On the importance of tissue anisotropy for fluid-structure interaction simulations : application to aortic tissues

The capability of capturing the complex behaviour of biological tissue is one of the main issues for a correct biomechanical modelling. In the literature, many authors highlighted the importance of material anisotropy of soft tissues. In this light, in order to carry out reliable numerical analyses on heart valves and vessels, the presence of different families of oriented fibers has to be taken into account. Although some material models have already been implemented in the most commonly used commercial softwares, sometimes the nature of the material or the peculiarity of the investigation require more accurate constitutive equations. Nevertheless, constitutive models are a simplified representation of a complex reality and need a thorough validation. Experimental data are needed to extract the parameters that give relevance to the material model. In this work we present a versatile anisotropic constitutive model, which allows to describe a hyperplastic matrix with two different families of embedded fibres, whose directions can be locally imposed. The relevance of this model is exploited in structural and FSI simulations on a biological aortic valve model and on a reconstructed aortic root.

La capacità di catturare il comportamento complesso dei tessuti biologici è uno dei problemi principali per formulare una corretta modellazione biomeccanica. In letteratura, molti autori hanno evidenziato l'importanza dell'anisotropia dei tessuti molli. In quest'ottica, al fine di condurre analisi numeriche affidabili su valvole cardiache e vasi, è necessario tenere conto della presenza delle diverse famiglie di fibre presenti al loro interno, le quali sono orientate in maniera preferenziale. Sebbene alcuni modelli di materiali siano già implementati nei software commerciali comunemente usati per l'analisi a elementi finiti, a volte la natura complessa del materiale da modellizzare o la particolarità dell'indagine richiedono l'utilizzo di equazioni costitutive più accurate. Tuttavia, i modelli costitutivi sono una rappresentazione semplificata di una realtà complessa e, perrtanto, è necessaria una validazione approfondita. I dati sperimentali sono necessari per ottenere i set di parametri che conferiscono rilevanza al modello del materiale. In questo lavoro viene proposto un modello costitutivo versatile per la modellizzazione di tessuti anisotropi, il quale consente di descrivere una matrice iperplastica con una oppure due famiglie di fibre incorporate, le cui direzioni possono essere imposte localmente. La rilevanza di questo modello è mostrata nelle simulazioni ad elementi finiti e FSI su un modello di valvola aortica biologica e su una radice aortica ricostruita.