The authors would like to recognize the Center for Advanced Vehicular Systems (CAVS) and the Agricultural and Biological Engineering Department at Mississippi State University for supporting this work. This material is based upon work supported by the U.S. Army TACOM Life Cycle Command under Contract No. W56HZV-08-C-0236, through a subcontract with Mississippi State University, and was performed for the Simulation Based Reliability and Safety (SimBRS) research program. Also, this material is based upon work supported by the National Nuclear Security Administration, (Department of Energy) under award number [DE-FC26-06NT42755]. Finally, the authors would like to thank Mr. David Adams, Mr. Michael McCollum and Ms. Erin Colebeck for their effort in this research.

NOTA: Etica Dichiarazione: Il lavoro in corso è unico per la politica di ricerca dell&#39;istituzione, e segue rigorosamente l&#39;appropriato biosicurezza e l&#39;Ufficio della conformità normativa (ORC) le linee guida. Appalti 1. Biomaterial campioni <ol><li> Indossare dispositivi di protezione individuale in accordo con i protocolli standard di biosicurezza di laboratorio e / o istituzione. Indossare scarpe chiuse a punta, pantaloni lunghi, un camice da laboratorio, guanti chirurgici, una maschera protettiva e occhiali di sicurezza durante la manipolazione del tessuto suino e test. </li><li> Ottenere tessuto suino (testa, addome, o zampa posteriore) di suini sani da un mattatoio locale in 1-2 ore post mortem. </li><li> Conservare tessuto suino in sacchi di sicurezza biologica e poi metterli in un contenitore ghiacciato (~ 5,56-7,22 ° C). NOTA: utilizzare un termometro per controllare che la temperatura nel campione suina non scende sotto 7.22 ° C. </li><li> Trasporto tessuto suino al laboratorio più vicino(Presso la Facolta &#39;di Medicina Veterinaria in Mississippi State University) per la dissezione. </li><li> Sotto la supervisione di un veterinario nel Collegio di Medicina Veterinaria, chirurgicamente estrarre organo suini (cervello, fegato, muscoli, grasso, o tendine) e metterli in contenitori riempiti con tampone fosfato salino (PBS) per lo stoccaggio temporaneo (pH 7,4). </li><li> Conservare i contenitori PBS in un radiatore freddo (~ 5,56-7,22 ° C), e subito il loro trasporto al centro di testing per la preparazione del campione e il test SHPB. </li></ol> 2. Biomaterial Preparazione del campione <ol><li> Rimuovere l&#39;organo suina dal contenitore PBS e posizionarlo su una superficie sterile. </li><li> NOTA: identificare l&#39;orientamento fibra primaria e le posizioni per ogni campione. Utilizzare un dado cilindrico con un diametro interno 30 mm a sezionare il campione dall&#39;organo suina. </li><li> Se il campione di prova si incunea all&#39;interno dello stampo cilindrico, iniettare PBS attraverso l&#39;estremità opposta della dissezionestrumento per consentire al campione di scivolare fuori intatto. Porre il campione estratto in una zona separata della superficie sterile. </li><li> Utilizzare un bisturi per tagliare il campione per il rapporto di spessore e l&#39;aspetto prescritto. NOTA: Per il test SHPB di campioni suina, lo spessore è di 10-15 mm, mentre il rapporto di aspetto (spessore / diametro) è 0,33-0,50 (Figura 2). </li><li> Utilizzare pinze per misurare lo spessore ed il diametro in tre luoghi diversi. </li><li> Conservare tutti i campioni di prova in PBS fresco fino a quando il dispositivo SHPB è pronto per il test. NOTA: Assicurarsi che i campioni sono testati entro 4 ore dopo la macellazione. </li><li> Scartare campioni che non sono cilindriche a causa di incisione errori o variazioni nella sezione trasversale. Mettere i campioni scartati in sacchetti di sicurezza biologica. Ripetere i passaggi 2,2-2,6 per ottenere i campioni di test supplementari. </li></ol> 3. Split-Hopkinson Prova di pressione Bar <ol><li> Posizionare la barra attaccante, bar incidente, e il bar trasmesso nella mcandelieri etal per il test SHPB. NOTA: Assicurarsi che le barre siano liberi di muoversi al tatto e che le loro interfacce siano allineati tra loro. Fornire un tappo per bar trasmessa per la sicurezza. </li><li> Collegare gli estensimetri aderito a incidenti e barre trasmesse al amplificatore di segnale. Attivare il segnale di condizionamento amplificatori e il computer del modulo DAQ. </li><li> Inizializzare il software di acquisizione dati ad alta velocità. </li><li> Verificare la cattura in tempo reale dei segnali, per vedere se essi si trovano nel range di normalità, e annullare i segnali di rumore facendo clic sull&#39;icona zero. </li><li> Inserire il livello di trigger e la velocità dei dati (2 MHz). </li><li> Inizializzare il software per registrare una volta che il livello di trigger è stato raggiunto. </li><li> Caricare la barra attaccante adiacente alla camera di pressione. Riempire la camera di pressione ad una pressione desiderata. NOTA: L&#39;intervallo tipico di pressione è 5-25 psi. </li><li> Zero il misuratore di velocità laser premendo il tasto zero e impostare per leggere le ba attaccantevelocità r impostando la striscia catarifrangente sulla barra attaccante dietro i sensori laser. </li><li> Posizionare la camera del campione di confinamento tale da non ostacolare il movimento di incidente e bar riflessa. Posizionare la barra incidente in contatto con la barra trasmessa. </li><li> Per la calibrazione, eseguire un test (in assenza del campione) attivando grilletto per la camera di pressione sulla barra attaccante. </li><li> Una volta che i dati vengono acquisiti nel computer, salvare e analizzare i dati estensimetri SHPB (di cui si parla nella sezione successiva) per garantire che la procedura di verifica sta funzionando correttamente. </li><li> Mettere il campione cilindrico tra l&#39;incidente e la barra trasmessi e quindi chiudere la camera del campione parto. NOTA: Assicurarsi che non pre-condizionamento viene eseguita sul campione. </li><li> Eseguire attività di 3,4-3,7 con il campione posizionato tra l&#39;incidente e la barra trasmessa. NOTA: Assicurarsi che la linea centrale del campione è lo stesso come il bar centrale. Prima LAVORIng, controllare anche che il campione non è compresso, ma rimane nella stessa geometria precedentemente estratto. </li><li> Dopo la prova è completa, uso sanitario monouso salviette per rimuovere i detriti campione dalla barra incidente, bar trasmessa, e la camera di confinamento del campione. Smaltire tutti i detriti e salviette in sacchetti di sicurezza rischio biologico. </li><li> Sterilizzare