Development and approbation of a mobile test bench for mechanical uniaxial compression testing of biological tissues

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

A technique and a prototype of a mobile test bench for conducting experiments on uniaxial compression of biological tissue samples have been developed. The test bench consists of high-precision scales, an electronic caliper with modified grips, and a video camera. With the help of the test bench, a series of experiments (120 in total) was carried out to determine Young's modulus of atherosclerotic plaques and vascular walls removed from the human body no later than a few hours. A database of plaques and artery walls' mechanical characteristics, as close as possible to their real strength properties, has been formed. In addition, regression dependencies linking Hounsfield units and Young’s moduli of atherosclerotic plaques were constructed. The uniaxial compression technique has been verified on the Instron 3342 universal testing machine. Also, to demonstrate the applicability of the developed technique and test bench for uniaxial compression of hard tissues, experiments were conducted with 14 samples of bovine spongy bone.

About the authors

Alexander V. Dol

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0001-5842-1615
Scopus Author ID: 56242469500
ResearcherId: D-4746-2013
Russia, 410026, Saratov, Astrahanskaya str., 83

Error O. Error

Saratov State University

ORCID iD: 0009-0007-2937-6414
Russia, 410026, Saratov, Astrahanskaya str., 83

Alexander Savelievich Falkovich

Saratov State University

ORCID iD: 0000-0001-9079-3064
Russia, 410026, Saratov, Astrahanskaya str., 83

Error N. Error

Russian Scientific Center for Radiology and Surgical Technologies named after Academician A. M. Granov

ORCID iD: 0000-0001-8174-7461
Scopus Author ID: 57193120885
70 Leningradskaya St., Saint-Petersburg 197758, Russia

Error I. Error

Russian Scientific Center for Radiology and Surgical Technologies named after Academician A. M. Granov

ORCID iD: 0000-0001-8980-5240
70 Leningradskaya St., Saint-Petersburg 197758, Russia

Alexey V. Solovyov

Vsevolozhsk Clinical Interdistrict Hospital

ORCID iD: 0000-0002-6671-3893
20 Koltushskoe Highway, Vsevolozhsk 188643, Leningrad region, Russia

