Metodologia badań właściwości mechanicznych i strukturalnych naczyń krwionośnych Magdalena Bartkowiak-Jowsa Zakład Inżynierii Biomedycznej i Mechaniki Eksperymentalnej
Układ krążenia
Układ krążenia
Budowa ściany naczynia krwionośnego Warstwa wewnętrzna: W młodych tętnicach wpływ tej warstwy na mechanikę naczynia jest pomijalny, jednak wraz z wiekiem oraz pojawianiem się patologii jej grubość rośnie i jej wpływ zwiększa się. Warstwa środkowa: - trójwymiarowa sieć mięśni gładkich, kolagenu i elastyny Pod względem mechanicznym jest to najwaŝniejsza warstwa tętnicy Warstwa zewnętrzna: - fibroblasty i fibrocyty (produkują elastynę i kolagen) + nieregularne włókna kolagenowe i nieliczne elastynowe, zwoje nerwowe, naczynia naczyń Komórki śródbłonka Błona podstawna Błona sprężysta wewnętrzna Warstwa wewnętrzna Warstwa środkowa Warstwa zewnętrzna Błona surowicza
Właściwości elementów strukturalnych ściany naczynia krwionośnego Komórki mięśni gładkich za sprawą skurczów i rozkurczów determinują właściwości aktywne tętnicy, Nadają właściwości lepkospręŝyste. Właściwości adaptacyjne przy duŝych obciąŝeniach! Włókna: Elastynowe mają decydujący wpływ na właściwości spręŝyste naczyń, które przy małych odkształceniach są związane z prostowaniem falistych warstw z włókien elastynowych, charakterystyka napręŝeniowo-odkształceniowa dla włókien elastynowych aŝ do 300 % odkształcenia ma liniowy przebieg. Kolagenowe zapewniają integralność naczynia, wpływają na wytrzymałość mechaniczną naczynia i są głównym elementem nośnym, ulegają zniszczeniu przy odkształceniu o około 3 4 %. Sztywność naczynia przy duŝych odkształceniach jest związana głównie ze stopniowym obciąŝaniem włókien kolagenowych. Wpływają na anizotropowość i nieliniowe zachowanie naczynia. W warunkach fizjologicznych siły działające na ścianę tętnicy są równowaŝone głównie przez elastynę i tylko w 1% przez kolagen. Moduł Younga E [MPa] Wytrzy małość σ [MPa] Przekrój A [nm] Mięśnie Rozluźnienie - 0,1MPa Napięcie - 1,2MPa 0,1 300 Kolagen 100 2,5 100 600 Elastyna 0,4 1,3 10-70 Kolagen zaczyna przejmować obciąŝenia przy ok. 15-20% odkształcenia.
Właściwości mechaniczne ściany naczynia krwionośnego Podczas odkształcania dochodzi do rozciągnięcia włókien spręŝystych i wyprostowania włókien kolagenowych. Czerwonym kolorem oznaczono włókna elastynowe; Kolorem czarnym oznaczono sztywne i poskręcane lub pofalowane włókna kolagenowe.