il bar e campione reclusione da camera con una soluzione di etanolo al 70% di pulizia e salviette sanitarie. </li></ol> 4. SHPB dati post-processing <ol><li> Aprire il &quot;MSU High Rate Software da 19&quot; per l&#39;analisi delle onde Hopkinson Bar. </li><li> Iniziare il software esaminando la finestra Impostazioni e scegliendo l&#39;opzione &quot;a trazione / compressione&quot; della scheda Modalità per il test uniassiale. Inoltre, selezionare &quot;2 calibri&quot; nella scheda Gages e fare clic su &quot;Continua&quot;. </li><li> Nella finestra principale, selezionare Apri file 1 Tab, e passare ai dati onda incidente dal record estensimetri sulla incident bar. Selezionare la scheda Apri File 2 per l&#39;importazione della barra trasmessa estensimetri record. </li><li> Selezionare la scheda Parametri nella finestra principale e immettere i parametri fisici del configurazione di prova, tra cui: dimensioni delle barre, la tensione per la tensione fattori, posizioni estensimetri, e le costanti di dispersione viscoelastico. Fare clic su &quot;Continua&quot;. </li><li> Selezionare quindi la Scheda Selezione dei dati nella finestra principale e utilizzare le barre del cursore per ridurre il set di dati di solo la quantità di dati contenenti l&#39;incidente, riflessa e trasmessa onde. Fare clic su &quot;Continua&quot;. </li><li> Quindi selezionare la scheda Select Waves nella finestra principale e utilizzare le barre del cursore per limitare l&#39;onda incidente nell&#39;incidente onda Graph, l&#39;onda riflessa nel riflessa onda grafico, e l&#39;onda trasmessa nella Trasmesso onda Graph. Fare clic su &quot;Continua&quot;. </li><li> Dopo di che, selezionare la corretta scheda nella finestra principale per consentire al software di correggere la dispersione viscoelastico 20-21. </li><li> Now selezionare l&#39;Spostamento separatore nella finestra principale. In onda grafico, utilizzare il cursore per trascinare l&#39;incidente, riflessa e trasmessa onde nella stessa posizione di partenza in tempo selezionando singolarmente nel Wave Select Tab. Guarda tutte le onde in Dati grafico. Una volta completato, fare clic su &quot;Continua&quot;. </li><li> Nel file dei risultati, salvare il carico, lo spostamento, la posizione e la velocità, i profili cliccando su &quot;Salva con nome&quot;. </li><li> Utilizzare metodi convenzionali in Microsoft Excel (o qualsiasi altro software foglio elettronico) per calcolare vero sforzo e deformazione reale utilizzando le dimensioni del provino misurato prima della prova Hopkinson Bar. </li></ol> Modellazione 5. SHPB agli elementi finiti <ol><li> Utilizzando il software commerciale ad elementi finiti (FE), creare un modello FE del setup SHPB. NOTA: Utilizzare le stesse geometrie e proprietà dei materiali. </li><li> Assegnare una velocità iniziale al modello FE della barra attaccante per inizializzare la simulazione FE. NOTA: La velocitàdel percussore barra deve corrispondere a quella nell&#39;esperimento SHPB per una particolare velocità di deformazione 9. </li><li> Creare un modello FE del setup SHPB senza un campione posto tra l&#39;incidente e bar trasmessi. Eseguire la simulazione FE. NOTA: La velocità simulata bar attaccante deve corrispondere alla velocità sperimentale bar attaccante sotto la condizione di &quot;no-campione&quot;. Assegnare le proprietà dei materiali indicati nella tabella 1 per bar polimerici. </li><li> Verificare se le misure estensimetri (macchia in funzione del tempo) nella sperimentazione e simulazione FE sono in buon accordo. </li><li> Incorporare il campione biomateriale nel modello FE del setup SHPB. Assegnare l&#39;attuazione tridimensionale (in formato vumat 22) del modello di materiale ISV al campione 11 biomateriale. </li><li> Eseguire uno studio di mesh refinement utilizzando tre diverse dimensioni delle maglie e poi analizzare i risultati per stabilire se le soluzioni convergono. NOTA: La magliadimensioni corrisponde al numero totale di sezione esagonale e / o elementi tetraedrici che compongono il modello FE. Selezionare il modello FE con le dimensioni più basso maglia che converge dopo ulteriori simulazioni 9. </li><li> Effettuare la due fasi FE calibrazione del modello. Nella prima fase, caricare i dati sperimentali nella unidimensionale implementare del modello materiale ISV. </li><li> Calibrare la curva sforzo-macchia vero dell&#39;esperimento con la vera curva sforzo-deformazione del modello regolando i parametri del modello materiale ISV (vedi tabella 1). NOTA: Ulteriori iterazioni sono necessari poiché i dati SHPB sperimentale è tridimensionale in natura mentre il modello materiale è unidimensionale. </li><li> Assegnare le costanti del materiale ISV al campione biomateriale nel modello FE del setup SHPB. </li><li> Simula FE con la velocità sbarra attaccante e campione velocità di deformazione deformazione corrispondente alle prove SHPB alla stessa velocità di deformazione. </li><li> Compare le misure estensimetri da esperimento e la simulazione FE per un buon accordo (ceppo rispetto al tempo). NOTA: Se non vi è un buon accordo tra le simulazioni FE ei valori estensimetri esperimento, procedere alla seconda fase del processo di calibrazione del modello. In caso contrario, ripetere Attività 5,7-5,11. </li><li> Nella seconda fase della calibrazione del modello FE, eseguire la FE ceppo simulazione dati gage SHPB sperimentare software di post-processing, software MSU High Rate 19-21. NOTA: Se la vera risposta sforzo-deformazione simulato paragona allo sperimentale vera risposta sforzo-deformazione, poi il due fasi FE calibrazione del modello è stata completata. In caso contrario, ripetere Attività 5,7-5,12. </li><li> Eseguire un volume medio della direzione di carico (Σ 33) sottolineano lungo gli elementi di mezzeria del campione del modello FE. NOTA: Se questo stress è in buon accordo con la curva sforzo-deformazione della unidimensionale ISV risultato materiale modello, quindi i risultati ottenuti attraverso le attività 5.7-5,12 Sono completamente calibrati. In caso contrario, ripetere Attività 5,7-5,13. La vera risposta sforzo-deformazione catturata attraverso l&#39;implementazione unidimensionale del modello materiale ISV rappresenta la monoassiale vera risposta sforzo-deformazione di un biomateriale che è stato testato in una configurazione SHPB. </li></ol>

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Gli autori dichiarano che non ci sono conflitti di interessi con tutto il materiale relativo a questa pubblicazione.

