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

Technische Zusammenfassung: Biomechanische Eigenschaften der porcinen Thoraxaorta

Problemstellung
Die mechanische Integrität der Aortenwand ist grundlegend für ihre physiologische Funktion und ihre Anfälligkeit für Pathologien wie die Aortendissektion und abdominale Aortenaneurysmen (AAA). Computergestützte Modelle, insbesondere solche, die auf der Finite-Elemente-Methode (FEM) basieren, sind stark auf genaue Materialeigenschaften angewiesen, um Wandspannung und Rupturrisiko vorherzusagen. Die Aorta ist jedoch mechanisch heterogen und anisotrop, wobei sich die Eigenschaften je nach anatomischer Lage, Belastungsrichtung und Gewebemikrostruktur unterscheiden. Während porcine Aorten aufgrund ihrer strukturellen und biomechanischen Ähnlichkeit zum Menschen weit verbreitet als experimentelle Modelle genutzt werden, bleibt eine systematische Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften entlang der gesamten Thoraxaorta begrenzt. Vorherige Studien ließen oft umfassende Daten darüber vermissen, wie sich Elastizitätsmodul, ultimative Spannung, Dehnung bei Versagen und Gewebezähigkeit in Abhängigkeit von der longitudinalen anatomischen Lage, der zirkumferentiellen Position und der Belastungsorientierung verändern, oder wurden durch methodische Unterschiede und unvollständige Versagensanalysen erschwert.

Methodik
Diese Studie lieferte eine eingehende biomechanische Charakterisierung der porcinen Thoraxaorta mittels uniaxialer Zugversuche.

• Probenakquise: Zehn porcine Thoraxaorten wurden aus einer lokalen Schlachthalle bezogen. Die Proben wurden bei -20 °C in einem physiologischen Puffer gelagert und vor dem Testen aufgetaut.
• Probenahmestratgie: Jede Aorta wurde in sechs 5-cm-Segmente (S1–S6) unterteilt, beginnend bei der aufsteigenden Aorta nahe der Koronarostien. Aus jedem Segment wurden acht Gewebestücke entnommen. Diese wurden weiter in zirkumferentielle und longitudinale Proben unterteilt und nach anatomischer Position (posterior, anterior, links, rechts) kategorisiert. Dies ergab insgesamt 480 Proben (48 pro Aorta).
• Testprotokoll: Die Proben wurden in Ringer-Lösung bei 37 °C mit einem ADMET-System unter Verwendung einer 10-lb-Lastzelle einem uniaxialen Zug ausgesetzt. Maßgeschneiderte 3D-gedruckte Klemmen wurden verwendet, um Rutschen und Beschädigungen zu minimieren.
• Vorkonditionierung: Um die Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, wurden die Proben 10 Vorkonditionierungszyklen unterzogen. Die Kraftschwellen wurden individuell basierend auf dem ursprünglichen Aortendurchmesser und dem Laplace-Gesetz berechnet, um Zieldrücken von 70 und 140 mmHg zu entsprechen.
• Versuch zum Versagen: Im Anschluss an die Vorkonditionierung wurden die Proben mit einer konstanten Rate von 0,5 mm/s monoton gedehnt, bis ein Bruch eintrat.
• Datenanalyse: Rohdaten der Kraft-Verformung wurden in Spannungs-Dehnungs-Kurven (Engineering- und True-Stress-Strain) umgerechnet. Zu den extrahierten Schlüsselparametern gehörten das Modul bei niedriger Dehnung (10–30 %) und hoher Dehnung (70–90 %), die Bruchspannung, die Bruchdehnung und die Gewebezähigkeit (bis zum Bruch absorbierte Energie). Die statistische Analyse erfolgte mittels ANOVA mit Tukey-Post-hoc-Test.