Badania struktur tkankowych Tkanki miękkie: Naczynia krwionośne Ŝyły, tętnice Elementy układu ruchu ścięgna, więzadła, mięśnie Rdzeń kręgowy Skóra Narządy: płuca Tkanki bardzo miękkie: Narządy: mózg, wątroba, nerki Gruczoł krokowy
Badania struktur tkankowych Poznanie róŝnic we właściwościach tkanek zdrowych i patologicznych Zrozumienie mechanizmów powstawania patologii Udoskonalenie metod diagnostyki Matematyczny opis tkanek Symulacja procesów Projektowanie implantów Analizy numeryczne interakcji tkanka-implant
Tkanki miękkie charakterystyka Budowa kompozytowa Nieliniowość Anizotropowość LepkospręŜystość Niejednorodność właściwości mechanicznych
Metody badania właściwości tkanek miękkich Badania właściwości mechanicznych: Jednoosiowe rozciąganie/ściskanie Dwu i wieloosiowe rozciąganie/ściskanie Testy infuzyjne Próby twardości Wykorzystanie ultradźwięków Badania histologiczne i immunohistochemiczne: Analiza morfometryczna pomiary grubości ściany naczynia oraz jego warstw Analiza włókien elastycznych i kolagenowych w ścianie naczynia Badania ultrastrukturalne: SEM zobrazowanie przestrzennej organizacji włókien łącznotkankowych Mikroanaliza rentgenowskaokreślenie składu pierwiastkowy badanych tkanek
Metody badania właściwości tkanek miękkich Test jedno i dwuosiowego rozciągania POPRZECZNE PODŁUŻNE
Metody badania właściwości tkanek miękkich Test jedno i dwuosiowego rozciągania
Metody badania właściwości tkanek miękkich Test jedno i dwuosiowego rozciągania F 1 F 2 F 2 Układ do rozciągania mikropróbek F 1
Badania właściwości mechanicznych Test jedno i dwuosiowego rozciągania MTS Synergie 100
Badania właściwości mechanicznych Test jedno i dwuosiowego rozciągania I faza nieliniowego wzrostu naprężenia w stosunku do odkształcenia, II - faza sprężysta - liniowa zależność naprężenia od odkształcenia, aż do punktu plastyczności; III faza zerwania próbki - osiągniecie naprężenia maksymalnego, faza IV odkształceń plastycznych.
Metody badania właściwości tkanek miękkich Test jedno i dwuosiowego rozciągania =E2 E1 - maksymalny styczny moduł sprężystości (MMT, maximum tangential modulus, Young s modulus, E), moduły sprężystości dla zakresów 1 i 2 - wartość maksymalnych naprężeń zanotowanych w przebiegu testu określana jako wytrzymałość na rozciąganie (ultimate tenslie strength, σ), - odkształcenie odpowiadające wytrzymałości na rozciąganie (ultimate strain, ε).
Metody badania właściwości tkanek miękkich Test ciśnieniowy in vitro moduł ciśnieniowo-odkształceniowy gdzie: ΔD zmiana średnicy odpowiadająca zmianie ciśnienia, ΔP zmiana ciśnienia, D s - średnica przy minimalnym ciśnieniu. gdzie: p ciśnienie wewnątrz naczynia, F wartość osiowej siły rozciągającej, r promieńśrodkowej powierzchni naczynia, h początkowa grubośćściany naczynia. R promień zewnętrzny naczynia, L - początkowa długość naczynia, l długość naczynia po przyłożeniu ciśnienia.
Metody badania właściwości tkanek miękkich Test ciśnieniowy in vitro moduł ciśnieniowo-odkształceniowy gdzie: ΔD zmiana średnicy odpowiadająca zmianie ciśnienia, ΔP zmiana ciśnienia, D s -średnica przy minimalnym ciśnieniu. Założenie o nieściśliwości!! gdzie: p ciśnienie wewnątrz naczynia, F wartość osiowej siły rozciągającej, r promieńśrodkowej powierzchni naczynia, h początkowa grubośćściany naczynia. R promień zewnętrzny naczynia, L - początkowa długość naczynia, l długość naczynia po przyłożeniu ciśnienia.
Metody badania właściwości tkanek miękkich Test ciśnieniowy in vivo USG wewnątrznaczyniowe IVUS
Metody badania właściwości tkanek miękkich Test ciśnieniowy in vivo
Metody badania właściwości tkanek miękkich Test ciśnieniowy in vivo
Metody badania właściwości tkanek miękkich Test ciśnieniowy in vivo moduł ciśnieniowo-odkształceniowy gdzie: ΔD zmiana średnicy odpowiadająca zmianie ciśnienia, ΔP zmiana ciśnienia, D s -średnica przy minimalnym ciśnieniu. gdzie: p ciśnienie wewnątrz naczynia, F wartość osiowej siły rozciągającej, r promieńśrodkowej powierzchni naczynia, h początkowa grubośćściany naczynia. R promień zewnętrzny naczynia, L - początkowa długość naczynia, l długość naczynia po przyłożeniu ciśnienia.
