文摘

背景。内表面粗糙度可以用来识别疾病生物组织。量化表面粗糙度在冠状动脉有助于开发治疗冠心病。摘要本研究主要探讨极端生理载荷对表面粗糙度的影响,例如,由于动脉破裂。方法。冠状动脉左前降枝猪(小伙子)切割体外。机械重载应用于动脉在纵向方向上模拟极端的生理负荷。表面粗糙度计算从三维重建图像。表面粗糙度测量之前和之后的损伤和化学加工脱水后组织标本。结果。单独控制标本确认脱水导致增加表面粗糙度在圆周方向上。没有指出之间的水分变化健康受损的标本,在纵向( 和 )和圆周( 和 )的方向。脱水后,发现表面粗糙度的增加损坏标本在纵向( )和圆周( )的方向。结论。机械重载应用在纵向方向上没有显著影响表面粗糙度。然而,当结合化学处理,显著增加表面粗糙度是指出在圆周和纵向方向。机械过载造成的内部成分损害动脉,脱水后明显明显的组织。

1。介绍

在健康的(小伙子)冠状动脉左前降枝,表面粗糙度最近特征(1]。表面粗糙度可以作为一个标准的发展心血管bioinspired材料设计的新型血管植入血管疾病的临床治疗。也有可能用它来评估是否发生物理或化学变化。

冠状动脉疾病是全球死亡率的主要原因2]。如童子动脉狭窄引起的冠状动脉可能导致心脏缺氧和收缩功能受损和增加心肌梗死的风险3]。小伙子冠状动脉提供了一个主要供血心肌(4]。血管成形术是一个程序用来扩大动脉阻塞;然而,过程容易发生再狭窄(狭窄的重演),由于手术造成的损害。通货膨胀的船在25 - 30%的患者可引起弹性反冲,导致血管狭窄的在6个月左右。在更极端的情况下,在24小时内会发生再狭窄的手术由于血管解剖或血栓形成(5]。

冠状动脉的力学行为特征可以通过单轴测试(6)这是一个常见的选择方法对这些动脉(4,7- - - - - -9]。猪模型通常采用因为解剖相似的人的心8]。从单轴测试结果可以用来区分健康和病变的动脉(10),通过弹性成像在临床翻译感兴趣(11]。也有临床兴趣评估机械过载的影响动脉(9),对改善冠状动脉疾病的治疗结果的影响。

合适的散装材料更换冠状动脉出现(12]。有可能复制通过新兴技术(13),包括添加剂制造材料的生物相容性(14]。30 - 40%的病人没有一个可行的替代静脉(15),新的替代策略可能是重要的。生物材料,受表面降解[16];然而,表面性质到目前为止主要是忽略了。

表面的物理性质的材料通常是量化通过他们的平均表面粗糙度, ,绝对的抽样值的算术平均长度(17]。应用程序通常与摩擦学和穿18,19),这导致了生物医学的研究阐明组织如关节软骨(20.,21]。然而最近,定量测量表面粗糙度的可行性已经建立了冠状动脉(1,22),它提供了一种从定性表面分析阶跃变化23]。现在打开链接的潜力机械过载的冠状动脉,通过定量,改变其表面 。更好的理解机械过载和表面的变化之间的联系有着潜在的影响和应用临床,包括替换策略。

本研究的目的是对童子冠状动脉造成机械损伤,模拟的初始破裂动脉和评估表面粗糙度的变化。此外,化学处理和机械载荷进行比较以确定其影响动脉的表面粗糙度,与化学治疗是常见的动脉(22]。

2。方法

2.1。标本

专为本研究没有动物牺牲。来自动物的猪心(大约6 - 12个月大)由新鲜组织供应(英国霍舍姆)。伦理批准了这项研究的伯明翰大学的研究支持组(ern_15 - 0032)。心被解冻解剖前一夜之间大约在4°C。小伙子冠状动脉是识别和分析(图1)从最远点可见的分岔的这个小伙子和冠状动脉左回旋支冠状动脉(LCX)。纵向切口(动脉)的长度是沿着小伙子样本暴露其内部表面(图2)。多余的心脏肌肉组织被撤样品离开冠状动脉组织。此外,标本成像处理后,涉及固定,有效固定生物组织的组织样本的厚度应小于2 - 3毫米(24]。最后,20毫米的样品分为三个标本。中间,这些组织样本被归类为近端和远端,在这种情况下近端指位置接近心脏的基地和远端靠近心脏的顶端,沿着纵轴的小伙子冠状动脉(图2)。维度的标本测量它的长度( ),顶部和底部宽度(和 ),和厚度( )使用游标卡尺,平均为每个维度(图3的值2)。

组织样本被包裹在纸浸泡在林格氏溶液(英国贝辛斯托克Oxoid有限公司)和存储在高温密封袋在-40°C到所需的显微镜。在进一步测试之前,组织样本解冻在4°C一个小时,后协议从先前的研究猪心脏组织(25- - - - - -28]。

