Dalla caratterizzazione sperimentale alla simulazione numerica: studio del comportamento meccanico di condotti vascolari ibridi per applicazioni cardiovascolari

In the cardiovascular field, the replacement of damaged vascular segments still represents a significant challenge. Currently available grafts, whether of biological or synthetic origin, exhibit important limitations, mainly related to biocompatibility, long-term durability, and the difficulty of adequately reproducing mechanical properties. Tissue engineering offers several strategies to overcome these issues, including the use of hybrid materials, which combine the natural compatibility of biological tissues with the strength and stability of synthetic polymers, with the aim of developing more performant and durable grafts. In this context, a project aimed at the development and characterization of hybrid vascular conduits has been initiated at the University of Padua. These conduits are obtained by coupling decellularized porcine pericardium with ChronoFlex AR®, a high-performance polycarbonate urethane. The present study is part of this project and focuses on the description of the mechanical behavior of the individual materials and of the hybrid conduit through the development and implementation of a constitutive model. The mechanical properties of the conduits were characterized based on uniaxial tensile-to-failure tests previously performed on the individual materials and on the hybrid material. The experimental results were used to identify the most suitable constitutive model, which was found to be the first-order incompressible Ogden model. The constitutive models were subsequently implemented in a finite element analysis to computationally reproduce the experimental tests and assess their consistency. The viscous behavior of the material was analyzed through stress relaxation tests. The validation of the identified parameters was finally carried out by means of a computational simulation of the membrane bending test. In order to contextualize the mechanical behavior of the conduits with respect to conditions relevant for vascular applications, inflation and burst pressure tests were performed at the Laboratory of Mechanics of Biological Materials of the University of Padua. During the tests, the samples were subjected to controlled pressure conditions monitored by pressure sensors, while diameter variations as a function of pressure were obtained through video acquisition. Based on the collected data, the compliance of the conduits was finally calculated. The inflation tests allowed the analysis of the conduit behavior under controlled pressure conditions, providing useful indications for a preliminary evaluation of their mechanical response in view of a possible vascular application.

Nel settore cardiovascolare la sostituzione di tratti vascolari danneggiati rappresenta ancora oggi una sfida rilevante. Gli innesti attualmente disponibili, siano essi di origine biologica o sintetica, presentano infatti limitazioni importanti, legate principalmente alla biocompatibilità, alla durata nel tempo e alla difficoltà di riprodurre adeguate proprietà meccaniche. L’ingegneria tissutale propone diverse strategie per superare questi ostacoli, tra cui l’impiego di materiali ibridi, che combinano la naturale compatibilità dei tessuti biologici con la resistenza e la stabilità dei polimeri sintetici, con l’obiettivo di ottenere innesti più performanti e durevoli. In questo contesto, presso l’Università degli Studi di Padova è stato attivato un progetto dedicato alla realizzazione e caratterizzazione di condotti vascolari ibridi, costituiti dall’accoppiamento tra pericardio porcino decellularizzato e ChronoFlex AR®, un policarbonato-uretano ad alte prestazioni. Il presente studio si inserisce all’interno di questo progetto e si concentra sulla descrizione del comportamento meccanico dei singoli materiali e del condotto ibrido attraverso lo sviluppo e l’implementazione di un modello costitutivo. Le proprietà meccaniche dei condotti sono state caratterizzate a partire da prove di trazione a rottura precedentemente eseguite sui singoli materiali e sul materiale ibrido, i cui risultati sono stati utilizzati per l’identificazione del modello costitutivo più adeguato, individuato nel modello di Ogden incomprimibile del primo ordine. I modelli costitutivi sono stati successivamente implementati con un’analisi agli elementi finiti per la riproduzione computazionale delle prove e la valutazione della loro coerenza. Il comportamento viscoso del materiale è stato analizzato sulla base di prove di rilassamento delle tensioni. La validazione dei parametri ottenuti è stata infine verificata tramite la simulazione computazionale della prova di flessione membranale. Al fine di contestualizzare il comportamento meccanico dei condotti rispetto alle condizioni rilevanti per l’applicazione vascolare, sono state condotte prove di insufflazione e di pressione di scoppio presso il Laboratorio di Meccanica dei Materiali Biologici dell’Università di Padova. Durante le prove, i campioni sono stati sottoposti a condizioni pressorie monitorate mediante sensori di pressione, mentre la variazione del diametro rispetto alla pressione è stata ricavata tramite acquisizione video. A partire dai dati ottenuti è stata infine calcolata la compliance dei condotti. Le prove di insufflazione hanno permesso di analizzare il comportamento dei condotti in condizioni pressorie controllate, fornendo indicazioni utili per una valutazione preliminare della loro risposta meccanica in vista di una possibile applicazione in ambito vascolare.