Wave propagation methods for the experimental characterization of soft biomaterials and tissues

• Main Author: Kazemirad, Siavash
• Other Authors: Luc Mongeau (Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2014
• Subjects: Engineering - Mechanical
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=121449

A good understanding of the viscoelasticity of soft biomaterials and tissue is needed to predict their mechanical response under loads in biological conditions. For example, the viscoelastic properties of hydrogels used in cell culturing and tissue engineering should approximately match those of the tissue they replace. These properties are strongly dependent on the excitation frequency. This has important implication for voice production. The human vocal folds oscillate at a fundamental frequency around 125, 200, 300 and 500 Hz in normal phonation for male, female, children and infants, respectively. Vibration frequencies can reach up to a few kHz, specially in singing. Vocal fold oscillations, essential to voice production, are significantly affected by the mechanical (viscoelastic) properties of the vocal fold mucosa. A novel characterization method based on Rayleigh wave propagation was developed for the quantification of frequency-dependent viscoelastic properties of soft biomaterials over a broad frequency range; i.e., up to 4 kHz. Synthetic silicone rubber and gelatin samples were fabricated and tested to evaluate the proposed method. The shear and elastic moduli and the loss factor obtained from the Rayleigh wave propagation method were compared with results from two other methods, as well as results from an independent study. The proposed method was found to be accurate and cost effective for the measurement of viscoelastic properties of soft biomaterials, such as phonosurgical biomaterials and hydrogels, over a wide frequency range. A non-invasive method was developed to measure the shear modulus of human vocal fold tissue in vivo during phonation. This is needed for the development of injectable biomaterials for vocal fold augmentation and repair, and to evaluate voice treatment procedures. The mucosal wave propagation speed was measured for four human subjects at different phonation frequencies using high speed endoscopic images of the larynx and image processing methods. The transverse shear modulus of the vocal fold mucosa was then calculated from a surface wave propagation dispersion equation using the measured wave speeds. The results were found to be in good agreement with those from other studies obtained via in vitro measurements, thereby supporting the validity of the proposed measurement method. Hyaluronic acid-gelatin hydrogels with varying concentrations of cross-linker are other constituents were fabricated. These biomaterials are for use as synthetic extracellular matrix in vocal fold tissue engineering. The Rayleigh wave propagation method was used to quantify the frequency-dependent viscoelastic properties of these hydrogels, including shear and viscous moduli, over a broad frequency range; i.e., from 40 to 4000 Hz. The viscoelastic properties of the designed hydrogels were similar to those of human vocal fold tissue obtained from in vivo and in vitro measurements. It was shown that the cross-linker concentration is the most common parameter to tune the viscoelastic properties of designed hyaluronan-based hydrogels. The hyaluronic acid and gelatin contents of these hydrogels are the main parameters to adjust their biochemical and biological properties, considering the changes in the viscoelastic properties of the hydrogels. === Les propriétés viscoélastiques des biomatériaux et des tissus mous déterminent leur comportement mécanique sous charge dans des conditions biologiques. Par exemple, les propriétés viscoélastiques des hydrogels utilisés dans la culture cellulaire et l'ingénierie tissulaire doivent approximativement correspondre à ceux du tissu qu'ils remplacent. La quantification précise des propriétés dépendant de la fréquence de tissus de cordes vocales et des biomatériaux mous est importante pour la reconstruction de la voix. Les cordes vocales humaines oscillent à une fréquence fondamentale autour de 125, 200, 300 et 500 Hz pour une phonation normale chez les hommes, femmes, enfants et nourrissons, respectivement. Les fréquences de vibration peuvent atteindre jusqu'à plusieurs kHz, spécialement dans le chant. Les oscillations des cordes vocales, essentielles à la production de la voix, sont significativement affectées par les propriétés mécaniques (viscoélastiques) de la muqueuse des cordes vocales. Une méthode de caractérisation nouvelle basée sur la propagation des ondes de Rayleigh a été développée pour la quantification des propriétés viscoélastiques dépendant de la fréquence des biomatériaux moux sur une large gamme de fréquences, soit jusqu'à 4 kHz. Des caoutchouc de silicone synthétique et des échantillons de gélatine ont été fabriqués et testés pour évaluer la méthode proposée. Les modules de cisaillement et élastique et le facteur de perte obtenu à partir de la méthode de propagation des ondes de Rayleigh ont été comparés avec ceux obtenus à l'aide de deux autres méthodes, ainsi qu'a des résultats présentés dans une étude indépendante. La méthode proposée semblé fiable, précise et pratique rentable pour la mesure des propriétés viscoélastiques des biomatériaux mous, comme les biomatériaux de phonosurgical et d'hydrogels, sur une large gamme de fréquences.Une méthode non-invasive a été développée pour mesurer le module de cisaillement des tissus de cordes vocales humaines in vivo au cours de la phonation. Ceci est nécessaire pour le développement de biomatériaux injectables pour l'augmentation des cordes vocales et de réparation, et pour évaluer les procédures de traitement de la voix. La vitesse de propagation de l'onde muqueuse a été mesurée pour quatre sujets humains à des fréquences différentes en utilisant des images endoscopiques à grande vitesse du larynx et des méthodes de traitement d'image. Le module de cisaillement transversal de la muqueuse des cordes vocales a ensuite été calculé à partir d'une équation de dispersion de propagation des ondes de surface en utilisant les vitesses d'ondes mesurées. Les résultats sont en bon accord avec ceux d'autres études obtenus par des mesures in vitro, confirmant ainsi la précision de la méthode de mesure proposée.Les hydrogels acide hyaluronique-gélatine avec des concentrations de cross-linker diverses et d'autres composants ont été fabriqués. Ces biomatériaux sont pour une utilisation comme matrice extracellulaire synthétique dans l'ingénierie tissulaire des cordes vocales. La méthode de propagation des ondes de Rayleigh a été utilisée pour quantifier les propriétés viscoélastiques dépendant de la fréquence de ces hydrogels, y compris les modules de cisaillement et visqueux, sur une large gamme de fréquences, c'est à dire de 40 à 4000 Hz. Les propriétés viscoélastiques des hydrogels conçus sont similaires à celles du tissu pli vocal humain obtenu à partir in vivo et des mesures in vitro. Il est observé que la concentration de réticulation est le paramètre le plus commun pour régler les propriétés viscoélastiques des hydrogels basés sur l'acide hyaluronique conçus. L'acide hyaluronique et le contenu de gélatine de ces hydrogels sont les principaux paramètres à ajuster leurs propriétés biochimiques et biologiques, en tenant compte des changements dans les propriétés viscoélastiques des hydrogels.