Wesentliche Ergebnisse
Die Studie zeigte distinkte regionale, orientierungs- und dehnungsabhängige biomechanische Verhaltensweisen auf:

• Zirkumferentielle Homogenität: Es wurden keine signifikanten Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften basierend auf der zirkumferentiellen Position (anterior, posterior, links, rechts) innerhalb eines gegebenen Segments gefunden. Dies deutet auf einen gleichmäßigen zirkumferentiellen Aufbau der Wand als Reaktion auf symmetrische Druckfelder hin.
• Longitudinale Heterogenität: Die biomechanischen Eigenschaften variierten signifikant entlang der kranial-kaudalen Achse (proximal nach distal).
  • Steifigkeit: Das Hochdehnungsmodul der longitudinalen Proben blieb über die Segmente S1–S5 weitgehend stabil, mit einer markanten Zunahme, die auf das am weitesten distale Segment (S6) beschränkt war. Im Gegensatz dazu zeigten die zirkumferentiellen Proben eine progressive Zunahme des Hochdehnungsmoduls von proximal nach distal.
  • Anisotropie: Bei hohen Dehnungen wiesen die zirkumferentiellen Proben eine signifikant höhere Steifigkeit, Festigkeit und Zähigkeit auf als die longitudinalen Proben, wobei sich dieser Unterschied in Richtung der distalen Aorta verstärkte, bevor er im am weitesten distal gelegenen Segment (S6) konvergierte. Bei niedrigen Dehnungen waren die longitudinalen Proben tendenziell steifer, was jedoch nur in Segment S4 statistisch signifikant war.
  • Zähigkeit: Die Zähigkeit nahm in den zirkumferentiellen Proben distal ab, stieg jedoch in den longitudinalen Proben an. Folglich verschwand der ausgeprägte Unterschied in der Zähigkeit zwischen den Orientierungen, der in den proximalen Segmenten (S1–S4) beobachtet wurde, in den distalen Segmenten (S5–S6).
• Versagensmodi: Das Bruchverhalten unterschied sich je nach Orientierung. In longitudinalen Proben rupturierte konsistent zuerst die Intima, gefolgt von Media und Adventitia bei höheren Dehnungen. In zirkumferentiellen Proben ruptierten alle drei Schichten gleichzeitig.

Bedeutung und Behauptungen
Die Autoren behaupten, dass diese Ergebnisse zeigen, dass die porcine Thoraxaorta nicht als mechanisch einheitliche Struktur behandelt werden kann. Die Studie betont, dass die anatomische Lage und die Belastungsrichtung kritische Faktoren für die experimentelle Aortenbiomechanik, die biomechanische Modellierung und die Entwicklung vaskulärer Geräte sind.

• Implikationen für die Modellierung: Die Daten legen nahe, dass computergestützte Modelle der Aortenerkrankung und des Rupturrisikos regionenspezifische und anisotrope Materialeigenschaften verwenden sollten, anstatt homogene Annahmen zu treffen. Zudem unterstützt das beobachtete sequentielle Versagensmuster in longitudinalen Proben (zuerst die Intima) die Verwendung schichtspezifischer Modelle, insbesondere zur Simulation von dissektionsanfälligen Zuständen.
• Pathophysiologische Erkenntnisse: Die beobachtete Zunahme der Steifigkeit und Abnahme der Compliance in Richtung der distalen Aorta könnte helfen zu erklären, warum Aneurysmen bevorzugt in der abdominalen Aorta entstehen. Wenn dieser Trend der zunehmenden Steifigkeit in den abdominalen Bereich anhält, könnte das Gewebe weniger in der Lage sein, pulsatile Lasten abzufedern, was zu höheren lokalen Wandspannungen und progressiver Dilatation führen kann.
• Methodischer Beitrag: Durch die Bereitstellung einer hochauflösenden Charakterisierung der regionalen Heterogenität zielt die Studie darauf ab, biomechanische Modelle zu verfeinern und die Entwicklung präziserer Vorhersagewerkzeuge für die Progression vaskulärer Erkrankungen zu unterstützen.

Die Autoren räumen Einschränkungen ein, insbesondere die Verwendung von gefrorenem Gewebe (welches die mechanischen Eigenschaften beeinflussen kann) und die Durchführung uniaxialer Tests (die den biaxialen In-vivo-Spannungszustand nicht vollständig replizieren). Sie schlagen vor, dass zukünftige Arbeiten biaxiale Tests und Protokolle mit Frischgewebe implementieren sollten, um diese Ergebnisse weiter zu validieren.