Metody badania właściwości tkanek miękkich Test ciśnieniowy in vivo Współczynnik rozszerzalności gdzie: A zmiana pola przekroju poprzecznego naczynia towarzysząca zmianie ciśnienia; P zmiana ciśnienia, A r - ciśnienie podczas rozkurczu, A s - ciśnienie podczas skurczu. Współczynnik podatności gdzie: A zmiana pola przekroju poprzecznego naczynia towarzysząca zmianie ciśnienia; P zmiana ciśnienia podczas skurczu i rozkurczu. Sztywność naczynia (β) gdzie: D zmiana średnicy naczynia towarzysząca zmianie ciśnienia; P różnica ciśnienia podczas skurczu i rozkurczu.
Metody badania właściwości tkanek miękkich Test ciśnieniowy in vivo
Metody badania właściwości tkanek miękkich Metody ultrasonograficzne Pomiar prędkości przejścia fali poprzecznej i podłużnej -> wyznaczenie stałych sprężystości
Problemy związane z badaniem tkanek Pozyskanie i preparacja odpowiednich próbek oddzielenie interesujących fragmentów tkanki Odtworzenie warunków fizjologicznych panujących w organizmie wysokie uwodnienie badanej tkanki, odpowiednia temperatura otoczenia, wstępne rozciągnięcie Poznanie i odtworzenie anatomicznych warunków pracy uŝycie odpowiednich sił i prędkości badania Uwzględnienie nieliniowych charakterystyk właściwości wytrzymałościowych - kondycjonowanie
Problemy związane z badaniem tkanek
Problemy związane z badaniem tkanek
Problemy związane z badaniem tkanek Pozyskanie i preparacja odpowiednich próbek oddzielenie interesujących fragmentów tkanki Odtworzenie warunków fizjologicznych panujących w organizmie wysokie uwodnienie badanej tkanki, odpowiednia temperatura otoczenia, wstępne rozciągnięcie Poznanie i odtworzenie anatomicznych warunków pracy uŝycie odpowiednich sił i prędkości badania Uwzględnienie nieliniowych charakterystyk właściwości wytrzymałościowych - kondycjonowanie
Problemy związane z badaniem tkanek λ z - stosunek długości po rozciągnięciu do długości początkowej próbki (Van Andel i wsp., 2001) (Pandit i zesp., 2005)
Problemy związane z badaniem tkanek Pozyskanie i preparacja odpowiednich próbek oddzielenie interesujących fragmentów tkanki Odtworzenie warunków fizjologicznych panujących w organizmie wysokie uwodnienie badanej tkanki, odpowiednia temperatura otoczenia, wstępne rozciągnięcie Poznanie i odtworzenie anatomicznych warunków pracy uŝycie odpowiednich sił i prędkości badania Uwzględnienie nieliniowych charakterystyk właściwości wytrzymałościowych - kondycjonowanie
Problemy związane z badaniem tkanek Pozyskanie i preparacja odpowiednich próbek oddzielenie interesujących fragmentów tkanki Odtworzenie warunków fizjologicznych panujących w organizmie wysokie uwodnienie badanej tkanki, odpowiednia temperatura otoczenia, wstępne rozciągnięcie Poznanie i odtworzenie anatomicznych warunków pracy uŝycie odpowiednich sił i prędkości badania Uwzględnienie nieliniowych charakterystyk właściwości wytrzymałościowych - kondycjonowanie
Problemy związane z badaniem tkanek