2.2。组织处理

一个固定的标准协议和脱水的软哺乳动物组织之后(24]。进一步详细地描述这些方法组织处理其他地方(1,22]。短暂,标本沉浸在3%戊二醛溶液(丙烯酰胺分析Sigma-Aldrich,圣路易斯,密苏里州,美国)0.2米钠磷酸盐缓冲剂(1小时在pH值7.4)(29日]和洗用磷酸盐(PBS)的解决方案。样品仍然水分通过存储在PBS溶液(4°C到脱水)。脱水是由使用乙醇浓度的增加(费舍尔化工、费舍尔科学英国有限公司、拉夫堡、英国)为30%,50%,70%,95%, (30.]。脱水完成使用hexamethyldisilasane (HMDS;奥尔德里奇化学,圣路易斯,密苏里州,美国)31日]。

2.3。成像

非接触三维(3 d)光学聚焦显微镜变化(G4无限的焦点,Alicona英国肯特郡英国)被用来获取三维(3 d)标本在10倍放大的图像(10 x尼康CFI 60你计划Epi无穷纠正Obj镜头,Alicona英国肯特郡英国)和分析他们的表面32,33]。进一步的细节和解释其他地方提供的用于光学成像方法(1,22]。简单地说,扫描之间的最小和最大高度集中每个样本(选择飞机)和样品位置(分别对应于圆周和纵向样本方向;图2)。表面分析当前的研究在三个不同的阶段:首先,当水分健康;第二,当水分受损;第三,当受损但后脱水。

2.4。表面粗糙度

的为每个示例使用测量图像的三维重建通过Alicona如果实验测量模块(版本6.1,Alicona英国肯特郡英国)。进一步解释这个表面粗糙度测量的过程中提供了前两项研究[1,22]。后,生成一个三维点云的计算获得显微镜图像的深度(34),在整个扫描表面重建。五个概要文件长度(意思是: )测量沿和轴,这样评估纵向和压痕;排除标准为区域扫描是一致的与其他报道(1,22]。方程1和方程2(35)被用来计算表面粗糙度在圆周方向上, ,和纵向方向, ,分别在哪里概要文件的高度函数吗 , 概要文件的高度函数吗 ,和是样本长度。

标本成像之前和之后的伤害。从三维重建图像,测量和5个值的均值在纵向( )和圆周( )方向是计算;更多细节的计算提供其他地方(1,22]。此外,标本成像测量处理后涉及固定和脱水。中间的标本被用作控制在这项研究中,没有伤害。

2.5。机械测试

标本在测试使用握着砂纸(P400和P60)留下一个未拉伸仪长度( )的 (图3)。扣人心弦的方法,使用砂纸和压缩力修复顶部和底部的标本,在其他的研究中用于机械测试软、生物组织(25,36]。

复制的冠状动脉病变,通过单轴损伤是造成标本重载的标本使用Bose ElectroForce 3200在纵向方向。6个猪心( )是解剖和近端和远端样本( )抓住了测试。纵向运动的左冠状动脉被确认在0.5 - -6.5毫米的范围37,38]。因此,为了确保冠状动脉的损伤,选择10毫米的位移,在初步测试中被确定为一个位移,一些标本撕成两半,用4毫米的predisplacement加载样品。斜坡1毫米/秒的速度(每秒最终位移的10%)被选为动脉的损伤,保持生理休息心脏频率范围内但速度升高预处理。斜坡率应用于样品直到6毫米的位移达到(因此,总共标本位移,包括predisplacement 10毫米)。图3显示了单轴前后标本重载。

2.6。统计数据

最后使用一款统计软件统计软件进行数据分析(17.0一款统计软件,一款统计软件公司,州立大学,宾夕法尼亚州,美国)的表面粗糙度结果受损的标本。学生的 - - - - - -测试进行评估的意义( )零假设下的健康(标本)和冠状动脉受损(近端和远端标本)。此外,一个配对 - - - - - -测试是用来分析之前和之后的近端和远端标本损坏评估意义( )和比较(即受损前后标本处理。在水化和脱水形式)。

3所示。结果

之间的显著差异被确认和( ),与表面粗糙度在圆周方向上发现大于纵向方向(表1)。无显著差异( )被水化健康之间的表面粗糙度控制标本和 ; 和 ,分别)和水化受损的冠状动脉近端和远端小伙子(表1)。此外,表面粗糙度的成对比较水分(近端和远端)样品,之前和之后的伤害,并没有发现显著差异( ;表1)。个别标本的结果显示在图4,虽然(图后往往是更大的伤害5),发现无显著差异水化标本,即使在反常的第一个结果(图中删除4)。图像表面的水化和脱水形式的损坏和损伤标本图所示6,每个表面没有明显差别。

控制的标本有明显更大在处理( ; 相比 );然而,没有明显不同( ; 和 ),与先前的研究一致,脱水显著改变了表面粗糙度的圆周方向而不是纵向方向(22]。然而,在周向和纵向方向的脱水损坏标本,表面粗糙度也显著大于( ;表1)比水损坏的标本(图5)。

