Biomechanical properties of the porcine thoracic aorta: An in- depth analysis of elastic modulus, stress-strain behavior and tissue toughness with regard to anatomical location and loading orientation

ملخص تقني: الخصائص الميكانيكية الحيوية للأبهر الصدري لدى الخنازير

بيان المشكلة
تعد السلامة الميكانيكية لجدار الأبهر أساسية لوظيفته الفسيولوجية وقابليته للإصابة بأمراض مثل تشرح الأبهر وتمدد الأوعية الدموية في الأبهر البطني (AAA). تعتمد النماذج الحسابية، لا سيما تلك القائمة على طريقة العناصر المحدودة (FEM)، بشكل كبير على خصائص المواد الدقيقة للتنبؤ بإجهاد الجدار وخطر التمزق. ومع ذلك، فإن الأبهر غير متجانس ميكانيكياً ومتباين الخواص، حيث تختلف خصائصه باختلاف الموقع التشريحي، واتجاه التحميل، والبنية المجهرية للأنسجة. وبينما تُستخدم أبهر الخنازير على نطاق واسع كنماذج تجريبية نظراً لتشابهها الهيكلي والميكانيكي الحيوي مع البشر، إلا أن التوصيف المنهجي للخصائص الميكانيكية على طول الأبهر الصدري بالكامل لا يزال محدوداً. افتقرت الدراسات السابقة غالباً إلى بيانات شاملة حول كيفية تغير معامل المرونة، والإجهاد النهائي، والانفعال عند الفشل، ومتانة الأنسجة وفقاً للموقع التشريحي الطولي، والموضع المحيطي، واتجاه التحميل، أو تعقدت بسبب الاختلافات المنهجية والتحليل غير المكتمل للفشل.

المنهجية
قدمت هذه الدراسة توصيفاً دقيقاً للميكانيكا الحيوية للأبهر الصدري لدى الخنازير باستخدام اختبار الشد أحادي المحور.

• الحصول على العينات: تم الحصول على عشرة أبهر من الخنازير من مسلخ محلي. حُفظت العينات في درجة حرارة -20 مئوية في محلول فسيولوجي وتم إذابتها قبل الاختبار.
• استراتيجية أخذ العينات: تم تقسيم كل أبهر إلى ست قطع بطول 5 سم (S1–S6) بدءاً من الأبهر الصاعد بالقرب من فتحات الشريان التاجي. ومن كل قطعة، تم استخراج ثماني رقع نسيجية. وقد قُسمت هذه الرقع لاحقاً إلى عينات محيطية وطولية، وصُنفت حسب الموضع التشريحي (خلفي، أمامي، أيسر، أيمن). نتج عن ذلك إجمالي 480 عينة (48 لكل أبهر).
• بروتوكول الاختبار: خضعت العينات لاختبار شد أحادي المحور في محلول رينجر عند درجة حرارة 37 مئوية باستخدام نظام ADMET مع خلية تحميل بقدرة 10 أرطال. استُخدمت مشابك مطبوعة بتقنية ثلاثية الأبعاد لتقليل الانزلاق والتلف.
• التحضير المسبق: لضمان قابلية التكرار، خضعت العينات لـ 10 دورات تحضير مسبق. تم حساب عتبات القوة بشكل فردي بناءً على قطر الأبهر الأصلي وقانون لابلاس لتتوافق مع الضغوط المستهدفة وهي 70 و140 ملم زئبق.
• اختبار الفشل: بعد التحضير المسبق، تم إطالة العينات بشكل رتيب بمعدل ثابت قدره 0.5 ملم/ثانية حتى التمزق.
• تحليل البيانات: تم تحويل بيانات القوة-الإزاحة الخام إلى منحنيات الإجهاد-الانفعال الهندسية والحقيقية. شملت المعلمات الرئيسية المستخرجة معاملات الانفعال المنخفض (10-30%) والانفعال العالي (70-90%)، وإجهاد التمزق، وانفعال التمزق، ومتانة الأنسجة (الطاقة الممتصة حتى التمزق). تم إجراء التحليل الإحصائي باستخدام تحليل التباين (ANOVA) مع اختبار توكي للمقارنات البعدية.

