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 Samenvatting: Biomechanische Eigenschappen van de Porciene Thoracale Aorta

Probleemstelling
De mechanische integriteit van de wand van de aorta is fundamenteel voor de fysiologische functie en de vatbaarheid voor pathologieën zoals aortadissectie en abdominale aorta-aneurysma's (AAA). Computationele modellen, met name die gebaseerd op de eindige elementenmethode (FEM), zijn sterk afhankelijk van nauwkeurige materiaaleigenschappen om wandspanning en breukrisico te voorspellen. De aorta is echter mechanisch heterogeen en anisotroop, waarbij de eigenschappen variëren per anatomische locatie, belastingsrichting en weefselmicrostructuur. Hoewel porciene aorta's breed worden gebruikt als experimentele modellen vanwege hun structurele en biomechanische gelijkenis met die van mensen, blijft een systematische karakterisering van de mechanische eigenschappen langs de gehele thoracale aorta beperkt. Eerdere studies schoten vaak tekort in het bieden van uitgebreide gegevens over hoe de elasticiteitsmodulus, uiteindelijke spanning, rek bij breuk en weefseltaaiheid variëren per longitudinale anatomische locatie, circumferentiële positie en belastingsoriëntatie, of werden bemoeilijkt door methodologische verschillen en onvolledige breukanalyse.

Methodologie
Deze studie bood een diepgaande biomechanische karakterisering van de porciene thoracale aorta met behulp van uniaxiale trekproeven.

• Monsterverzameling: Tien porciene thoracale aorta's werden verkregen van een lokale slachthuis. De monsters werden bewaard bij -20°C in een fysiologische buffer en ontdooid vóór het testen.
• Steekproefstrategie: Elke aorta werd verdeeld in zes segmenten van 5 cm (S1–S6), beginnend bij de ascenderende aorta nabij de coronairostia. Van elk segment werden acht weefselpatches geoogst. Deze werden verder onderverdeeld in circumferentiële en longitudinale monsters, en gecategoriseerd naar anatomische positie (Posterieur, Anterior, Links, Rechts). Dit resulteerde in een totaal van 480 monsters (48 per aorta).
• Testprotocol: De monsters werden onderworpen aan uniaxiale trekproeven in Ringer-oplossing bij 37°C met behulp van een ADMET-systeem met een 10-lb load cell. Er werden op maat gemaakte 3D-geprinte klemmen gebruikt om slip en schade te minimaliseren.
• Preconditionering: Om reproduceerbaarheid te garanderen, ondergingen de monsters 10 preconditioneringscycli. Drempelwaarden voor kracht werden individueel berekend op basis van de oorspronkelijke aortadiameter en de wet van Laplace om te corresponderen met doeldrukken van 70 en 140 mmHg.
• Breuktesten: Na de preconditionering werden de monsters monotoon verlengd met een constante snelheid van 0,5 mm/s tot breuk.
• Data-analyse: Ruwe kracht-verplaatsingsgegevens werden omgezet naar engineering en true stress-strain curves. Belangrijke parameters die werden geëxtraheerd waren de lage-rek (10–30%) en hoge-rek (70–90%) moduli, breukspanning, breukrek en weefseltaaiheid (geabsorbeerde energie tot breuk). Statistische analyse werd uitgevoerd met ANOVA met een Tukey's post hoc test.

Belangrijkste Resultaten
De studie onthulde onderscheidende regionale, oriëntatie- en rekafhankelijke biomechanische gedragingen:

• Circumferentiële Homogeniteit: Er werden geen significante verschillen gevonden in de mechanische eigenschappen op basis van de circumferentiële positie (anterior, posterior, links, rechts) binnen een gegeven segment. Dit suggereert een uniforme circumferentiële opbouw van de wand als reactie op symmetrische drukvelden.
• Longitudinale Heterogeniteit: De biomechanische eigenschappen varieerden significant langs de cranio-caudale as (proximaal naar distaal).
  • Stijfheid: De hoge-rek modulus in longitudinale monsters bleef grotendeels stabiel over de segmenten S1–S5, met een opvallende toename beperkt tot het meest distale segment (S6). Omgekeerd vertoonden circumferentiële monsters een progressieve toename van de hoge-rek modulus van proximaal naar distaal segment.
  • Anisotropie: Bij hoge rek vertoonden circumferentiële monsters een significant hogere stijfheid, sterkte en taaiheid dan longitudinale monsters, een verschil dat toenam richting de distale aorta voordat het convergeerde in het meest distale segment (S6). Bij lage rek waren longitudinale monsters de neiging te hebben stijver te zijn, hoewel dit alleen statistisch significant was in segment S4.
  • Taaiheid: De taaiheid nam distaal af in de circumferentiële monsters, maar nam toe in de longitudinale monsters. Als gevolg hiervan verdween het uitgesproken verschil in taaiheid tussen de oriëntaties die in de proximale segmenten (S1–S4) werd waargenomen in de distale segmenten (S5–S6).
• Breukmodi: Het breukgedrag verschilde per oriëntatie. In longitudinale monsters scheurde de intima consistent eerst, gevolgd door de media en de adventitia bij hogere rekwaarden. In circumferentiële monsters braken alle drie de lagen simultaan.

Betekenis en Claims
De auteurs stellen dat deze bevindingen aantonen dat de porciene thoracale aorta niet als een mechanisch uniform structuur kan worden behandeld. De studie benadrukt dat anatomische locatie en belastingsrichting cruciale factoren zijn in experimentele aortabiomechanica, biomechanische modellering en de ontwikkeling van vasculaire hulpmiddelen.

• Implicaties voor Modellering: De gegevens suggereren dat computationele modellen van aortale ziekte en breukrisico gebruik moeten maken van regio-specifieke en anisotrope materiaaleigenschappen in plaats van homogene aannames. Bovendien ondersteurt het sequentiële breukpatroon waargenomen in longitudinale monsters (eerst de intima) het gebruik van laag-specifieke modellen, met name voor het simuleren van dissectiegevoelige condities.
• Pathofysiologisch Inzicht: De waargenomen toename in stijfheid en afname in compliantie richting de distale aorta kan helpen verklaren waarom aneurysma's zich bij voorkeur ontwikkelen in de abdominale aorta. Als deze trend van verhoogde stijfheid doorzet in het abdominale gebied, kan het weefsel minder goed in staat zijn om pulsatiele belastingen te bufferen, wat leidt tot hogere lokale wandspanning en progressieve dilatatie.
• Methodologische Bijdrage: Door een hoog-resolutie karakterisering van regionale heterogeniteit te bieden, beoogt de studie de biomechanische modellen te verfijnen en de ontwikkeling van nauwkeurigere voorspellende instrumenten voor de progressie van vasculaire ziekten te ondersteunen.

De auteurs erkennen beperkingen, specifelijk het gebruik van bevroren weefsel (wat de mechanische eigenschappen kan beïnvloeden) en uniaxiale testen (die de biaxiale in vivo spanningssituatie niet volledig repliceren). Zij stellen voor dat toekomstig werk zich moet richten op het implementeren van biaxiale testen en protocollen met vers weefsel om deze bevindingen verder te valideren.