Denis V. Terin

Saratov State University

Russia, 410026, Saratov, Astrahanskaya str., 83

Maxim O. Lemeshkin

Saratov State University

Russia, 410026, Saratov, Astrahanskaya str., 83

References

  1. Ivanov D. V., Dol A. V., Kuzyk Yu. I. Biomechanical bases of forecasting occurrence of carotid atherosclerosis. Russian Journal of Biomechanics, 2017, vol. 21, iss. 1, pp. 29–40 (in Russian). https://doi.org/10.15593/RZhBiomeh/2017.1.03, EDN: YMFRLF
  2. Gasser T., Holzapfel G. Modeling plaque fissuring and dissection during balloon angioplasty intervention. Annals of Biomedical Engineering, 2007, vol. 35, pp. 711–723. https://doi.org/10.1007/s10439-007-9258-1
  3. Cunnane E. M., Mulvihill J. J. E., Barrett H. E., Hennessy M. M., Kavanagh E. G., Walsh M. T. Mechanical properties and composition of carotid and femoral atherosclerotic plaques: A comparative study. Journal of Biomechanics, 2016, vol. 49, iss. 15, pp. 3697–3704. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2016.09.036
  4. Holzapfel G. A., Schulze-Bauer C. A. J., Stadler M. Mechanics of angioplasty: Wall, balloon and stent. Proceedings of the ASME 2000 International Mechanical Engineering Congress and Exposition. Mechanics in Biology. Orlando, Florida, USA. November 5–10, 2000. pp. 141–156. https://doi.org/10.1115/IMECE2000-1927
  5. Arrizabalaga J. H., Simmons A. D., Nollert M. U. Fabrication of an economical arduino-based uniaxial tensile tester. Journal of Chemical Education, 2017, vol. 94, iss. 4, pp. 530–533. https://doi.org/10.1021/acs.jchemed.6b00639
  6. Geasa M. M. Development of an Arduino based universal testing apparatus. Archives of Agriculture Sciences Journal, 2021, vol. 4, iss. 3, pp. 121–130. https://doi.org/10.21608/AASJ.2021.226282
  7. Bessonov L. V., Golyadkina A. A., Dmitriev P. O., Dol A. V., Zolotov V. S, Ivanov D. V., Kirillova I. V., Kossovich L. Y., Titova Y. I., Ulyanov V. Y., Kharlamov A. V. Constructing the dependence between the Young’s modulus value and the Hounsfield units of spongy tissue of human femoral heads. Izvestiya of Saratov University. Mathematics. Mechanics. Informatics, 2021, vol. 21, iss. 2, pp. 182–193. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2021-21-2-182-193, EDN: SNBJNB
  8. Ramirez J., Isaza J., Mariaka I., Velez J. Analysis of bone demineralization due to the use of exoprosthesis by comparing Young’s Modulus of the femur in unilateral transfemoral amputees. Prosthetics and Orthotics International, 2011, vol. 35, iss. 4, pp. 459–466. https://doi.org/10.1177/0309364611420478
  9. Wintermark M., Jawadi S. S., Rapp J. H, Tihan T., Tong E., Glidden D. V., Abedin S., Schaeffer S., Acevedo-Bolton G., Boudignon B., Orwoll B., Pan X., Saloner D. High-resolution CT imaging of carotid artery atherosclerotic plaques. American Journal of Neuroradiology, 2008, vol. 29, iss. 5, pp. 875–882. https://doi.org/10.3174/ajnr.A0950
  10. Wissing T. B., Van der Heiden K., Serra S. M., Smits A. I. P. M., Bouten C. V. C., Gijsen F. J. H. Tissue-engineered collagenous fibrous cap models to systematically elucidate atherosclerotic plaque rupture. Scientific Reports, 2022, vol. 12, art. 5434. https://doi.org/10.1038/s41598-022-08425-4
  11. Yanev S., Zhelyazkova-Savova M., Chaldakov G. The fibrous cap: A promising target in the pharmacotherapy of atherosclerosis. Biomedical Reviews, 2019, vol. 30, pp. 136–141. https://doi.org/10.14748/bmr.v30.6394
  12. Endo K., Yamada S., Todoh M., Takahata M., Iwasaki N., Tadano S. Structural strength of cancellous specimens from bovine femur under cyclic compression. PeerJ, 2016, vol. 4, art. e1562. https://doi.org/10.7717/peerj.1562
  13. Barrett S. R. H., Sutcliffe M. P. F., Howarth S., Li Z.-Y., Gillard J. H. Experimental measurement of the mechanical properties of carotid atherothrombotic plaque fibrous cap. Journal of Biomechanics, 2009, vol. 42, iss. 11, pp. 1650–1655. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2009.04.025
  14. Tracqui P., Broisat A., Toczek J., Mesnier N., Ohayon J., Riou L. Mapping elasticity moduli of atherosclerotic plaque in situ via atomic force microscopy. Journal of Structural Biology, 2011, vol. 174, iss. 1, pp. 115–123. https://doi.org/10.1016/j.jsb.2011.01.010
  15. Matsumoto T., Sugita S., Yaguchi T. Biomechanics of blood vessels: Structure, mechanics, and adaptation. In: Niinomi M., Narushima T., Nakai M. (eds.) Advances in Metallic Biomaterials. Springer Series in Biomaterials Science and Engineering, vol. 3. Springer, Berlin, Heidelberg, 2015, pp. 71–98. https://doi.org/10.1007/978-3-662-46836-4_4
  16. Kim Y.-H., Kim J.-E., Ito Y., Shih A. M., Brott B., Anayiotos A. Hemodynamic analysis of a compliant femoral artery bifurcation model using a fluid structure interaction framework. Annals of Biomedical Engineering, 2008, vol. 36, pp. 1753–1763. https://doi.org/10.1007/s10439-008-9558-0
  17. Barrett H. E., Van der Heiden K., Farrell E., Gijsen F. J. H., Akyildiz A. C. Calcifications in atherosclerotic plaques and impact on plaque biomechanics. Journal of Biomechanics, 2019, vol. 87, pp. 1–12. https://doi.org/10.1016/j.jbiomech.2019.03.005
  18. Vahey J. W., Lewis J. L., Vanderby R. Jr. Elastic moduli, yield stress, and ultimate stress of cancellous bone in the canine proximal femur. Journal of Biomechanics, 1987, vol. 20, iss. 1, pp. 29–33. https://doi.org/10.1016/0021-9290(87)90264-8

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».