La metodologia ha riferito che le coppie dell&#39;esperimento SHPB e FE modellizzazione del SHPB offre una nuova e unica tecnica per valutare la monoassiale vera risposta sforzo-deformazione di un biomateriale ad alte velocità di deformazione. Al fine di ottenere le proprietà meccaniche intrinseche al tessuto nativo, la cura deve essere presa per mantenere il campione biomateriale tra 5,56-7,22 ° C prima del test SHPB. Se il campione viene raffreddato al di sotto 5,56 ° C, l&#39;acqua presente nel tessuto inizia a c...

Motivazione L&#39;obiettivo cardinale della Spalato accoppiato - Hopkinson Pressure Bar (SHPB) esperimento / modellazione agli elementi finiti di biomateriali molli (come il cervello, il fegato, tendine, grasso, ecc) è stato di estrarre i loro comportamenti meccanici monoassiali per l&#39;ulteriore attuazione nel corpo umano FE simulazioni in carichi meccanici dannosi. Il corpo umano Elementi Finiti (FE) il modello è costituito da una maglia corpo umano dettagliato e un dipendente viscoelastica-viscoplastico Stato interno Modello di variabile (ISV) materiale multiscala storia di vari organi umani. Questo modello corpo umano può essere utilizzato per un framework per costruire gli standard migliori per protezione di lesioni, per la progettazione di dispositivi di protezione innovative, e per consentire occupante disegno veicolare centric. Due modalità di lesione alto tasso sono stati ampiamente osservati nel trauma umano: esplosione esplosivo e l&#39;impatto brusco. Danni Blast da armi esplosivo è la fonte primaria di traumatilesioni c (TI) e la principale causa di morte sul campo di battaglia 1. Quando esplodere, questi esplosivi formano un onda d&#39;urto esteriore di moltiplicazione che produce grandi e improvvise accelerazioni e deformazioni. I carichi risultanti costituiscono una grave minaccia per le persone esposte. Anche se qualsiasi parte del corpo può essere ferito da onde d&#39;urto, le aree principali di interesse sono (1) l&#39;estremità inferiore a causa della sua vicinanza alla terra, e (2) la testa da lesioni possono inibire la funzione del cervello normale e la sopravvivenza 2 , 3. Queste lesioni possono essere classificati come lesioni primarie, secondarie, terziarie o seconda del tipo di danno subito. Poiché la forza di un esplosivo è caratterizzata dal suo peso o dimensioni, la distanza standoff, durata dell&#39;impulso positivo e mezzo attraverso il quale viaggia, può risultare difficile classificare adeguatamente queste lesioni 3-6. Rapporti del Congresso indicano che il personale militare hanno subito quasi 179.000 lesioni traumatiche dovute a esplosivoarmi e veicoli arresti in Iraq e in Afghanistan dal 2000 al marzo 2010 2. A causa della natura e le posizioni di combattimento moderno, lesioni alla testa sono una preoccupazione importante sia per la popolazione civile 3 militari. Oltre a scenari di combattimento, TI ha una varietà di cause, tra cui un trauma automobilistico; rodeo, moto e incidenti domestici; e lesioni sportive. Traumi cerebrali, per esempio, nonostante i miglioramenti alle attrezzature di sicurezza e protocolli, indotta meccanicamente (TBI) continua ad essere una delle principali fonti di mortalità e morbilità per tutta la vita negli Stati Uniti Il Centro per il Controllo e la Prevenzione delle Malattie (CDC) riporta circa 1,4 milioni di eventi TBI ciascuno anno, di cui quasi 50.000 sono fatali. Football americano da solo rappresenta più di 300.000 TBIs ogni anno 7. Superstiti di tali lesioni sono a rischio di complicazioni neurologiche a lungo termine relativi alla sensazione, cognizione e comunicazione. In questo momento ci sono circa5,3 milioni di americani che vivono con questi svantaggi croniche e disabilità. Stati Uniti le spese mediche dirette e indirette 2000-2010 ammontano 60 miliardi dollari 8. Tuttavia, questi numeri non tengono conto dei costi e delle perdite non medici, o quelle sostenute dalle famiglie e gli amici che sostengono pazienti con trauma cranico. Al di là di analisi puramente economica, disabilità TBI indotta genera una significativa riduzione della qualità della vita che può manifestarsi come un onere significativo per le famiglie e la società. La necessità di una maggiore comprensione della formazione, la caratterizzazione e la prevenzione di TI è chiaro. Studi biomeccanici dei meccanismi di base che causano TI forniscono informazioni e la possibilità di ridurre l&#39;esposizione o migliorare le caratteristiche di sicurezza per i soggetti a rischio potenziale per TI. Inoltre, maggiore avanzamento della comprensione generale della formazione TI può migliorare i metodi e criteri diagnostici, fornendo i medici che trattano TI con migliori mezzi per migliorare il risultatos e salvare vite umane. La conoscenza dei meccanismi di lesione e una migliore comprensione della biomeccanica sviluppo lesioni sono necessari per sviluppare misure protettive efficaci per il corpo umano. Storicamente, le simulazioni volte a lesioni previsione sono stati ostacolati dalle restrizioni computazionali così come la fedeltà del anatomica e modelli di materiale impiegato. Simulazioni di corpo pieno si sono concentrati sui carichi complessivi su ogni parte del corpo, ma il locale di stress, tensione e danni in ogni organo, muscolo, osso, ecc non è stata osservata. Ad esempio, i modelli di momento spalla utilizzano le dimensioni del braccio, il carico, e l&#39;angolo richiesto per cercare i valori tabellari che specificano se un particolare scenario è pericoloso. Un calcolo del genere è utile per le stime rapide, ma non in grado di catturare ciò che sta accadendo a livello locale dalla mano fino alla spalla, soprattutto quando i danni e lesioni sono intrinsecamente locale. In secondo luogo, FE simulations sono stati utilizzati per catturare la risposta locale. La limitazione in questi sforzi non è stato FEA sé, ma i modelli di materiale che definiscono il comportamento di ogni parte del corpo con carichi lesioni esplosione. Modelli di materiali precedentemente impiegati sono adattati con materiali semplici e non hanno cercato di catturare la miriade di complessi comportamenti meccanici esibiti dai tessuti biologici. Pertanto, ad alta fedeltà modelli computazionali con modelli di materiale ISV per gli organi del corpo umano rappresentano il modo più realistico per indagare la fisica e biomeccanica di TI, di progettare dispositivi di protezione innovative, e di stabilire gli standard migliori per i parametri di pregiudizio. Sfondo su Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) e variabile di stato interno (ISV) Modello Materiale A causa di problemi etici connessi con la sperimentazione in vivo di organi umani e le questioni logistiche connesse con larga scala test cadaverica umana, il currsforzo di ricerca ent comporta esperimenti meccanici in vitro su campioni preparati da organi estratti da surrogati di origine animale (ad esempio, maiale come un surrogato più utilizzato). Polimerico SHPB è stato il metodo preferito per in-vitro test biomateriali morbidi ad alte velocità di deformazione. I comportamenti deformativi pertinenti test SHPB e tessuti corrispondenti informazioni danni legati dalle caratteristiche microstrutturali del tessuto sono incorporati nei nostri modelli di materiale ISV per organo descrizioni meccaniche 9-10. Questi modelli di materiali vengono poi implementati nel nostro modello di corpo umano virtuale per condurre FEA di vari infortuni. Questo processo ci consente di spostare verso l&#39;obiettivo di prevedere con precisione la fisica e la natura di un infortunio per un determinato organo sotto diverse condizioni di carico meccanico (ad esempio esplosione indotta, incidente d&#39;auto e l&#39;impatto brusco) senza la necessità di ulteriori sperimentazioni fisico. Al fine di descrivere accuratamente tegli fenomenologica proprietà meccaniche, in particolare l&#39;elevato livello di dipendenza velocità di deformazione, dei biomateriali utilizzati nelle simulazioni FE del corpo umano, gli esperimenti sono stati eseguiti su SHPB biomateriali per ottenere risposte meccaniche dinamiche a velocità di deformazione di pertinenza TI umana. Una panoramica del setup SHPB presso il Centro di veicolare Advanced Systems (CAVS), Mississippi State University (MSU) è presentato nella figura 1. Precedenti studi hanno dimostrato che il test SHPB ha tre principali difetti ad esso associati 12-18. Il primo e più significativo è l&#39;effetto inerziale materiale, che viene mostrata nella risposta meccanica ad alta velocità di deformazione di un campione di biomateriale come un picco iniziale. Per superare questo problema, gli sforzi di ricerca precedenti suggerito modificando la geometria del campione dalla forma cilindrica per cubiche o di forma anulare. I comportamenti meccanici risultanti da tali studi erano diversi from tra loro a causa della geometria del provino influenzato la propagazione dell&#39;onda, interazioni onda, e la risposta meccanica. Questo tipo di modifica alla geometria provino ha portato ad errate rappresentazioni della risposta meccanica (stato di sollecitazione multiassiale e non uniforme) del biomateriale. Il secondo difetto principale era l&#39;incapacità di mantenere l&#39;equilibrio forza dinamica durante una prova. Ricercatori superato questo