The increasingly marked shortage of organs from human donors and the increasing number of patients with severe heart failure have led the researchers to develop new artificial devices capable of partially assisting or completely replacing the biological heart. The commercially available devices allow patients’ survival but do not guarantee a high quality of life due to noise, poor biocompatibility, and therefore the need to administer anticoagulant/antiplatelet therapy, and large dimensions. Presently, the development of a new total artificial heart capable of bypassing the above-mentioned limitations is still challenging. A research project is under development at the University of Padua: it aims at creating an innovative total artificial heart. In this context, a new material (hybrid membrane) was produced to improve the hemocompatibility of the ventricular chambers. The membrane is made by coupling a synthetic polymer with a decellularized biological tissue, ensuring, on the one hand, adequate mechanical resistance and, on the other hand, guarantying good interactions with the blood, favoring the recellularization of the surface in contact with the blood by circulating cells. In this thesis project, a viscohyperelastic constitutive model has been formulated: it is able to correctly describe the mechanical behavior of the hybrid membrane. The development of the constitutive model is necessary to continue with numerical simulations relating to both mechanical resistance and fluid dynamic functionality of the new artificial heart. In vitro tests with mammalian cells were also performed to evaluate the possible cytotoxicity of the hybrid membrane. The results showed good cell viability and proliferation.

La carenza di organi da donatori, sempre più marcata, e l’aumento del numero di pazienti con scompenso cardiaco grave, hanno portato il mondo della ricerca a sviluppare nuovi dispositivi artificiali in grado di assistere parzialmente o sostituire completamente il cuore biologico. I dispositivi attualmente in commercio sono funzionali per la sopravvivenza ma non sono in grado di garantire una elevata qualità di vita, soprattutto a causa del rumore, della scarsa biocompatibilità, e quindi della necessità di assumere un’importante terapia anticoagulante e antiaggregante, delle dimensioni elevate. Oggi l’obiettivo fondamentale è quello di sviluppare un nuovo cuore totale artificiale in grado di risolvere i problemi sopra citati. Da qualche anno, presso l’Università di Padova si sta sviluppando un progetto di ricerca finalizzato alla creazione di un cuore totale artificiale innovativo. In questo ambito, è stato prodotto un nuovo materiale (membrana ibrida) in grado di migliorare l’emocompatibilità delle camere ventricolari. La membrana è realizzata per mezzo dell’accoppiamento di un polimero sintetico con un tessuto biologico decellularizzato, permettendo di assicurare, da un lato, adeguata resistenza meccanica e, dall’altro lato, di garantire una buona interazione con il sangue favorendo la fase di ricellularizzazione della superficie a contatto con il sangue da parte delle cellule in circolo. In questo progetto di tesi è stato formulato un modello costitutivo visco iper-elastico in grado di descrivere correttamente il comportamento meccanico della membrana ibrida. Lo sviluppo del modello costitutivo è necessario per proseguire con lo sviluppo di simulazioni numeriche relative alla tenuta meccanica e alla funzionalità fluidodinamica del nuovo cuore artificiale. Sono stati inoltre eseguiti test in vitro con cellule di mammifero per valutare l’eventuale citotossicità della membrana ibrida. I risultati hanno evidenziato una buona vitalità e proliferazione cellulare.

Membrane ibride per un cuore artificiale totale innovativo: caratterizzazione e formulazione di un modello costitutivo

GEMELLI, ROBERTO
2021/2022

Abstract

The increasingly marked shortage of organs from human donors and the increasing number of patients with severe heart failure have led the researchers to develop new artificial devices capable of partially assisting or completely replacing the biological heart. The commercially available devices allow patients’ survival but do not guarantee a high quality of life due to noise, poor biocompatibility, and therefore the need to administer anticoagulant/antiplatelet therapy, and large dimensions. Presently, the development of a new total artificial heart capable of bypassing the above-mentioned limitations is still challenging. A research project is under development at the University of Padua: it aims at creating an innovative total artificial heart. In this context, a new material (hybrid membrane) was produced to improve the hemocompatibility of the ventricular chambers. The membrane is made by coupling a synthetic polymer with a decellularized biological tissue, ensuring, on the one hand, adequate mechanical resistance and, on the other hand, guarantying good interactions with the blood, favoring the recellularization of the surface in contact with the blood by circulating cells. In this thesis project, a viscohyperelastic constitutive model has been formulated: it is able to correctly describe the mechanical behavior of the hybrid membrane. The development of the constitutive model is necessary to continue with numerical simulations relating to both mechanical resistance and fluid dynamic functionality of the new artificial heart. In vitro tests with mammalian cells were also performed to evaluate the possible cytotoxicity of the hybrid membrane. The results showed good cell viability and proliferation.
2021
Hybrid membranes for an innovative total artificial heart: characterization and formulation of a constitutive model
La carenza di organi da donatori, sempre più marcata, e l’aumento del numero di pazienti con scompenso cardiaco grave, hanno portato il mondo della ricerca a sviluppare nuovi dispositivi artificiali in grado di assistere parzialmente o sostituire completamente il cuore biologico. I dispositivi attualmente in commercio sono funzionali per la sopravvivenza ma non sono in grado di garantire una elevata qualità di vita, soprattutto a causa del rumore, della scarsa biocompatibilità, e quindi della necessità di assumere un’importante terapia anticoagulante e antiaggregante, delle dimensioni elevate. Oggi l’obiettivo fondamentale è quello di sviluppare un nuovo cuore totale artificiale in grado di risolvere i problemi sopra citati. Da qualche anno, presso l’Università di Padova si sta sviluppando un progetto di ricerca finalizzato alla creazione di un cuore totale artificiale innovativo. In questo ambito, è stato prodotto un nuovo materiale (membrana ibrida) in grado di migliorare l’emocompatibilità delle camere ventricolari. La membrana è realizzata per mezzo dell’accoppiamento di un polimero sintetico con un tessuto biologico decellularizzato, permettendo di assicurare, da un lato, adeguata resistenza meccanica e, dall’altro lato, di garantire una buona interazione con il sangue favorendo la fase di ricellularizzazione della superficie a contatto con il sangue da parte delle cellule in circolo. In questo progetto di tesi è stato formulato un modello costitutivo visco iper-elastico in grado di descrivere correttamente il comportamento meccanico della membrana ibrida. Lo sviluppo del modello costitutivo è necessario per proseguire con lo sviluppo di simulazioni numeriche relative alla tenuta meccanica e alla funzionalità fluidodinamica del nuovo cuore artificiale. Sono stati inoltre eseguiti test in vitro con cellule di mammifero per valutare l’eventuale citotossicità della membrana ibrida. I risultati hanno evidenziato una buona vitalità e proliferazione cellulare.
Membrane ibride
Modello costitutivo
Citocompatibilità
Cuore artificiale
Pericardio porcino
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.12608/41234