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

技术摘要：猪胸主动脉的生物力学特性

问题陈述
主动脉壁的机械完整性对其生理功能以及对主动脉夹层和腹主动脉瘤（AAA）等病理变化的易感性至关重要。计算模型，特别是基于有限元法（FEM）的模型，高度依赖于准确的材料属性来预测壁应力和破裂风险。然而，主动脉在力学上具有异质性和各向异性，其特性随解剖位置、加载方向和组织微结构的改变而变化。虽然由于结构和生物力学特性与人类相似，猪主动脉被广泛用作实验模型，但对于整个胸主动脉机械特性的系统性表征仍然有限。以往的研究往往缺乏关于弹性模量、极限应力、断裂应变和组织韧性如何随纵向解剖位置、周向位置和加载方向变化的全面数据，或者受到方法论差异和失效分析不完整的困扰。

方法论
本研究通过单轴拉伸试验对猪胸主动脉进行了深入的生物力学表征。

• 样本获取： 从当地屠宰场获取了十根猪胸主动脉。标本储存在 -20°C 的生理缓冲液中，并在测试前解冻。
• 采样策略： 每根主动脉被分为六个 5 cm 的段（S1–S6），从靠近冠状动脉开口的升主动脉开始。从每个段中采集八块组织块。这些组织块被进一步细分为周向和纵向标本，并按解剖位置（后侧、前侧、左侧、右侧）进行分类。这总共产生了 480 个标本（每根主动脉 48 个）。
• 测试方案： 标本在 37°C 的 Ringer 溶液中进行单轴拉伸测试，使用带有 10-lb 载荷传感器的 ADMET 系统。使用定制的 3D 打印夹具以最大限度地减少滑动和损伤。
• 预处理： 为确保重复性，标本经历了 10 次预处理循环。力阈值根据原始主动脉直径和拉普拉斯定律单独计算，以对应目标压力 70 和 140 mmHg。
• 失效测试： 预处理后，标本以 0.5 mm/s 的恒定速率进行单调拉伸直至破裂。
• 数据分析： 将原始力-位移数据转换为工程应力和真实应力-应变曲线。提取的关键参数包括低应变（10–30%）和高应变（70–90%）模量、破裂应力、破裂应变以及组织韧性（直至破裂吸收的能量）。统计分析采用带有 Tukey 事后检验的 ANOVA。

关键结果
研究揭示了明显的区域性、方向性和应变依赖性的生物力学行为：

• 周向均匀性： 在任何给定的段内，未发现机械特性在周向位置（前、后、左、右）存在显著差异。这表明，在对称压力场的作用下，管壁呈现出均匀的周向构建。
• 纵向异质性： 生物力学特性沿头尾轴（近端至远端）表现出显著变化。
  • 刚度： 纵向标本的高应变模量在 S1–S5 段基本保持稳定，仅在最远端段（S6）出现显著增加。相反，周向标本的高应变模量从近端到远端段呈现渐进式增加。
  • 各向异性： 在高应变下，周向标本表现出比纵向标本更高的刚度、强度和韧性，这种差异在向远端主动脉移动时增大，随后在最远端段（S6）趋于汇合。在低应变下，纵向标本倾向于更硬，但这仅在 S4 段具有统计学显著性。
  • 韧性： 周向标本的韧性随远端化而降低，而纵向标本的韧性则随之增加。因此，在近端段（S1–S4）观察到的不同取向间的显著韧性差异，在远端段（S5–S6）消失了。
• 失效模式： 破裂行为因取向而异。在纵向标本中，内膜始终首先破裂，随后是中膜和外膜在高应变下的破裂。在周向标本中，所有三层组织同时破裂。

意义与主张
作者声称，这些发现证明了猪胸主动脉不能被视为机械均匀的结构。研究强调，解剖位置和加载方向是实验主动脉生物力学、生物力学建模以及血管器械开发中的关键因素。

• 建模意义： 数据表明，主动脉疾病和破裂风险的计算模型应利用特定区域和各向异性的材料属性，而非均匀假设。此外，在纵向标本中观察到的顺序失效模式（内膜先破裂）支持了使用分层模型的做法，特别是在模拟易发生夹层的病理条件下。
• 病理生理学见解： 观察到的向远端主动脉刚度增加和顺应性降低的现象，可能有助于解释腹主动脉中动脉瘤的优先发育。如果这种刚度增加的趋势延续到腹主动脉区域，组织可能无法有效缓冲脉动负荷，从而导致更高的局部壁应力和进行性扩张。
• 方法学贡献： 通过提供高分辨率的区域异质性表征，本研究旨在完善生物力学模型，并支持开发更准确的血管疾病进展预测工具。

作者承认了研究的局限性，具体包括使用了冷冻组织（可能会影响机械特性）以及单轴测试（不能完全模拟体内双轴应力状态）。他们建议未来的工作应致力于实施双轴测试和新鲜组织方案，以进一步验证这些发现。