Test di gonfiaggio per la caratterizzazione meccanica dell'anisotropia del pericardio bovino

The bovine pericardium (BP) is one of the most adopted materials for the manufacturing of bio-prosthetic heart valves. Being composed by an extracellular matrix and multi-directional bundles of collagen fibres, this tissue is mechanically anisotropic. The fibres are the principal load bearing component and, for this reason, their orientation directly impacts on the mechanical behaviour of the material, characterising its strength and stiffness. However, the standard ISO 5840 for the design and manufacture of prosthetic heart valves does not require the identification of the preferential direction the fibres are aligned with. Therefore, there is no evidence that bio-prosthetic heart valves are designed to exploit the tissue anisotropy in a systematic way. Because of that, the aim of this thesis is to evaluate, through a mechanical bulge test, the degree of anisotropy of the bovine pericardium chemically treated with glutaraldehyde. In order to do that, 37 patches of BP, categorised into three different classes of thickness, have been analysed. The simultaneous usage of a confocal laser microscopy and of the mechanical test allows to extract the information referred to the configuration of the patches at different levels of pressure. Through these data the maximum vertical displacement and DA have been computed at each level of pressure. DA is a parameter that quantifies the degree of anisotropy of the material starting from the principal curvatures. Comparing the results with the ones obtained testing three isotropic membranes, it has been possible to conclude that all the patches of BP have a relevant anisotropic behaviour. Moreover, from the statistical analysis the influence of each sample thickness on the displacement caused by the applied pressure has been verified. On the contrary, since the results were dispersed, it has not been possible to determine a correlation between DA and the patch thickness. Ultimately, the experimental scenario has been reproduced through a finite element model. In this way, the parameters of the Holzapfel-Gasser-Ogden constitutive model have been identified. These parameters allow to replicate the mechanical behaviour of the bovine pericardium tested in this thesis. The comparison with the computational results has demonstrated that the bulge test allows to identify both the parameter related to the stiffness of the fibres and the one pertaining to their spatial orientations dispersion.

Il pericardio bovino è tra i tessuti più utilizzati per la realizzazione di protesi valvolari biologiche. Questo tessuto è meccanicamente anisotropo, in quanto costituito da una matrice extracellulare e da fasci multidirezionali di collagene, che sono i principali responsabili nel sostenere il carico. Per questo motivo, la disposizione delle fibre di collagene regola la risposta meccanica del tessuto, determinando la resistenza e la rigidezza del materiale. Tuttavia, poiché la norma ISO 5840, che regola la progettazione e la realizzazione di protesi valvolari, non prevede l’identificazione della direzione preferenziale delle fibre, non vi è alcuna prova che le protesi valvolari siano realizzate sfruttando l'anisotropia tissutale in modo sistematico. Per questo motivo, nel presente lavoro 37 provini di pericardio bovino trattato con glutaraldeide, suddivisi in tre classi di spessore, vengono sottoposti a test di gonfiaggio, al fine di valutarne il grado di anisotropia. I dati relativi alla configurazione del pericardio in corrispondenza dei diversi livelli pressori vengono estrapolati tramite l'utilizzo di un microscopio laser confocale simultaneamente alla prova meccanica. Tramite l'analisi dei dati vengono calcolati, per ogni valore di pressione, lo spostamento verticale massimo e GA, un parametro che quantifica il grado di anisotropia del tessuto a partire dai valori delle curvature principali. Grazie al confronto dei risultati con quelli ottenuti dall'analisi di tre membrane isotrope, è stato possibile concludere che tutti i provini di pericardio testati hanno un comportamento anisotropo ben riconoscibile. Inoltre, dall'analisi statistica è stata verificata l'influenza dello spessore dei provini sullo spostamento causato dalla pressione applicata. Al contrario, a causa della dispersione dei risultati, non è stata dimostrata la presenza di una correlazione tra il grado di anisotropia e lo spessore dei provini. Infine, tramite l'utilizzo di un modello agli elementi finiti sviluppato al fine di simulare lo scenario sperimentale, sono stati identificati i parametri del modello costitutivo di Holzapfel-Gasser-Ogden che permettono di replicare il comportamento meccanico del pericardio bovino testato in questo lavoro. Dal confronto con i risultati computazionali è anche emerso che tramite l'utilizzo di test di gonfiaggio è possibile identificare sia un parametro relativo alla rigidezza delle fibre che uno indicativo della dispersione spaziale delle loro orientazioni.