能密度，E11和 E22，分别代表圆周和纵向（顶点到基底）格林-拉格朗日菌株，B0是比例因子，b1- C2和 b3分别是RVFW的圆周、纵向和面内耦合刚度的指标（19）。通过微分方程2相对于格林-拉格朗日应变得到第二个皮奥拉-基尔霍夫应力分量：

\begin{array}{l} {(S_{11})}_{型 - 预测} = \frac{\partial W}{\partial E_{11}} = B_{0} (b_{1} E_{11} e^{\frac{1}{2} b_{1} E_{11}^{2}} + b_{3} E_{22} e^{b_{3} E_{11} E_{22}}) \\ {(S_{22})}_{型 - 预测} = \frac{\partial W}{\partial E_{22}} = B_{0} (b_{2} E_{22} e^{\frac{1}{2} b_{2} E_{22}^{2}} + b_{3} E_{11} e^{b_{3} E_{11} E_{22}}) & (7) \end{array}

其中（S11)模型-预测和（S22)模型-预测分别是圆周和纵向的模型预测应力分量。使用公式7和获取的多协议实验应力-应变数据，使用MATLAB中的信任区域反射非线性最小二乘优化算法估计每个样品的模型参数，以最小化模型预测数据和实验获取数据之间的差异。阿·2测量用于评估拟合优度。然后，通过取每个队列中试样的圆周-纵向应变空间中所有应变能分布的平均值，生成低应变和高应变区域中的队列特定应变能图，从而促进在各种载荷场景中对RVFW生物力学特性进行基于模型的整体评估。

RVFW生物力学特性

老化对RVFW双轴性能产生了双峰效应，在较低应变下导致圆周和纵向刚度增加，而在较高应变下则发展为双轴刚度降低（图3A）。对RVFW胶原-肌纤维束组合的EFE（有效纤维集合）应力-应变特性也观察到了类似的影响（图3B）。使用混合规则方法，这转化为有效肌纤维刚度的增加（图 3C; 老化与对照组为 159.5 ± 23.6 ± 66.2 kPa;p = 5.2），而对胶原蛋白募集菌株没有观察到显着影响（图0D; 衰老与对照组为003.3 ± 11.9%±0.7%;p = 10.4）。每组的样本特定本构模型参数如补充表0所示。总体而言，所采用的模型显示出可接受的拟合质量（R2）到我们的实验数据（R2= 0.95 ± 0.01 和 0.96 ±老化和控制分别为 0.01）。图3E，F显示了低应变和高应变区域每个队列的年龄特定应变能图，代表了所有模型参数的综合效应。

图3

图3.健康老龄化对（A）右心室心肌双轴力学性能的影响，（B）胶原-肌纤维束组合的有效纤维系综（EFE）力学性能，（C）有效肌纤维刚度，（D）胶原蛋白募集应变，（E）RVFW在低应变区域（圆周-纵向应变空间）的应变能图，以及（F ） RVFW在高应变区域的应变能图。健康老化以双峰方式调节RVFW的生物力学特性，在较低应变下导致圆周和纵向刚度增加，而在较高应变下则发展为双轴刚度降低。随着健康衰老，观察到明显的肌纤维硬化。与低应变区域的对照组相比，老化队列中的试样在等效变形水平下表现出更高水平的应变能（表明RVFW刚度），而在高应变区域显示出较低的应变能（表明RVFW更顺应）。误差线表示平均值（SEM）的标准误差。表示 p < 0.05。右心室，右心室;RVFW，右心室游离壁;第二P-K应力，第二皮奥拉-基尔霍夫应力;圆周，圆周;长，纵向;EFE 第二 P-K 应力，有效纤维集合第二皮奥拉-基尔霍夫应力。*

BioTester

专为生物材料而打造的一套设备齐全的双轴测试系统

由于其定向取向的微观结构，双轴测试对于理解生物材料的机械性能而言是至关重要的。BioTester系统的设计使双轴测试变得简单，使用户可以专注于结果而不是测试本身。BioTester生物双轴测试BioTester生物双轴测试