4所示。讨论

这是第一个研究来评估是否有潜在的机械过载冠状动脉之间的关系,导致失败,和他们的表面粗糙度。虽然两个先前的研究详细的表面粗糙度的测量技术,他们没有评估任何可能改变其表面粗糙度(机械过载1,22]。当前的研究最近建立的技术用于测量冠状动脉(1,22),评估是否可能有一个应用程序失败。机械过载可能影响疾病或加载由于支架的位置。

这项研究的结果发现显著增加受损的小伙子在比较化学处理时冠状动脉nonchemically组织,治疗后机械过载。这一发现与健康组织研究的结果在以前的工作只是在增加(22]。在冠状动脉外膜,纵向刚度的直接结果初始纤维排列,与胶原纤维均匀拉伸加载方向(39]。提出,造成的损害是冠状动脉的选民,而赞同他人的研究,活性胶原纤维来加载动脉(40]。这将支持在纵向方向,表面粗糙度增加,胶原蛋白可能在单轴加载条件下拉伸和变形。这是可能的,因为在显著增加处理后,沿着加载方向的单轴测试。虽然机械负荷,造成冠状动脉可能不会明显改变内皮表面,它可以影响冠状动脉造成的内部成分合成表面粗糙度的变化。然而,软结缔组织的选民可能会随着年龄的改变(41)这可以解释通过老化(心血管组织的力学性能变化25]。因此,特定的机械过载和改变表面粗糙度之间的关系可能会有所不同在老化;然而,当前研究发现的一般趋势将保持一致在不同的年龄群体。此研究表明,使用表面粗糙度的潜力评估冠状动脉损伤和疾病,为未来的应用与空间评估老化。例如,山脊以前观察到的可以被机械加载,改变方向或概要。

存储软组织的协议通过冻结用于本研究遵循标准协议使用的其他研究猪心脏组织的25,26]。冻结防止生物组织的退化,需要存储(42]。克拉克指出加劲的维管组织当比较冷冻新鲜人体主动脉瓣和二尖瓣替换手术传单和索(43]。然而,有大量的重叠结果从新鲜和冷冻标本在克拉克的结果。进一步说,其他的研究也指出,任何冻结软结缔组织的影响超出了原始测量的标准偏差(44]。动脉在以往的研究中,表面粗糙度不受冻融循环影响但表面粗糙度的校正因子是必要的纠正组织脱水时随后glutaraldehyde-based交联(22]。已知心血管组织使用戊二醛交联改变机械性能(45)这可以解释表面粗糙度的增加在当前的研究中发现。

表面粗糙度的量化属性可以组合模型通过计算模拟的冠状动脉疾病。bioinspired材料的测量可以提供一个标准的遵守,确保生理相似原生组织。这些属性是临床治疗的重要发展通过新颖的设计血管植入物(例如,支架和移植)和组织工程替代4]。这种研究还概述了表面粗糙度的“生理”范围,而不是可能是机械的表面粗糙度表面受损。这些测量,因此,应考虑在代bioinspired装置被放置在动脉内皮表面。

重要的是要考虑生物材料的生理负荷条件设计的复制的冠状动脉。损坏可能是由于单轴机械重载,可以发现随着表面粗糙度的增加沿轴加载。然而,化学处理,特别是脱水,导致显著增加表面粗糙度在圆周方向。在其他的研究中,表面粗糙度的变化表示不同生物组织由于疾病(23,46]。因此,一个有效的假设是冠状动脉疾病,可导致损伤内皮表面通过动脉粥样硬化病变的形成,例如,也会导致表面粗糙度的变化。

未来的工作应该考察机械伤害在圆周方向上的增加 ,的被发现在纵向方向。此外,合并后的侮辱的内皮表面化学处理和机械损伤可能包含进一步的见解来评估冠状动脉改变在疾病。我们当前研究的一个限制是使用猪动脉。猪动脉被认为是比人类动脉可扩展的,这可能会导致保守的估计墙损伤(9]。因此,更大的机械损伤可能在人类动脉可见每给定负载对表面粗糙度的影响大于确定在本研究中。然而,应该注意的是,大多数研究在人类冠状动脉使用老捐助者或病人的样本。例如,在上述研究Van Andel et al。9),人类被试的年龄的动脉得到范围从61到85岁的时候,一个限制本身给老化的影响在软结缔组织胶原蛋白(41]。此外,最近的一项研究证明了可行性客观地确定一个转折点在机械负荷的冠状动脉6];这部小说提出了当前研究开放的可能性评估冠状动脉的表面粗糙度变化之前/之后这样的过渡。

5。结论

总之,化学处理对表面粗糙度的影响超过了指定范围内的机械损伤测试。机械测试就不会大幅改变表面粗糙度。独立、化学处理不影响表面粗糙度在纵向方向上(未损坏的 和受损 )。在纵向方向,造成机械损伤时损伤是造成冠状动脉的成分和显著增加后指出,化学处理( ),但不受影响。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

信息披露

最初发现这项工作首先传播通过抽象/在第八届世界大会的生物力学(爱尔兰都柏林),2018年7月。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

来是由工程和物理科学研究委员会奖学金(M114612B)。在这项研究中使用的材料和测试设备是由一个英国关节炎研究格兰特(H0671)。这项研究部分由一个创新研究奖物理学研究所的医学和工程学。