problema riducendo il rapporto campione di spessore e diametro e / o il blocco del tessuto prima del test. Riducendo il rapporto campione di spessore e diametro affrontato il problema di equilibrio forza dinamica, il congelamento del tessuto complica ulteriormente la procedura di prova come cambiato le proprietà del materiale dovuta alla cristallizzazione di acqua presente nel tessuto. Un certo numero di studi completamente abbandonato la SHPB di evitare i suddetti difetti e utilizzati tubi urto per ottenere la risposta di pressione-tempo in vari modelli animali (ratti, maiali, ecc). Tuttavia, questi unmodelli IMAL non danno una dimensione monoassiali comportamenti sforzo-deformazione necessarie per i materiali utilizzati nelle simulazioni FE. Il terzo difetto era il fallimento della SHPB dare uno risultati dimensionali sforzo-deformazione a causa del provino burattatura causa la morbidezza del materiale e la quantità di contenuto di acqua nel campione. Quindi, il SHPB presenta un apparato di prova valida per raccogliere dati sulla frequenza alta deformazione. Per materiali morbidi, tuttavia, il SHPB induce rigonfiamento che produce uno stato tensionale tridimensionale principalmente dalla pressione idrostatica, tuttavia i dati unidimensionale sollecitazione-deformazione è desiderato. Mostriamo qui come si può ancora utilizzare il SHPB di raccogliere il monoassiale curva vero sforzo-deformazione unidimensionale per la calibrazione del modello materiale; Tuttavia, il processo necessario per ottenere la vera curva sforzo-deformazione uniassiale è complicato. Questo processo include sia i dati sperimentali multiassiali e risultati della simulazione FE, e richiede ricalibrazione iterativole costanti modello materiale. L&#39;implementazione unidimensionale del modello materiale ISV in MATLAB, noto anche come simulatore punto materiale, richiede dati sperimentali unidimensionali per la calibrazione. Così, il modello materiale ISV stata ottimizzata utilizzando un processo di calibrazione sistematica. Qui, i dati sperimentali dei test SHPB è stata considerata nel contesto della formulazione teoria ondulatoria ed equilibrio forza dinamica (MSU High Rate Software). Per tener conto della dispersione viscoelastica del SHPB polimerico, equazioni di dispersione viscoelastico, come riportato da Zhao et al., (2007), sono state attuate in MSU Vota Software Alta. Le equazioni di dispersione viscoelastiche hanno contribuito ad assicurare vigore equilibrio dinamico durante il test. Il simulatore punto materiale unidimensionale è stato quindi regolato nel contesto di una coppia esperimento-FE metodologia di modellazione fino stati considerati i due processi per essere sufficientemente compatibili, cioè, i dati da entrambi erano in buon accordo. Questi dati sono statiutilizzato per regolare le costanti del materiale modello ISV confrontando (monodimensionale) risposta meccanica il simulatore di risposta del materiale MATLAB e (monodimensionale) esemplare sforzo centrale del modello SHPB FE. Qui componente di sollecitazione esemplare del modello FE era lungo la direzione di carico a onda. Quindi il comportamento tridimensionale del modello esemplare FE è stato calibrato in modo iterativo eseguendo simulazioni FE e regolando le costanti ISV in modo che volumi in media di carico di stress correlato direzione bene con la sperimentale vera risposta sforzo-deformazione. Così, è stato condotto un processo di ottimizzazione iterativo tra i dati sperimentali, i risultati FE, e unidimensionale modello materiale ISV. Tabella 1 fornisce una sintesi delle variabili del modello materiale ISV (MSU TP Ver. 1.1) 11. L&#39;elemento più importante per questa metodologia è ottenere la risposta meccanica unidimensionale del biomateriale e suoi parametri del materialeper il modello materiale ISV, che aggira i problemi di test SHPB dello stress-stato non uniformità. Inoltre separa la risposta non lineare iniziale del biomateriale derivanti da effetti inerziali e rende una risposta meccanica che è intrinseco al materiale. La metodologia accoppiato anche mostrato che un cambiamento nella geometria provino cambia completamente il contorno Valore Problem (BVP) e la direzione del carico vero sforzo-deformazione del campione. In quanto tale, la metodologia di cui sopra può essere utilizzato con qualsiasi modello di materiale (fenomenologico o microstrutturale-based) per la calibrazione e poi simulare comportamenti ad alto tasso di deformazione di organi umani in presenza di carichi meccanici dannosi.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="951">
	<tbody>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;width:699px;">Description</td>
			<td style="width:141px;">Provider</td>
			<td style="width:53px;"></td>
			<td style="width:59px;">Quantity</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">High pressure 316 stainless steel threaded pipe fitting, 1/2 male x 1/4 female pipe size, hex reducing bushing</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Type 316 stainless steel threaded pipe fitting, 3/4 male x 1/4 female, hex reducing bushing 150 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Easy-maintenance type 316SS ball valve, with 316 stainless steel ends, 1/2&#34; NPT female</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Easy-maintenance type 316SS ball valve, with 316 stainless steel ends, 3/4&#34; NPT female</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">ASME-code stainless steel pop-safety valve, 1/4 NPT male, 300 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Precision extreme-pressure 316SS pipe fitting, 1/2 x 1/2 pipe size, 1-7/8&#34; length, hex nipple</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">8</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">type 316 stainless steel threaded pipe fitting, 1/2 pipe size, tee, 150 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Test gauge with safety case, polyester case, standard, dry, 600 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Digital gauge, plastic case, 2-1/2&#34; dial, 1/4 bottom connection, 300 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Type 316 stainless steel 37 degree flared tube fitting, adapter for 1/4&#34; tube OD x 1/8&#34; NPT male pipe</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">12</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">303 stainless steel 37 degree JIC swivel fitting for 3/16&#34; ID</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">12</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">High-pressure chemical hose, 3/16&#34; ID, 0.312&#34; OD, 3000 psi</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">6</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">High-Purity Gas Regulator Single-Stage, Nitrogen, 0-125 PSI, CGA #580</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Hose for Nitrogen Gas, Argon, and Oxygen Brass Fem Fittings, PTFE Hose, 3&#39;L, 1/4&#34; ID, 3600 PSI</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Extreme-Pressure 316 SS Threaded Pipe Fitting 1/4 X 1/4 Pipe Size, Hex Nipple</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">4</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Extreme-Pressure 316 SS Threaded Pipe Fitting 3/4 X 3/4 Pipe Size, Hex Nipple</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Extreme-Pressure 316 SS Threaded Pipe Fitting 1/4 Male X 1/8 Female Pipe Size, Hex Bushing</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Standard Brass Compression Tube Fitting Adapter for 1/4&#34; Tube OD X 1/4&#34; NPTF Male Pipe</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">4</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Kobalt 1/4 in Mini Regulator with Gauge</td>
			<td>Lowes</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">1/4&#34; x 25 ft polyethylene tubing</td>
			<td>Lowes</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">1-1/2&#34; Diameter Polycarbonate (PC) Rod</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">LTV-35 4-Way Valve Mead Fluid Dynamics</td>
			<td>Motion Industries</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Pneumatic double action actuator</td>
			<td>Valtronic</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Stainless Steel Ball Valve 1/2&#34;</td>
			<td>Valtronic</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Buckeye pressure vessel</td>
			<td>Buckeye</td>
			<td></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="60">
			<td height="60" style="height:60px;">SR-4 General Purpose FAE-25-35SX Strain Gages</td>
			<td style="width:141px;">Micro-Measurement Vishay Precision Group</td>
			<td style="width:53px;"></td>
			<td align="right">2</td>
		</tr>
		<tr height="60">
			<td height="60" style="height:60px;">M-M Signal Conditioning Amplifier 2310A</td>
			<td style="width:141px;">Micro-Measurement Vishay Precision Group</td>
			<td style="width:53px;"></td>
			<td align="right">1</td>
		</tr>
		<tr height="20">
			<td height="20" style="height:20px;">Laser ROLS-W optical sensor</td>
			<td>Monarch Instruments</td>
			<td></td>
			<td align="right">1</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a coupled experiment-finite element modeling methodology for assessing high strain rate mechanical response of soft biomaterials