主要优势

4个高性能的执行机构，带有直列加载传感器
使用基于图像应变测量工具的高分辨率CCD成像
包括BioRakes在内的多种附着选项，可快速可靠地安装样品
集成温控介质浴
功能齐全的用户界面软件，可进行实时反馈的简单、循环、松弛和多模式测试

试样和安装

BioRake样品安装系统使用了CellScale技术的附着软组织和生物材料的方法。

每根尖齿都经过电化学锐化，可以轻松刺穿最硬和最脆弱的组织样本。每套都地连接到一个共同的基座，可以同时刺穿所有20个连接点。磁力安装的BioRakes便于清洁或更换，可以实现BioRake、平衡滑轮和夹具安装系统之间的轻松转换。

进行测试时，使用手动升降机构将样本定位并升高到位，并施加压力以将钩子插入组织中。样品因此可以在几秒钟内安装好并做好分析准备。安装一气呵成、准确易操作。

BioRakes的齿间距从0.7毫米到2.2毫米不等，以适应从3到15毫米大小的标本。

平衡滑轮样品安装系统提供了CellScale在双轴测试过程中确保零剪切应力的附着方法。

两个双端定制缝合钩被用来在样品的每一侧上创建4个附着点。两级不锈钢滑轮机构确保在测试过程中每根缝线保持相同的张力。

滑轮机构采用磁性安装方式，便于拆卸清洁，并使BioRake、平衡滑轮和夹具安装系统之间轻松过渡。

夹具样品安装系统提供了CellScale失败测试的附着方法。

使用十字形试样可以让比基础材料更弱的附着位置远离试样的测量区域移动。夹具让样品可以很容易地加载并且牢固地就位。

不锈钢夹紧机构安装在与其他附着系统相同的支架上，以便在BioRake、平衡滑轮和夹具安装系统之间快速简单的转换。

还可以进行定制夹具设计，以适应您的组织对夹紧力和夹紧表面的要求。

软件

BioTester的设置、操作和数据收集软件模块让标准或定制测试规程的执行变得容易。

测试参数（如位移量、持续时间和数据/图像采集速率）以表格格式，以便快速访问和修改。位移和受力测试都可以针对每个轴独立。一旦建立了协议，就可以使用模板系统快速重新加载所需的测试参数。

软件界面在测试设置期间向用户提供实时成像和当前的力、位置和温度的信息。在测试运行时，软件提供实时结果图形和实时视频馈送，以方便用户监视测试进度。BioTester弹性模量力学试验机

如果询问使用我们设备的用户，他们会很快告诉您这个软件包是多么的直观和有用。

双轴测试的很大一部分是理解和解释收集到的数据。

BioTester包含一个图像分析软件模块，可用于查看和分析测试图像，提供有价值的定量和定性信息。该模块可以用来导出用于演示目的.avi视频或带有数据叠加层的图像。

BioTester包含一个高分辨率的相机，在测试过程中可以很好地观察样品。所收集的图像（按用户输入的频率）自动和力位移数据进行时间关联，以便软件模块可以将所有的测试信息供用户选用。

软件模块的图像跟踪功能可以快速轻松地分析测试图像，以确定样本表面上一个或多个点的平面内运动。这个跟踪信息提供了直接的标本应变测量，而不依靠由夹点运动计算的应变。通过追踪多点组成的网格，可以研究样品不同区域的应变。

视频

Chung-Hao Lee教授 (Oklahoma) 关于瓣膜

BioTester图像跟踪示例

丹佛大学心脏组织测试

KU Leuven的心血管组织测试

内布拉斯加大学的动脉壁测试

在滑铁卢大学进行腰椎间盘组织测试

BioTester 演示

用缝线进行BioTester测试

技术信息

外形尺寸	60 X 60 X 80cm
重量	18kg
力的大小	23N
可用的加载传感器	0.5, 1.5, 2.5, 5, 10, 23N
力的准确性	加载传感器容量0.2%
最大夹点分离	80mm
最大速度	10mm/s
最大循环频率	2Hz
最大数据速率	100Hz

Drag to spin

CellScale的生物测试仪双轴轴同时延伸测试仪