Właściwości mechaniczne tętnic Autor Veerdhaval, 2005 Ozolanta i zesp., 1998 Holzapfel i zesp., 2005 Lally i zesp., 2004 Gow i Hadfield, 1979 Sposób i czas przechowywania świeŝe preparaty sekcyjne, przed upływem 24h preparaty sekcyjne, przed upływem 24h roztwór antybiotyku temp 4 C przez 4 tygodnie świeŝe Gow i Hadfield, 1979 12h w temp 4 C Gow i Hadfield, 1979 świeŝe Wiek dorosłe świnie Kierunek badania tkanek poprzeczny 60-80 lat poprzeczny 54-80 lat podłuŝne dorosłe świnie dorosły pies dorosły pies dorosły pies podłuŝny Miejsce pobrania Prawa i lewa tętnica wieńcowa Lewa tętnica wieńcowa Prawa tętnica wieńcowa Warstwa zewnętrzna tętnicy wieńcowej Lewa i prawe tętnice wieńcowe Moduł Younga [MPa] 0,4 4,11 2,85 1,43 10 poprzeczny Tętnica udowa 1,16 poprzeczny Tętnica udowa 2,32 poprzeczny Lewa tętnica wieńcowa 1,45
Właściwości mechaniczne tętnic Kierunek poprzeczny vs. kierunek podłużny Tkanka zwierzęca PodłuŜnie Poprzecznie E1 [MPa] 0,369 0,17 E2 [MPa] 2,168 5,735 K1[N/mm] 0,166 0,253 K2[N/mm] 0,813 6,23 σ [MPa] 0,588 1,71 ε [-] 0,567 0,907 F [N] 4,575 9,645
Właściwości mechaniczne tętnic Autor Veerdhaval, 2005 Ozolanta i zesp., 1998 Holzapfel i zesp., 2005 Lally i zesp., 2004 Gow i Hadfield, 1979 Sposób i czas przechowywania świeŝe preparaty sekcyjne, przed upływem 24h preparaty sekcyjne, przed upływem 24h roztwór antybiotyku temp 4 C przez 4 tygodnie świeŝe Gow i Hadfield, 1979 12h w temp 4 C Gow i Hadfield, 1979 świeŝe Wiek dorosłe świnie Kierunek badania tkanek poprzeczny 60-80 lat poprzeczny 54-80 lat podłuŝne dorosłe świnie dorosły pies dorosły pies dorosły pies podłuŝny Miejsce pobrania Prawa i lewa tętnica wieńcowa Lewa tętnica wieńcowa Prawa tętnica wieńcowa Warstwa zewnętrzna tętnicy wieńcowej Lewa i prawe tętnice wieńcowe Moduł Younga [MPa] 0,4 4,11 2,85 1,43 10 poprzeczny Tętnica udowa 1,16 poprzeczny Tętnica udowa 2,32 poprzeczny Lewa tętnica wieńcowa 1,45
Właściwości mechaniczne tętnic Tkanki ludzkie vs. tkanki zwierzęce, test jednoosiowego rozciągania Tkanka ludzka PodłuŜnie Tkanka zwierzęca E1 [MPa] 1,359 0,369 E2 [MPa] 7,926 2,168 K1[N/mm] 0,129 0,166 K2[N/mm] 0,819 0,813 σ [MPa] 0,925 0,588 ε [-] 0,253 0,567 F [N] 2,868 4,575
Właściwości mechaniczne tętnic Tkanki ludzkie vs. tkanki zwierzęce, test ciśnieniowy in vitro (Van Andel i zesp., 2003)
Właściwości mechaniczne tętnic Wpływ wieku na właściwości mechaniczne tętnic E [MPa] Odkształcenie Stosunek kolagen/elastyna Grupa wiekowa Lewa tętnica Prawa tętnica Lewa tętnica Prawa tętnica Lewa tętnica Prawa tętnica I. 1 dzień - 1 rok 1,17±0,41 1,06±0,24 1,47±0,10 1,41±0,09 5,43 3,8 II. 1 rok - 7 lat 1,12±0,26 1,64±0,28 1,39±0,06 1,40±0,07 2,53 2,15 III. 8lat - 19 lat 0,9±0,48 1,22±0,68 1,39±0,05 1,37±0,08 5,1 7,76 IV. 20 lat -39 lat 1,57±0,58 2,00±0,78 1,24±0,09 1,22±0,11 4,13 4,08 V. 40 lat - 59 lat 2,19±0,74 2,08±0,64 1,19±0,13 1,16±0,09 3,26 2,81 VI. 60 lat - 80 lat 4,11±0,089 2,85±0,76 1,17±0,12 1,15±0,03 2,57 1,72 (Ozolanta i zesp., 1998)
Właściwości mechaniczne tętnic Wpływ zmian miażdżycowych na właściwości mechaniczne tętnic - Naczynia ze zmianami miażdżycowymi i bez zmian miażdżycowych - Zmiany stabilne i niestabilne Zmiana ekscentryczna Zmiana koncentryczna DC (5,4±0,8*10-2 /kpa) DC(3,6±0,7*10-2 /kpa)