Questo studio offre un elemento sperimentale e finiti combinato (FE) approccio di simulazione per l&#39;esame del comportamento meccanico dei biomateriali molli (ad esempio, il cervello, il fegato, tendine, grassi, ecc) in presenza di alti tassi di deformazione. Questo studio ha utilizzato un Split-Hopkinson Pressure Bar (SHPB) per generare velocità di deformazione di 100-1,500 sec -1. Il SHPB impiegato un bar attaccante costituito da un materiale viscoelastico (policarbonato). Un campione del biomateriale è stato ottenuto in breve post-mortem e preparato per la prova SHPB. Il campione è stato interposto tra l&#39;incidente e bar trasmessi, e componenti pneumatici della SHPB sono stati attivati ​​per guidare la barra attaccante verso il bar incidente. Il conseguente impatto generato un&#39;ondata tensione di compressione (es onda incidente) che ha viaggiato attraverso la barra incidente. Quando l&#39;onda sollecitazione di compressione ha raggiunto la fine della barra incidente, una porzione continuato in avanti attraverso il campione e trasmessa bar (i.e. onda trasmessa) mentre un&#39;altra parte ha invertito attraverso il bar incidente come un&#39;onda di trazione (cioè riflessa a microonde). Queste onde sono stati misurati utilizzando estensimetri montati sul incidente e bar trasmessi. Il vero comportamento sforzo-deformazione del campione è stata determinata dalle equazioni basate sulla propagazione delle onde ed equilibrio forza dinamica. Il sperimentale risposta sforzo-deformazione era tridimensionale in natura perché il campione si gonfiò. Come tale, la sollecitazione idrostatica (prima invariante) è stato utilizzato per generare la risposta allo stress-strain. Per estrarre l&#39;monoassiale (unidimensionale) risposta meccanica del tessuto, una ottimizzazione iterativa accoppiato è stato eseguito utilizzando i risultati sperimentali e analisi degli elementi finiti (FEA), che conteneva un modello variabile (DIV) materiale stato interno utilizzato per il tessuto. Il modello di materiale ISV utilizzato nelle simulazioni FE del setup sperimentale è stato calibrato iterativamente (cioè ottimizzata) ai dati sperimentali, that l&#39;esperimento e FEA valori estensimetri e prima invariante delle tensioni erano in buon accordo.

