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

Sintesi Tecnica: Proprietà Biomeccaniche dell'Aorta Toracica Porcina

Definizione del Problema
L'integrità meccanica della parete aortica è fondamentale per la sua funzione fisiologica e per la sua suscettibilità a patologie come la dissezione aortica e gli aneurismi dell'aorta addominale (AAA). I modelli computazionali, in particolare quelli basati sul metodo degli elementi finiti (FEM), si affidano pesantemente a proprietà materiali accurate per prevedere lo stress parietale e il rischio di rottura. Tuttavia, l'aorta è meccanicamente eterogenea e anisotropa, con proprietà che variano in base alla posizione anatomica, alla direzione del carico e alla microstruttura tissutale. Sebbene le aorte porcine siano ampiamente utilizzate come modelli sperimentali grazie alla loro somiglianza strutturale e biomeccanica con quelle umane, una caratterizzazione sistematica delle proprietà meccaniche lungo l'intera aorta toracica rimane limitata. Gli studi precedenti spesso carenza di dati completi su come il modulo elastico, lo stress ultimo, la deformazione a rottura e la tenacità del tessuto varino in base alla posizione anatomica longitudinale, alla posizione circonferenziale e all'orientamento del carico, oppure erano complicati da differenze metodologiche e analisi di rottura incomplete.

Metodologia
Questo studio ha fornito una caratterizzazione biomeccanica approfondita dell'aorta toracica porcina utilizzando test di trazione unassiale.

• Acquisizione dei Campioni: Dieci aorte porcine sono state ottenute da un macello locale. I campioni sono stati conservati a -20°C in tampone fisiologico e scongelati prima del test.
• Strategia di Campionamento: Ogni aorta è stata divisa in sei segmenti da 5 cm (S1–S6) partendo dall'aorta ascendente vicino agli osti coronarici. Da ogni segmento, sono stati prelevati otto patch di tessuto. Questi sono stati ulteriormente suddivisi in campioni circonferenziali e longitudinali, e categorizzati per posizione anatomica (Posteriore, Anteriore, Sinistra, Destra). Ciò ha portato a un totale di 480 campioni (48 per aorta).
• Protocollo di Test: I campioni sono stati sottoposti a trazione unassiale in soluzione di Ringer a 37°C utilizzando un sistema ADMET con una cella di carico da 10 lb. Sono stati utilizzati morsetti personalizzati stampati in 3D per minimizzare lo scivolamento e i danni.
• Precondizionamento: Per garantire la riproducibilità, i campioni sono stati sottoposti a 10 cicli di precondizionamento. Le soglie di forza sono state calcolate individualmente in base al diametro aortico originale e alla legge di Laplace per corrispondere a pressioni target di 70 e 140 mmHg.
• Test di Rottura: Dopo il precondizionamento, i campioni sono stati allungati monotonicamente a una velocità costante di 0,5 mm/s fino alla rottura.
• Analisi dei Dati: I dati grezzi di forza-spostamento sono stati convertiti in curve sforzo-deformazione ingegneristiche e reali. I parametri chiave estratti includevano i moduli a bassa deformazione (10–30%) e ad alta deformazione (70–90%), lo stress di rottura, la deformazione di rottura e la tenacità del tessuto (energia assorbita fino alla rottura). L'analisi statistica è stata eseguita tramite ANOVA con test post hoc di Tukey.

Risultati Chiave
Lo studio ha rivelato comportamenti biomeccanici distinti per regione, orientamento e deformazione:

• Omogeneità Circonferenziale: Non sono state trovate differenze significative nelle proprietà meccaniche in base alla posizione circonferenziale (anteriore, posteriore, sinistra, destra) all'interno di un dato segmento. Ciò suggerisce una formazione uniforme della parete in risposta a campi di pressione simmetrici.
• Eterogeneità Longitudinale: Le proprietà biomeccaniche variavano significativamente lungo l'asse cranio-caudale (prossimale-distale).
  • Rigidità: Il modulo ad alta deformazione nei campioni longitudinali è rimasto ampiamente stabile attraverso i segmenti S1–S5, con un marcato aumento confinato al segmento più distale (S6). Al contrario, i campioni circonferenziali hanno mostrato un aumento progressivo del modulo ad alta deformazione dai segmenti prossimali a quelli distali.
  • Anisotropia: Ad alte deformazioni, i campioni circonferenziali hanno esibito una rigidità, una resistenza e una tenacità significativamente superiori rispetto ai campioni longitudinali, una differenza che è aumentata verso l'aorta distale prima di convergere nel segmento più distale (S6). A basse deformazioni, i campioni longitudinali tendevano a essere più rigidi, sebbene ciò fosse statisticamente significativo solo nel segmento S4.
  • Tenacità: La tenacità è diminuita distalmente nei campioni circonferenziali ma è aumentata nei campioni longitudinali. Di conseguenza, la pronunciata differenza di tenacità tra gli orientamenti osservata nei segmenti prossimali (S1–S4) è scomparsa nei segmenti distali (S5–S6).
• Modalità di Rottura: Il comportamento di rottura differiva per orientamento. Nei campioni longitudinali, l'intima si è costantemente rotta per prima, seguita da media e avventizia a deformazioni più elevate. Nei campi circonferenziali, tutti e tre gli strati si sono rotti simultaneamente.

Significato e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questi risultati dimostrano che l'aorta toracica porcina non può essere trattata come una struttura meccanicamente uniforme. Lo studio sottolinea che la posizione anatomica e la direzione del carico sono fattori critici nella biomeccanica aortica sperimentale, nella modellazione biomeccanica e nello sviluppo di dispositivi vascolari.

• Implicazioni per la Modellazione: I dati suggeriscono che i modelli computazionali della malattia aortica e del rischio di rottura dovrebbero utilizzare proprietà materiali specifiche per regione e anisotrope, piuttosto che assunzioni omogenee. Inoltre, il modello di fallimento sequenziale osservato nei campioni longitudinali (prima l'intima) supporta l'uso di modelli specifici per strato, in particolare per la simulazione di condizioni predisposte alla dissezione.
• Intuizione Fisiopatologica: L'osservato aumento della rigidità e la diminuzione della compliance verso l'aorta distale possono aiutare a spiegare lo sviluppo preferenziale di aneurismi nell'aorta addominale. Se questa tendenza all'aumento della rigidità continua nella regione addominale, il tessuto potrebbe essere meno capace di tamponare i carichi pulsatili, portando a uno stress parietale locale più elevato e a una dilatazione progressiva.
• Contributo Metodologico: Fornendo una caratterizzazione ad alta risoluzione dell'eterogeneità regionale, lo studio mira a perfezionare i modelli biomeccanici e a supportare lo sviluppo di strumenti predittivi più accurati per la progressione della malattia vascolare.

Gli autori riconoscono i limiti, specificamente l'uso di tessuto congelato (che può influenzare le proprietà meccaniche) e il test unassiale (che non replica pienamente lo stato di stress biassiale in vivo). Suggeriscono che il lavoro futuro dovrebbe mirare a implementare test biassiali e protocolli con tessuto fresco per convalidare ulteriormente questi risultati.