النتائج الرئيسية
كشفت الدراسة عن سلوكيات ميكانيكية حيوية متميزة تعتمد على المنطقة، والاتجاه، والانفعال:

• التجانس المحيطي: لم يتم العثور على فروق ذات دلالة إحصائية في الخصائص الميكانيكية بناءً على الموضع المحيطي (أمامي، خلفي، أيسر، أيمن) ضمن أي قطعة معينة. يشير هذا إلى بناء منتظم للجدار في الاستجابة لمجالات الضغط المتماثلة.
• التباين الطولي: تباينت الخصائص الميكانيكية الحيوية بشكل كبير على طول المحور الرأسي-الذيل (القريب إلى البعيد).
  • الصلابة: ظل معامل الانفعال العالي في العينات الطولية مستقراً إلى حد كبير عبر القطع S1–S5، مع زيادة ملحوظة انحصرت في القطعة الأكثر بعداً (S6). وعلى العكس من ذلك، أظهرت العينات المحيطية زيادة تدريجية في معامل الانفعال العالي من القطع القريبة إلى البعيدة.
  • تباين الخواص: عند الانفعالات العالية، أظهرت العينات المحيطية صلابة وقوة ومتانة أعلى بكثير من العينات الطولية، وهو فرق ازداد اتجاهاً نحو الأبهر البعيد قبل أن يتقارب في القطعة البعيدة الأكثر (S6). عند الانفعالات المنخفضة، مالت العينات الطولية لتكون أكثر صلابة، وإن كان ذلك ذا دلالة إحصائية فقط في القطعة S4.
  • المتانة: انخفضت المتانة في العينات المحيطية باتجاه الجزء البعيد، بينما زادت في العينات الطولية. وبناءً على ذلك، فإن الفرق الواضح في المتانة بين الاتجاهات الملاحظ في القطع القريبة (S1–S4) اختفى في القطع البعيدة (S5–S6).
• أنماط الفشل: اختلف سلوك التمزق باختلاف الاتجاه. في العينات الطولية، تمزقت الطبقة الداخلية (الأنطال) باستمرار أولاً، تلتها الطبقة المتوسطة والطبقة الخارجية عند مستويات انفعال أعلى. أما في العينات المحيطية، فقد تمزقت جميع الطبقات الثلاث في وقت واحد.

الأهمية والادعاءات
يزعم المؤلفون أن هذه النتائج تثبت أن الأبهر الصدري لدى الخنازير لا يمكن معاملته كبنية متجانسة ميكانيكياً. وتؤكد الدراسة أن الموقع التشريحي واتجاه التحميل هما عاملان حاسمان في الميكانيكا الحيوية التجريبية للأبهر، وفي النمذجة الميكانيكية الحيوية، وفي تطوير الأجهزة الوعائية.

• الآثار المترتبة على النمذجة: تشير البيانات إلى أن النماذج الحسابية لأمراض الأبهر وخطر التمزق يجب أن تستخدم خصائص مواد متباينة ومحددة لكل منطقة بدلاً من الافتراضات المتجانسة. علاوة على ذلك، فإن نمط الفشل المتسلسل الملاحظ في العينات الطولية (الطبقة الداخلية أولاً) يدعم استخدام النماذج الخاصة بكل طبقة، لا سيما لمحاكاة الحالات المعرضة للتشرح.
• الرؤية المرضية الفسيولوجية: قد يساعد الارتفاع الملحوظ في الصلابة وانخفاض الامتثال باتجاه الأبهر البعيد في تفسير التطور التفضيلي لتمدد الأوع "الأنيوريزما" في الأبهر البطني. إذا استمر هذا الاتجاه نحو زيادة الصلابة في منطقة الأبهر البطني، فقد تصبح الأنسجة أقل قدرة على امتصاص الأحمال النابضة، مما يؤدي إلى ارتفاع إجهاد الجدار الموضعي والتوسع التدريجي.
• المساهمة المنهجية: من خلال تقديم توصيف عالي الدقة لعدم التجانس الإقليمي، تهدف الدراسة إلى تحسين النماذج الميكانيكية الحيوية ودعم تطوير أدوات تنبؤية أكثر دقة لتطور الأمراض الوعائية.

يقر المؤلفون بوجود قيود، وتحديداً استخدام الأنسجة المجمدة (التي قد تؤثر على الخصائص الميكانيكية) والاختبار أحادي المحور (الذي لا يحاكي تماماً حالة الإجهاد ثنائية المحور في الجسم الحي). ويقترحون أن العمل المستقبلي يجب أن يهدف إلى تنفيذ الاختبار الثنائي المحور وبروتوكولات الأنسجة الطازجة لمزيد من التحقق من صحة هذه النتائج.