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

Résumé technique : Propriétés biomécaniques de l'aorte thoracique porcine

Énoncé du problème
L'intégrité mécanique de la paroi aortique est fondamentale pour sa fonction physiologique et sa sensibilité aux pathologies telles que la dissection aortique et les anévrismes de l'aorte abdominale (AAA). Les modèles computationnels, particulièrement ceux basés sur la méthode des éléments finis (MEF), dépendent fortement de propriétés matérielles précises pour prédire le stress pariétal et le risque de rupture. Cependant, l'aorte est mécaniquement hétérogène et anisotrope, avec des propriétés variant selon la localisation anatomique, la direction de charge et la microstructure tissulaire. Bien que les aortes porcines soient largement utilisées comme modèles expérimentaux en raison de leur similitude structurelle et biomécanique avec l'humain, une caractérisation systématique des propriétés mécaniques sur l'ensemble de l'aorte thoracique reste limitée. Les études précédentes manquaient souvent de données exhaustives sur la manière dont le module d'élasticité, la contrainte ultime, la déformation à la rupture et la ténacité du tissu varient selon la localisation anatomique longitudinale, la position circonférentielle et l'orientation de la charge, ou étaient compliquées par des différences méthodologiques et des analyses de rupture incomplètes.

Méthodologie
Cette étude a fourni une caractérisation biomécanique approfondie de l'aorte thoracique porcine en utilisant des essais de traction uniaxiale.

• Acquisition des spécimens : Dix aortes porcines ont été obtenues auprès d'un abattoir local. Les spécimens ont été conservés à -20 °C dans un tampon physiologique et décongelés avant les tests.
• Stratégie d'échantillonnage : Chaque aorte a été divisée en six segments de 5 cm (S1–S6) partant de l'aorte ascendante près des ostia coronaires. De chaque segment, huit patchs tissulaires ont été prélevés. Ceux-ci ont été subdivisés en spécimens circonférentiels et longitudinaux, et classés par position anatomique (Postérieur, Antérieur, Gauche, Droite). Cela a donné un total de 480 spécimens (48 par aorte).
• Protocole de test : Les spécimens ont été soumis à une traction uniaxiale dans une solution de Ringer à 37 °C à l'aide d'un système ADMET équipé d'une cellule de charge de 10 lb. Des pinces imprimées en 3D sur mesure ont été utilisées pour minimiser le glissement et les dommages.
• Préconditionnement : Pour assurer la reproductibilité, les spécimens ont subi 10 cycles de préconditionnement. Les seuils de force ont été calculés individuellement en fonction du diamètre aortique d'origine et de la loi de Laplace afin de correspondre à des pressions cibles de 70 et 140 mmHg.
• Test de rupture : Après le préconditionnement, les spécimens ont été allongés de manière monotone à une vitesse constante de 0,5 mm/s jusqu'à la rupture.
• Analyse des données : Les données brutes de force-déplacement ont été converties en courbes de contrainte-déformation (ingénierie et réelle). Les paramètres clés extraits comprenaient les modules à faible déformation (10–30 %) et à haute déformation (70–90 %), la contrainte de rupture, la déformation de rupture et la ténacité du tissu (énergie absorbée jusqu'à la rupture). L'analyse statistique a été réalisée par ANOVA avec le test post hoc de Tukey.

Résultats clés
L'étude a révélé des comportements biomécaniques distincts selon la région, l'orientation et la déformation :

• Homogénéité circonférentielle : Aucune différence significative n'a été trouvée dans les propriétés mécaniques selon la position circonférentielle (antérieure, postérieure, gauche, droite) au sein d'un même segment. Cela suggère une formation circonférentielle uniforme de la paroi en réponse à des champs de pression symétriques.
• Hétérogénéité longitudinale : Les propriétés biomécaniques variaient de manière significative le long de l'axe cranio-caudal (proximal vers distal).
  • Rigidité : Le module à haute déformation des spécimens longitudinaux est resté largement stable à travers les segments S1–S5, avec une augmentation marquée confinée au segment le plus distal (S6). Inversement, les spécimens circonférentiels ont montré une augmentation progressive du module à haute déformation des segments proximaux vers les segments distaux.
  • Anisotropie : À des déformations élevées, les spécimens circonférentiels ont présenté une rigidité, une résistance et une ténacité significativement plus élevées que les spécimens longitudinaux, une différence qui s'est accentuée vers l'aorte distale avant de converger dans le segment le plus distal (S6). À de faibles déformations, les spécimens longitudinaux avaient tendance à être plus rigides, bien que cela ne soit statistiquement significatif que dans le segment S4.
  • Ténacité : La ténacité a diminué distalement dans les spécimens circonférentiels mais a augmenté dans les spécimens longitudinaux. Par conséquent, la différence prononcée de ténacité entre les orientations observée dans les segments proximaux (S1–S4) a disparu dans les segments distaux (S5–S6).
• Modes de rupture : Le comportement de rupture différait selon l'orientation. Dans les spécimens longitudinaux, l'intima a systématiquement rompu en premier, suivie de la média et de l'adventitia à des déformations plus élevées. Dans les spécimens circonférentiels, les trois couches ont rompu simultanément.

Signification et affirmations
Les auteurs affirment que ces résultats démontrent que l'aorte thoracique porcine ne peut pas être traitée comme une structure mécaniquement uniforme. L'étude souligne que la localisation anatomique et la direction de la charge sont des facteurs critiques dans l'expérimentation de la biomécanique aortique, la modélisation biomécanique et le développement de dispositifs vasculaires.

• Implications pour la modélisation : Les données suggèrent que les modèles computationnels de la maladie aortique et du risque de rupture devraient utiliser des propriétés matérielles spécifiques à la région et anisotropes plutôt que des hypothèses homogènes. De plus, le mode de rupture séquentiel observé dans les spécimens longitudinaux (l'intima en premier) soutient l'utilisation de modèles spécifiques aux couches, particulièrement pour simuler les conditions propices à la dissection.
• Aperçu physiopathologique : L'augmentation observée de la rigidité et la diminution de la compliance vers l'aorte distale peuvent aider à expliquer le développement préférentiel des anévrismes dans l'aorte abdominale. Si cette tendance à l'augmentation de la rigidité se poursuit dans la région abdominale, le tissu pourrait être moins apte à amortir les charges pulsatiles, entraînant un stress pariétal local plus élevé et une dilatation progressive.
• Contribution méthodologique : En fournissant une caractérisation à haute résolution de l'hétérogénéité régionale, l'étude vise à affiner les modèles biomécaniques et à soutenir le développement d'outils prédictifs plus précis pour la progression des maladies vasculaires.

Les auteurs reconnaissent des limites, spécifiquement l'utilisation de tissus congelés (qui peut affecter les propriétés mécaniques) et les tests uniaxiaux (qui ne reproduisent pas pleinement l'état de contrainte biaxial in vivo). Ils suggèrent que les travaux futurs devraient viser à mettre en œuvre des tests biaxiaux et des protocoles sur tissus frais pour valider davantage ces résultats.