<html> L&#39;efficacia della metodologia accoppiato è esemplificato in figura 3. Qui la SHPB sperimentale risposta allo stress-strain per il cervello è in uno stato di stress inferiore (con un carico di picco di 0,32 MPa) rispetto allo stato di sollecitazione del materiale unidimensionale simulatore punto (con un valore di picco di 0,74 MPa), che è simile alla linea centrale del campione FE (elemento) media. Ciò è dovuto alla natura della deformazione che biomateriali morbidi mostre. Poiché le velo...

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A Coupled Experiment-finite Element Modeling Methodology for Assessing High Strain Rate Mechanical Response of Soft Biomaterials

L&#39;attuale studio prevede una metodologia di simulazione agli elementi finiti esperimento accoppiato per ottenere la monoassiale risposta meccanica dinamica di biomateriali molli (cervello, fegato, tendine, grassi, ecc.) I risultati sperimentali multiassiali sorti a causa del campione sporgenti ottenuti da Split-Hopkinson test di pressione Bar sono stati resi ad un monoassiale vero comportamento sforzo-deformazione quando simulato attraverso l&#39;ottimizzazione iterativa delle analisi agli elementi finiti del biomateriale.

A Accoppiato Experiment-finite Element Modeling metodologia per la valutazione alta Strain Rate risposta meccanica di soft Biomateriali

This study offers a combined experimental and finite element (FE) simulation approach for examining the mechanical behavior of soft biomaterials (e.g. ...

a-coupled-experiment-finite-element-modeling-methodology-for

Research

JoVE Journal

Bioengineering

12.4K Views.  Mississippi State University.  L'attuale studio prevede una metodologia di simulazione agli elementi finiti esperimento accoppiato per ottenere la monoassiale risposta meccanica dinamica di biomateriali molli (cervello, fegato, tendine, grassi, ecc.) I risultati sperimentali multiassiali sorti a causa del campione sporgenti ottenuti da Split-Hopkinson test di pressione Bar sono stati resi ad un monoassiale vero comportamento sforzo-deformazione quando simulato attraverso l'ottimizzazi...

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Microfabricated Platforms for Mechanically Dynamic Cell Culture

The ability to systematically probe in vitro cellular response to combinations of mechanobiological stimuli for tissue engineering, drug discovery or fundamental cell biology studies is limited by current bioreactor technologies, which cannot simultaneously apply a variety of mechanical stimuli to cultured cells. In order to address this issue, we have developed a series of microfabricated platforms designed to screen for the effects of mechanical stimuli in a high-throughput format. In this protocol, we demonstrate the fabrication of a microactuator array of vertically displaced posts on which the technology is based, and further demonstrate how this base technology can be modified to conduct high-throughput mechanically dynamic cell culture in both two-dimensional and three-dimensional culture paradigms.

In this protocol, we demonstrate the fabrication of a microactuator array of vertically displaced posts on which the technology is based, and how this base technology can be modified to conduct high-throughput mechanically dynamic cell culture in both two-dimensional and three-dimensional culture paradigms.

Piattaforme microfabbricazione per coltura cellulare meccanicamente dinamica

The ability to systematically probe in vitro cellular response to combinations of mechanobiological stimuli for tissue engineering, drug discovery or ...

Ricerca

Bioingegneria

Polymer Microarrays for High Throughput Discovery of Biomaterials

The discovery of novel biomaterials that are optimized for a specific biological application is readily achieved using polymer microarrays, which allows a combinatorial library of materials to be screened in a parallel, high throughput format1. Herein is described the formation and characterization of a polymer microarray using an on-chip photopolymerization technique 2. This involves mixing monomers at varied ratios to produce a library of monomer solutions, transferring the solution to a glass slide format using a robotic printing device and curing with UV irradiation. This format is readily amenable to many biological assays, including stem cell attachment and proliferation, cell sorting and low bacterial adhesion, allowing the ready identification of 'hit' materials that fulfill a specific biological criterion3-5. Furthermore, the use of high throughput surface characterization (HTSC) allows the biological performance to be correlated with physio-chemical properties, hence elucidating the biological-material interaction6. HTSC makes use of water contact angle (WCA) measurements, atomic force microscopy (AFM), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (ToF-SIMS). In particular, ToF-SIMS provides a chemically rich analysis of the sample that can be used to correlate the cell response with a molecular moiety. In some cases, the biological performance can be predicted from the ToF-SIMS spectra, demonstrating the chemical dependence of a biological-material interaction, and informing the development of hit materials5,3.

A description of the formation of a polymer microarray using an on-chip photopolymerization technique. The high throughput surface characterization using atomic force microscopy, water contact angle measurements, X-ray photoelectron spectroscopy and time of flight secondary ion mass spectrometry and a cell attachment assay is also described.

Microarrays polimerici per Discovery High Throughput di Biomateriali

The discovery of novel biomaterials that are optimized for a specific biological application is readily achieved using polymer microarrays, which allows a ...

An Improved Mechanical Testing Method to Assess Bone-implant Anchorage

Recent advances in material science have led to a substantial increase in the topographical complexity of implant surfaces, both on a micro- and a nano-scale. As such, traditional methods of describing implant surfaces -&#160;namely numerical determinants of surface roughness -&#160;are inadequate for predicting in vivo performance. Biomechanical testing provides an accurate and comparative platform to analyze the performance of biomaterial surfaces. An improved mechanical testing method to test the anchorage of bone to candidate implant surfaces is presented. The method is applicable to both early and later stages of healing and can be employed for any range of chemically or mechanically modified surfaces -&#160;but not smooth surfaces. Custom rectangular implants are placed bilaterally in the distal femora of male Wistar rats and collected with the surrounding bone. Test specimens are prepared and potted using a novel breakaway mold and the disruption test is conducted using a mechanical testing machine. This method allows for alignment of the disruption force exactly perpendicular, or parallel, to the plane of the implant surface, and provides an accurate and reproducible means for isolating an exact peri-implant region for testing.

An improved method to mechanically test bone anchorage to candidate implant surfaces is presented. This method allows for alignment of the disruption force exactly perpendicular, or parallel, to the plane of the implant surface, and provides an accurate means to direct the disruption forces to an exact peri-implant region.

Una migliorata meccanica metodo di prova per valutare osso-impianto Anchorage

Recent advances in material science have led to a substantial increase in the topographical complexity of implant surfaces, both on a micro- and a ...

Fabrication and Implantation of Miniature Dual-element Strain Gages for Measuring In Vivo Gastrointestinal Contractions in Rodents.

