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

Resumen Técnico: Propiedades Biomecánicas de la Aorta Torácica Porcina

Planteamiento del Problema
La integridad mecánica de la pared aórtica es fundamental para su función fisiológica y su susceptibilidad a patologías como la disección aórtica y los aneurismas de aorta abdominal (AAA). Los modelos computacionales, particularmente aquellos basados en el método de los elementos finitos (FEM), dependen en gran medida de propiedades materiales precisas para predecir el estrés de la pared y el riesgo de ruptura. Sin embargo, la aorta es mecánicamente heterogénea y anisotrópica, con propiedades que varían según la ubicación anatómica, la dirección de la carga y la microestructura del tejido. Aunque las aortas porcinas se utilizan ampliamente como modelos experimentales debido a su similitud estructural y biomecánica con las humanas, la caracterización sistemática de las propiedades mecánicas a lo largo de toda la aorta torácica sigue siendo limitada. Estudios previos carecieron a menudo de datos exhaustivos sobre cómo el módulo elástico, el esfuerzo último, la deformación en la falla y la tenacidad del tejido varían según la ubicación anatómica longitudinal, la posición circunferencial y la orientación de la carga, o se vieron complicados por diferencias metodológicas y análisis de falla incompletos.

Metodología
Este estudio proporcionó una caracterización biomecánica profunda de la aorta torácica porcina mediante ensayos de tracción uniaxial.

• Adquisición de Especímenes: Se obtuvieron diez aortas torácicas porcinas de un matadero local. Los especímenes se almacenaron a -20 °C en un tampón fisiológico y se descongelaron antes de las pruebas.
• Estrategia de Muestreo: Cada aorta se dividió en seis segmentos de 5 cm (S1–S6) comenzando desde la aorta ascendente cerca de los ostia coronarios. De cada segmento, se recolectaron ocho parches de tejido. Estos se subdividieron además en especímenes circunferenciales y longitudinales, y se categorizaron por posición anatómica (Posterior, Anterior, Izquierda, Derecha). Esto resultó en un total de 480 especímenes (48 por aorta).
• Protocolo de Ensayo: Los especímenes fueron sometidos a tracción uniaxial en solución de Ringer a 37 °C utilizando un sistema ADMET con una celda de carga de 10 lb. Se utilizaron mordazas impresas en 3D personalizadas para minimizar el deslizamiento y el daño.
• Preacondicionamiento: Para asegurar la reproducibilidad, los especímenes pasaron por 10 ciclos de preacondicionamiento. Los umbrales de fuerza se calcularon individualmente basándose en el diámetro aórtico original y la ley de Laplace para corresponder a presiones objetivo de 70 y 140 mmHg.
• Ensayo de Falla: Tras el preacondicionamiento, los especímenes se elongaron de forma monotónica a una velocidad constante de 0.5 mm/s hasta la ruptura.
• Análisis de Datos: Los datos brutos de fuerza-desplazamiento se convirtieron en curvas de esfuerzo-deformación de ingeniería y reales. Los parámetros clave extraídos incluyeron el módulo de baja deformación (10–30%) y de alta deformación (70–90%), el esfuerzo de ruptura, la deformación de ruptura y la tenacidad del tejido (energía absorbida hasta la ruptura). El análisis estadístico se realizó mediante ANOVA con la prueba post hoc de Tukey.

Resultados Clave
El estudio reveló comportamientos biomecánicos distintos según la región, la orientación y la deformación:

• Homogeneidad Circunferencial: No se encontraron diferencias significativas en las propiedades mecánicas basadas en la posición circunferencial (anterior, posterior, izquierda, derecha) dentro de cualquier segmento dado. Esto sugiere una formación uniforme de la pared en respuesta a campos de presión simétricos.
• Heterogeneidad Longitudinal: Las propiedades biomecánicas variaron significativamente a lo largo del eje craneal-caudal (proximal a distal).
  • Rigidez: El módulo de alta deformación en los especímenes longitudinales se mantuvo mayormente estable a través de los segmentos S1–S5, con un aumento marcado confinado al segmento más distal (S6). Por el contrario, los especímenes circunferenciales mostraron un aumento progresivo en el módulo de alta deformación desde los segmentos proximales a los distales.
  • Anisotropía: A altas deformaciones, los especímenes circunferenciales exhibieron significativamente mayor rigidez, resistencia y tenacidad que los especímenes longitudinales, una diferencia que aumentó hacia la aorta distal antes de converger en el segmento más distal (S6). A bajas deformaciones, los especímenes longitudinales tendieron a ser más rígidos, aunque esto solo fue estadísticamente significativo en el segmento S4.
  • Tenacidad: La tenacidad disminuyó distalmente en los especímenes circunferenciales pero aumentó en los longitudinales. En consecuencia, la marcada diferencia de tenacidad entre orientaciones observada en los segmentos proximales (S1–S4) desapareció en los segmentos distales (S5–S6).
• Modos de Falla: El comportamiento de ruptura difirió según la orientación. En los especímenes longitudinales, la íntima siempre se rompió primero, seguida de la media y la adventicia a deformaciones mayores. En los especímenes circunferenciales, las tres capas se rompieron simultáneamente.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que estos hallazgos demuestran que la aorta torácica porcina no puede ser tratada como una estructura mecánicamente uniforme. El estudio enfatiza que la ubicación anatómica y la dirección de la carga son factores críticos en la biomecánica experimental de la aorta, el modelado biomecánico y el desarrollo de dispositivos vasculares.

• Implicaciones para el Modelado: Los datos sugieren que los modelos computacionales de enfermedad aórtica y riesgo de ruptura deberían utilizar propiedades materiales anisotrópicas y específicas de la región en lugar de supuestos homogéneos. Además, el patrón de falla secuencial observado en los especímenes longitudinales (la íntima primero) respalda el uso de modelos de capas específicas, particularmente para simular condiciones propensas a la disección.
• Perspectiva Fisiopatológica: El aumento observado en la rigidez y la disminución en la distensibilidad hacia la aorta distal puede ayudar a explicar el desarrollo preferencial de aneurismas en la aorta abdominal. Si esta tendencia de aumento de rigidez continúa hacia la región abdominal, el tejido podría ser menos capaz de amortiguar las cargas pulsátiles, lo que conduciría a un mayor estrés de la pared local y una dilatación progresiva.
• Contribución Metodológica: Al proporcionar una caracterización de alta resolución de la heterogeneidad regional, el estudio pretende refinar los modelos biomecánicos y apoyar el desarrollo de herramientas predictivas más precisas para la progresión de la enfermedad vascular.

Los autores reconocen limitaciones, específicamente el uso de tejido congelado (que puede afectar las propiedades mecánicas) y la tracción uniaxial (que no replica completamente el estado de tensión biaxial in vivo). Sugieren que el trabajo futuro debería orientarse a implementar pruebas biaxiales y protocolos de tejido fresco para validar más a fondo estos hallazgos.