Właściwości mechaniczne tętnic Autor Veerdhaval, 2005 Ozolanta i zesp., 1998 Holzapfel i zesp., 2005 Lally i zesp., 2004 Gow i Hadfield, 1979 Sposób i czas przechowywania świeŝe preparaty sekcyjne, przed upływem 24h preparaty sekcyjne, przed upływem 24h roztwór antybiotyku temp 4 C przez 4 tygodnie świeŝe Gow i Hadfield, 1979 12h w temp 4 C Gow i Hadfield, 1979 świeŝe Wiek dorosłe świnie Kierunek badania tkanek poprzeczny 60-80 lat poprzeczny 54-80 lat podłuŝne dorosłe świnie dorosły pies dorosły pies dorosły pies podłuŝny Miejsce pobrania Prawa i lewa tętnica wieńcowa Lewa tętnica wieńcowa Prawa tętnica wieńcowa Warstwa zewnętrzna tętnicy wieńcowej Lewa i prawe tętnice wieńcowe Moduł Younga [MPa] 0,4 4,11 2,85 1,43 10 poprzeczny Tętnica udowa 1,16 poprzeczny Tętnica udowa 2,32 poprzeczny Lewa tętnica wieńcowa 1,45
Właściwości mechaniczne tętnic Wpływ przechowywania preparatów na właściwości mechaniczne tętnic
Właściwości mechaniczne tętnic Wpływ przechowywania preparatów na właściwości mechaniczne tętnic Tkanka bezpośrednio po pobraniu kierunek podłużny Tkanka przechowywana 24h kierunek podłużny - E 1 wyższy o 26%(podłużny) 45% (poprzeczny) - E 2 wyższy o 52% (podłużny) 17% (poprzeczny) - σ wyższy o 56% (podłużny) 10% (poprzeczny) - ε niższy o 7,6%(podłużny) 5,8%(poprzeczny)
Badania właściwości mechanicznych tętnic - podsumowanie Istnieje kilka metod badawczych wykorzystywanych do identyfikacji właściwości mechanicznych ścian tętnic. Ściana tętnicy jest materiałem warstwowym i kompozytowym o wysokim stopniu skomplikowania struktury wewnętrznej. Taka budowa powoduje Ŝe naczynie wykazuje właściwości anizotropowe. Wyniki badań tkanek tętnic charakteryzują się bardzo duŝymi, sięgającymi kilkuset procent, rozbieŝnościami związanymi z: - warunkami prowadzenia testów, - przechowywaniem tkanek, - rodzajem badanych tkanek (ludzkie, zwierzęce), - wiekiem i występującymi patologiami, - rodzajem patologii. Najkorzystniej jest prowadzić badania w warunkach in vivo, bądź na preparatach świeŝych, pochodzących od dawców o znanej historii choroby i w podobnym wieku. Nie istnieją badania analizujące zmiany właściwości mechanicznych tętnic w zaleŝności od stopnia zaawansowania patologii!!!
BADANIA HISTOLOGICZNE I HISTOCHEMICZNE ŻRÓDŁO: C. Jahnke et al.: Int J Cardiovasc Imaging 23:519 527, 2007
BADANIA HISTOLOGICZNE I HISTOCHEMICZNE Lewa tętnica wieńcowa, H&E
BADANIA HISTOLOGICZNE I HISTOCHEMICZNE Longitudinal section of a) left coronary artery (hematoxylin and eosin staining Mag 200x) b) right coronary artery (van Gieson s staining Mag 400x)
BADANIA HISTOLOGICZNE I HISTOCHEMICZNE Widoczne oznaki pylicy Widoczne zamknięcie pęcherzyków płucnych
BADANIA HISTOLOGICZNE I HISTOCHEMICZNE Widoczne powiększenie pęcherzyków płucnych wraz z licznymi pęknięciami ściany pęcherzyków, próbka pobrana od osobnika ze stwierdzonymi komórkami rakowymi.
Analiza morfometryczna
Analiza morfometryczna
ANALIZA W SKANINGOWYM MIKROSKOPIE ELEKTRONOWYM ŹRÓDŁO: P. Farand et al. / Microvascular Research 73, 95 99 (2007) Faggiotto A, Ross R: Studies of hypercholesterolemia in the nonhuman primate. II. Fatty streak conversion to fibrous plaque. Arteriosclerosis 4: 341, 1984.