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

Resumo Técnico: Propriedades Biomecânicas da Aorta Torácica Suína

Definição do Problema
A integridade mecânica da parede aórtica é fundamental para sua função fisiológica e sua suscetibilidade a patologias como a dissecação aórtica e os aneurismas de aorta abdominal (AAA). Modelos computacionais, particularmente aqueles baseados no método dos elementos finitos (MEF), dependem fortemente de propriedades de materiais precisas para prever a tensão na parede e o risco de ruptura. No entanto, a aorta é mecanicamente heterogênea e anisotrópica, com propriedades que variam conforme a localização anatômica, a direção de carregamento e a microestrutura do tecido. Embora as aortas suínas sejam amplamente utilizadas como modelos experimentais devido à sua semelhança estrutural e biomecânica com os humanos, permanece limitada uma caracterização sistemática das propriedades mecânicas ao longo de toda a aorta torácica. Estudos anteriores frequentemente careciam de dados abrangentes sobre como o módulo de elasticidade, a tensão última, a deformação na falha e a tenacidade do tecido variam com a localização anatômica longitudinal, a posição circunferencial e a orientação de carregamento, ou foram complicados por diferenças metodológicas e análises de falha incompletas.

Metodologia
Este estudo forneceu uma caracterização biomecânica detalhada da aorta torácica suína utilizando testes de tração uniaxial.

• Aquisição de Espécimes: Dez aortas suínas foram obtidas de um abatedouro local. Os espécimes foram armazenados a -20°C em tampão fisiológico e descongelados antes dos testes.
• Estratégia de Amostragem: Cada aorta foi dividida em seis segmentos de 5 cm (S1–S6) começando pela aorta ascendente próxima aos óstios coronários. De cada segmento, oito fragmentos de tecido foram colhidos. Estes foram subdivididos em espécimes circunferenciais e longitudinais, e categorizados por posição anatômica (Posterior, Anterior, Esquerda, Direita). Isso resultou em um total de 480 espécimes (48 por aorta).
• Protocolo de Teste: Os espécimes foram submetidos a tração uniaxial em solução de Ringer a 37°C usando um sistema ADMET com uma célula de carga de 10 lb. Grampos impressos em 3D customizados foram usados para minimizar o deslizamento e danos.
• Pré-condicionamento: Para garantir a reprodutibilidade, os espécimes passaram por 10 ciclos de pré-condicionamento. Limiares de força foram calculados individualmente com base no diâmetro aórtico original e na lei de Laplace para corresponder às pressões alvo de 70 e 140 mmHg.
• Teste de Falha: Após o pré-condicionamento, os espécimes foram alongados monotonicamente a uma taxa constante de 0,5 mm/s até a ruptura.
• Análise de Dados: Dados brutos de força-deslocamento foram convertidos em curvas de tensão-deformação de engenharia e reais. Os principais parâmetros extraídos incluíram módulos de baixa deformação (10–30%) e alta deformação (70–90%), tensão de ruptura, deformação de ruptura e tenacidade do tecido (energia absorvida até a ruptura). A análise estatística foi realizada por ANOVA com teste post hoc de Tukey.

Resultos Principais
O estudo revelou comportamentos biomecânicos distintos dependentes de região, orientação e deformação:

• Homogeneidade Circunferencial: Não foram encontradas diferenças significativas nas propriedades mecânicas com base na posição circunferencial (anterior, posterior, esquerda, direita) dentro de qualquer segmento dado. Isso sugere uma construção circunferencial uniforme da parede em resposta a campos de pressão simétricos.
• Heterogeneidade Longitudinal: As propriedades biomecânicas variaram significamente ao longo do eixo crânio-caudal (proximal para distal).
  • Rigidez: O módulo de alta deformação nos espécimes longitudinais permaneceu amplamente estável entre os segmentos S1–S5, com um aumento acentuado confinado ao segmento mais distal (S6). Por outro lado, os espécimes circunferenciais mostraram um aumento progressivo no módulo de alta deformação dos segmentos proximais para os distais.
  • Anisotropia: Em altas deformações, os espécimes circunferenciais exibiram significativamente maior rigidez, resistência e tenacidade do que os longitudinais, uma diferença que aumentou em direção à aorta distal antes de convergir no segmento mais distal (S6). Em baixas deformações, os espames longitudinais tenderam a ser mais rígidos, embora isso tenha sido estatisticamente significativo apenas no segmento S4.
  • Tenacidade: A tenacidade diminuiu distalmente nos espécimes circunferenciais, mas aumentou nos longitudinais. Consequentemente, a diferença pronunciada de tenacidade entre as orientações observada nos segmentos proximais (S1–S4) desapareceu nos segmentos distais (S5–S6).
• Modos de Falha: O comportamento de ruptura diferiu por orientação. Nos espécimes longitudinais, a íntima consistentemente rompeu primeiro, seguida pela média e adventícia em deformações mais altas. Nos espécimes circunferenciais, todas as três camadas romperam simultaneamente.

Significância e Alegações
Os autores afirmam que estes achados demonstram que a aorta torácica suína não pode ser tratada como uma estrutura mecanicamente uniforme. O estudo enfatiza que a localização anatômica e a direção de carregamento são fatores críticos na biomecânica aórtica experimental, modelagem biomecânica e no desenvolvimento de dispositivos vasculares.

• Implicações para Modelagem: Os dados sugerem que modelos computacionais de doenças aórticas e risco de ruptura devem utilizar propriedades de materiais regionais e anisotrópicas, em vez de suposições homogêneas. Além disso, o padrão de falha sequencial observado nos espécimes longitudinais (íntima primeiro) apoia o uso de modelos de camada específica, particularmente para simular condições propensas à dissecação.
• Insight Fisiopatológico: O aumento observado na rigidez e a diminuição na complacência em direção à aorta distal pode ajudar a explicar o desenvolvimento preferencial de aneurismas na aorta abdominal. Se esta tendência de aumento de rigidez continuar na região abdominal, o tecido poderá ser menos capaz de amortecer cargas pulsáteis, levando a uma maior tensão local na parede e dilatação progressiva.
• Contribuição Metodológica: Ao fornecer uma caracterização de alta resolução da heterogeneidade regional, o estudo visa refinar modelos biomecânicos e apoiar o desenvolvimento de ferramentas preditivas mais precisas para a progressão de doenças vasculares.

Os autores reconhecem limitações, especificamente o uso de tecido congelado (que pode afetar as propriedades mecânicas) e o teste uniaxial (que não replica totalmente o estado de tensão biaxial in vivo). Eles sugerem que trabalhos futuros devam visar a implementação de testes biaxiais e protocolos de tecido fresco para validar ainda mais esses achados.