Gastrointestinal dysfunction remains a major cause of morbidity and mortality. Indeed, gastrointestinal (GI) motility in health and disease remains an area of productive research with over 1,400 published animal studies in just the last 5 years. Numerous techniques have been developed for quantifying smooth muscle activity of the stomach, small intestine, and colon. In vitro and ex vivo techniques offer powerful tools for mechanistic studies of GI function, but outside the context of the integrated systems inherent to an intact organism. Typically, measuring in vivo smooth muscle contractions of the stomach has involved an anesthetized preparation coupled with the introduction of a surgically placed pressure sensor, a static pressure load such as a mildly inflated balloon or by distending the stomach with fluid under barostatically-controlled feedback. Yet many of these approaches present unique disadvantages regarding both the interpretation of results as well as applicability for in vivo use in conscious experimental animal models. The use of dual element strain gages that have been affixed to the serosal surface of the GI tract has offered numerous experimental advantages, which may continue to outweigh the disadvantages. Since these gages are not commercially available, this video presentation provides a detailed, step-by-step guide to the fabrication of the current design of these gages. The strain gage described in this protocol is a design for recording gastric motility in rats. This design has been modified for recording smooth muscle activity along the entire GI tract and requires only subtle variation in the overall fabrication. Representative data from the entire GI tract are included as well as discussion of analysis methods, data interpretation and presentation.

Fabrication and Implantation of Miniature Dual-element Strain Gages for Measuring In Vivo Gastrointestinal Contractions in Rodents.

The in vivo measurement of smooth muscle contractions along the gastrointestinal tract of laboratory animals remains a powerful, though underutilized, technique. Flexible, dual element strain gages are not commercially available and require fabrication. This protocol describes the construction of reliable, inexpensive strain gages for acute or chronic implantation in rodents.

Fabbricazione e impianto di miniatura a doppio elemento Estensimetri per misurazione<em&gt; In Vivo</em&gt; Gastrointestinale Contrazioni nei roditori.

Gastrointestinal dysfunction remains a major cause of morbidity and mortality. Indeed, gastrointestinal (GI) motility in health and disease remains an ...

An Experimental and Finite Element Protocol to Investigate the Transport of Neutral and Charged Solutes across Articular Cartilage

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease that is associated with degeneration of articular cartilage and subchondral bone. Degeneration of articular cartilage impairs its load-bearing function substantially as it experiences tremendous chemical degradation, i.e. proteoglycan loss and collagen fibril disruption. One promising way to investigate chemical damage mechanisms during OA is to expose the cartilage specimens to an external solute and monitor the diffusion of the molecules. The degree of cartilage damage (i.e. concentration and configuration of essential macromolecules) is associated with collisional energy loss of external solutes while moving across articular cartilage creates different diffusion characteristics compared to healthy cartilage. In this study, we introduce a protocol, which consists of several steps and is based on previously developed experimental micro-Computed Tomography (micro-CT) and finite element modeling. The transport of charged and uncharged iodinated molecules is first recorded using micro-CT, which is followed by applying biphasic-solute and multiphasic finite element models to obtain diffusion coefficients and fixed charge densities across cartilage zones.

We propose a protocol to investigate the transport of charged and uncharged molecules across articular cartilage with the aid of recently developed experimental and numerical methods.

Uno Sperimentale e Finite Element protocollo per indagare il trasporto di soluti neutri e carichi attraverso cartilagine articolare

Osteoarthritis (OA) is a debilitating disease that is associated with degeneration of articular cartilage and subchondral bone. Degeneration of articular ...

Magnetic Levitation Coupled with Portable Imaging and Analysis for Disease Diagnostics

Currently, many clinical diagnostic procedures are complex, costly, inefficient, and inaccessible to a large population in the world. The requirements for specialized equipment and trained personnel require that many diagnostic tests be performed at remote, centralized clinical laboratories. Magnetic levitation is a simple yet powerful technique and can be applied to levitate cells, which are suspended in a paramagnetic solution and placed in a magnetic field, at a position determined by equilibrium between a magnetic force and a buoyancy force. Here, we present a versatile platform technology designed for point-of-care diagnostics which uses magnetic levitation coupled to microscopic imaging and automated analysis to determine the density distribution of a patient's cells as a useful diagnostic indicator. We present two platforms operating on this principle: (i) a smartphone-compatible version of the technology, where the built-in smartphone camera is used to image cells in the magnetic field and a smartphone application processes the images and to measures the density distribution of the cells and (ii) a self-contained version where a camera board is used to capture images and an embedded processing unit with attached thin-film-transistor (TFT) screen measures and displays the results. Demonstrated applications include: (i) measuring the altered distribution of a cell population with a disease phenotype compared to a healthy phenotype, which is applied to sickle cell disease diagnosis, and (ii) separation of different cell types based on their characteristic densities, which is applied to separate white blood cells from red blood cells for white blood cell cytometry. These applications, as well as future extensions of the essential density-based measurements enabled by this portable, user-friendly platform technology, will significantly enhance disease diagnostic capabilities at the point of care.

We present a magnetic levitation technique coupled with automated imaging and analysis in both a smartphone-compatible device and a device with embedded imaging and processing. This is applied to measure the density distribution of cells with two demonstrated biomedical applications: sickle cell disease diagnosis and separating white and red blood cells.

Levitazione magnetica Accoppiato con Imaging portatile e analisi per la malattia di diagnostica

Currently, many clinical diagnostic procedures are complex, costly, inefficient, and inaccessible to a large population in the world. The requirements for ...

Quantification of Strain in a Porcine Model of Skin Expansion Using Multi-View Stereo and Isogeometric Kinematics

Tissue expansion is a popular technique in plastic and reconstructive surgery that grows skin in vivo for correction of large defects such as burns and giant congenital nevi. Despite its widespread use, planning and executing an expansion protocol is challenging due to the difficulty in measuring the deformation imposed at each inflation step and over the length of the procedure. Quantifying the deformation fields is crucial, as the distribution of stretch over time determines the rate and amount of skin grown at the end of the treatment. In this manuscript, we present a method to study tissue expansion in order to gain quantitative knowledge of the deformations induced during an expansion process. This experimental protocol incorporates multi-view stereo and isogeometric kinematic analysis in a porcine model of tissue expansion. Multi-view stereo allows three-dimensional geometric reconstruction from uncalibrated sequences of images. The isogeometric kinematic analysis uses splines to describe the regional deformations between smooth surfaces with few mesh points. Our protocol has the potential to bridge the gap between basic scientific inquiry regarding the mechanics of skin expansion and the clinical setting. Eventually, we expect that the knowledge gained with our methodology will enable treatment planning using computational simulations of skin deformation in a personalized manner.

This protocol uses multi-view stereo to generate three-dimensional (3D) models out of uncalibrated sequences of photographs, making it affordable and adjustable to a surgical setting. Strain maps between the 3D models are quantified with spline-based isogeometric kinematics, which facilitate representation of smooth surfaces over coarse meshes sharing the same parameterization.

