Modellazione numerica del comportamento meccanico dei tessuti cardiaci ingegnerizzati

The aim of this thesis project is to develop numerical models based on the Finite Element Method (FEM) to analyze the mechanical behavior of engineered cardiac constructs (Engineered Heart Tissues, EHTs). Cardiac tissue engineering represents a promising strategy for myocardial tissue regeneration; however, understanding the mechanical response of these constructs remains an open challenge. FEM modeling provides an effective tool to accurately reproduce experimental conditions and to obtain detailed information that is difficult to access experimentally. After a brief introduction to the anatomy and physiology of the myocardium, the work focuses on the development of numerical models aimed at reproducing experimental tests. Particular attention is devoted to the fidelity of the geometric reconstruction and to the representation of the internal components of the construct, such as the fibrinogen-based extracellular matrix and the cardiac muscle fibers, analyzing their distribution, orientation, and mutual interactions. The modeling of cardiomyocyte mechanical behavior is based on a formulation originally developed to describe the contractile behavior of skeletal muscle fibers, subsequently adapted to cardiac tissue and implemented within the ABAQUS/CAE software through a user-subroutine. The finite element–based approach enabled an adequate characterization of the mechanical behavior of the constructs by simulating relevant experimental conditions. Modeling the individual components of the construct made it possible to identify the respective roles of the extracellular matrix and cardiac muscle fibers in the overall mechanical response. Overall, the study provides a reference numerical framework that is useful for the correct interpretation of experimental data and for supporting the mechanical analysis of EHTs.

Il progetto di tesi si pone l’obiettivo di sviluppare modelli numerici basati sul metodo degli elementi finiti (Finite Element Method, FEM) per analizzare il comportamento meccanico di costrutti cardiaci ingegnerizzati (Engineered Heart Tissues, EHT). L’ingegneria tissutale cardiaca rappresenta una strategia promettente per la rigenerazione del tessuto miocardico; tuttavia, la comprensione della risposta meccanica dei costrutti rimane una sfida aperta. La modellazione FEM costituisce uno strumento efficace per simulare in modo accurato le condizioni sperimentali e ottenere informazioni dettagliate difficilmente accessibili sperimentalmente. Dopo una breve introduzione all’anatomia e alla fisiologia del miocardio, il lavoro si concentra sullo sviluppo di modelli numerici finalizzati alla riproduzione delle prove sperimentali. Particolare attenzione è rivolta alla fedeltà della ricostruzione geometrica e alla rappresentazione delle componenti interne del costrutto, quali la matrice extracellulare a base di fibrinogeno e le fibre muscolari cardiache, analizzandone distribuzione, orientamento e interazioni reciproche. La modellazione del comportamento meccanico dei cardiomiociti si basa su una formulazione originariamente sviluppata per descrivere il comportamento contrattile delle fibre muscolari scheletriche, successivamente adattata al tessuto cardiaco e implementata all’interno del software ABAQUS/CAE tramite una user-subroutine. L’approccio basato sul metodo agli elementi finiti ha permesso di caratterizzare adeguatamente il comportamento meccanico dei costrutti, simulando le condizioni sperimentali significative. La modellazione delle singole componenti del costrutto ha reso possibile identificare il ruolo della matrice extracellulare e delle fibre muscolari cardiache nella risposta meccanica globale. Nel suo insieme, lo studio fornisce un quadro numerico di riferimento utile per interpretare correttamente i dati sperimentali e per supportare le analisi meccaniche degli EHT.