La quantificazione di Strain in un modello suino di espansione pelle con Multi-View stereo e isogeometrica Cinematica

Tissue expansion is a popular technique in plastic and reconstructive surgery that grows skin in vivo for correction of large defects such as burns and ...

Methodology for Biomimetic Chemical Neuromodulation of Rat Retinas with the Neurotransmitter Glutamate In Vitro

Photoreceptor degenerative diseases cause irreparable blindness through the progressive loss of photoreceptor cells in the retina. Retinal prostheses are an emerging treatment for photoreceptor degenerative diseases that seek to restore vision by artificially stimulating the surviving retinal neurons in the hope of eliciting comprehensible visual perception in patients. Current retinal prostheses have demonstrated success in restoring limited vision to patients using an array of electrodes to electrically stimulate the retina but face substantial physical barriers in restoring high acuity, natural vision to patients. Chemical neurostimulation using native neurotransmitters is a biomimetic alternative to electrical stimulation and could bypass the fundamental limitations associated with retinal prostheses using electrical neurostimulation. Specifically, chemical neurostimulation has the potential to restore more natural vision with comparable or better visual acuities to patients by injecting very small quantities of neurotransmitters, the same natural agents of communication used by retinal chemical synapses, at much finer resolution than current electrical prostheses. However, as a relatively unexplored stimulation paradigm, there is no established protocol for achieving chemical stimulation of the retina in vitro. The purpose of this work is to provide a detailed framework for accomplishing chemical stimulation of the retina for investigators who wish to study the potential of chemical neuromodulation of the retina or similar neural tissues in vitro. In this work, we describe the experimental setup and methodology for eliciting retinal ganglion cell (RGC) spike responses similar to visual light responses in wild-type and photoreceptor-degenerated wholemount rat retinas by injecting controlled volumes of the neurotransmitter glutamate into the subretinal space using glass micropipettes and a custom multiport microfluidic device. This methodology and protocol are general enough to be adapted for neuromodulation using other neurotransmitters or even other neural tissues.

Methodology for Biomimetic Chemical Neuromodulation of Rat Retinas with the Neurotransmitter Glutamate In Vitro

This protocol describes a novel method for investigating a form of chemical neurostimulation of wholemount rat retinas in vitro with the neurotransmitter glutamate. Chemical neurostimulation is a promising alternative to the conventional electrical neurostimulation of retinal neurons for treating irreversible blindness caused by photoreceptor degenerative diseases.

Metodologia per la neuromodulazione Biomimetic chimico di retine del ratto con il neurotrasmettitore glutammato In Vitro

Photoreceptor degenerative diseases cause irreparable blindness through the progressive loss of photoreceptor cells in the retina. Retinal prostheses are ...

Stiffness Measurement of Soft Silicone Substrates for Mechanobiology Studies Using a Widefield Fluorescence Microscope

Soft tissues in the human body typically have stiffness in the kilopascal (kPa) range. Accordingly, silicone and hydrogel flexible substrates have been proven to be useful substrates for culturing cells in a physical microenvironment that partially mimics in vivo conditions. Here, we present a simple protocol for characterizing the Young's moduli of isotropic linear elastic substrates typically used for mechanobiology studies. The protocol consists of preparing a soft silicone substrate on a Petri dish or stiff silicone, coating the top surface of the silicone substrate with fluorescent beads, using a millimeter-scale sphere to indent the top surface (by gravity), imaging the fluorescent beads on the indented silicone surface using a fluorescence microscope, and analyzing the resultant images to calculate the Young's modulus of the silicone substrate. Coupling the substrate's top surface with a moduli extracellular matrix protein (in addition to the fluorescent beads) allows the silicone substrate to be readily used for cell plating and subsequent studies using traction force microscopy experiments. The use of stiff silicone, instead of a Petri dish, as the base of the soft silicone, enables the use of mechanobiology studies involving external stretch. A specific advantage of this protocol is that a widefield fluorescence microscope, which is commonly available in many labs, is the major equipment necessary for this procedure. We demonstrate this protocol by measuring the Young's modulus of soft silicone substrates of different elastic moduli.

Substrates with stiffness in the kilopascal-range are useful to study the response of cells to physiologically relevant micro-environment stiffness. Using just a widefield fluorescence microscope, the Young's modulus of soft silicone gels can be determined using an indentation with a suitable sphere.

Misura di rigidità dei substrati in morbido Silicone per gli studi di Mechanobiology usando un microscopio a fluorescenza Widefield

Soft tissues in the human body typically have stiffness in the kilopascal (kPa) range. Accordingly, silicone and hydrogel flexible substrates have been ...

Biaxial Mechanical Characterizations of Atrioventricular Heart Valves

Extensive biaxial mechanical testing of the atrioventricular heart valve leaflets can be utilized to derive&#160;optimal parameters used in constitutive models, which provide a mathematical representation of the mechanical function of those structures. This presented biaxial mechanical testing protocol involves (i) tissue acquisition, (ii) the preparation of tissue specimens, (iii) biaxial mechanical testing, and (iv) postprocessing of the acquired data. First, tissue acquisition requires obtaining porcine or ovine hearts from a local Food and Drug Administration-approved abattoir for later dissection to retrieve the valve leaflets. Second, tissue preparation requires using tissue specimen cutters on the leaflet tissue to extract a clear zone for testing. Third, biaxial mechanical testing of the leaflet specimen requires the use of a commercial biaxial mechanical tester, which consists of force-controlled, displacement-controlled, and stress-relaxation testing protocols to characterize the leaflet tissue&#39;s mechanical properties. Finally, post-processing requires the use of data image correlation techniques and force and displacement readings to summarize the tissue&#39;s mechanical behaviors in response to external loading. In general, results from biaxial testing demonstrate that the leaflet tissues yield a nonlinear, anisotropic mechanical response. The presented biaxial testing procedure is advantageous to other methods since the method presented here allows for a more comprehensive characterization of the valve leaflet tissue under one unified testing scheme, as opposed to separate testing protocols on different tissue specimens. The proposed testing method has its limitations in that shear stress is potentially present in the tissue sample. However, any potential shear is presumed negligible.

This protocol involves characterizations of atrioventricular valve leaflets with force-controlled, displacement-controlled, and stress-relaxation biaxial mechanical testing procedures. Results acquired with this protocol can be used for constitutive model development to simulate the mechanical behavior of functioning valves under a finite element simulation framework.

Caratterizzazioni biassiale meccaniche delle valvole atrioventricolari cuore

Extensive biaxial mechanical testing of the atrioventricular heart valve leaflets can be utilized to derive&#160;optimal parameters used in constitutive ...