Experimental characterisation and computational modelling of human clot analogues

Thrombectomy is the gold standard procedure in case of acute ischemic stroke, caused by the occlusion of a cerebral vessel due to a blood clot. This is an aggregation of mainly red blood cells and platelets, stabilized by a tight network of fibrin fibres, which, in general is formed in order to stop bleeding. However, when a clot is formed inside the vasculature, it is life-threatening, and it has to be removed as soon as possible, for avoiding brain tissue damage. Recently, computational simulations of this procedure have been performed with the aim of better understanding its biomechanics. Having the clot a central role in the in vivo procedure, knowing its mechanical properties and defining a material model to be used in the simulations is essential. Therefore, the first aim of this thesis is to perform a mechanical characterisation of human clot analogues (namely, clots artificially made from human blood) in compression, tension and fracture test with hole and fracture test with crack. The four tests are performed on different samples created from the blood of the same donor, in order to fully characterise the material. The same four tests are repeated for other two donors, in order to study the inter-donor variability. For each donor, clots of three compositions (0%, 1% and 40% of red blood cells) are created and tested, for studying the influence of the composition on the mechanical properties of the thrombi. As found in the literature, increasing red blood cells content leads to a decrease in stiffness. The stress-strain curve is not symmetrical: in compression a hyper-elastic curve is found, with increasing stiffness as the strain increases (which is in line with the state of the art); while in tension an almost linear curve is found. Furthermore, the thrombus material results to be compressible. Regarding the fracture properties, in the tensile test and in the fracture test with hole, the clot behaves as fragile, while in the fracture test with crack it behaves cohesively. The second aim is to define a material model which could be used in finite elements simulations in LS-DYNA (Ansys). The already implemented material model for a simplified_rubber/foam material is used. The material model requires the loading of a uniaxial stress-strain curve and the specification of, among other parameters, the Poisson’s Ratio. One of the three donors is chosen, and three strain-strain curves (one for each composition) are obtained by fitting the experimental data in compression and tension. After the choice of a suitable method for the fitting of the experimental curves and after the calibration of the material parameters exploiting a cube model, the in silico replicas of the experimental tests are performed. The non-ideality of the boundary conditions of the tensile test and of the two fracture tests, which leads to an error of the stress-strain curve resulting from the simulation with respect to the experimental curve, compels to solve an ‘inverse problem’, which aims to find the curve to be given as input in the material model so that the resulting computational stress-strain curve is equal to the experimental one. Then, the fragmentation of the thrombus is introduced, and the simulations of tensile and fracture test with hole successfully replicate the experimental tests. This comparison, along with considerations on the experimental protocol, has arisen interesting question. For example, on the possible influence of the conditions in which the thrombus is formed on its mechanical properties. This thesis is an example of synergy between the experimental and computational worlds and it represents a further step in the in silico replica of the thrombectomy procedure.

La trombectomia è la procedura ritenuta il gold standard in caso di ictus ischemico acuto, causato dalla presenza di un coagulo che occlude un vaso cerebrale. Un coagulo è un ammasso di globuli rossi e piastrine, stabilizzati da una stretta rete di fibrina, che in genere viene formato per fermare il sanguinamento. Tuttavia, un coagulo che si trova all’interno di un vaso cerebrale deve essere rimosso il prima possibile per evitare danni al tessuto cerebrale, potenzialmente fatali. Recentemente sono state sviluppate simulazioni computazionali di questa procedura con lo scopo di comprenderne meglio la biomeccanica. Avendo il coagulo un ruolo centrale nella procedura in vivo, è essenziale conoscerne le proprietà meccaniche e definire un modello di materiale adatto all’utilizzo nelle simulazioni. Quindi, il primo obiettivo della tesi è caratterizzare meccanicamente analoghi di coaguli (cioè coaguli preparati artificialmente) da sangue umano in test di compressione, trazione e frattura di un provino con un foro nel mezzo (frattura con hole) e di un provino con un taglio laterale (frattura con crack). I quattro test sono eseguiti su diversi campioni preparati dal sangue dello stesso donatore, in modo da ottenere una caratterizzazione meccanica del materiale completa. Gli stessi quattro test sono ripetuti per altri due donatori, per studiare la variabilità inter-donatore. Per ogni donatore, sono creati e testati coaguli di tre composizioni (0%, 1% e 40% di globuli rossi), al fine di studiare l’influenza della composizione sulle proprietà meccaniche. Come trovato in letteratura, un aumento del contenuto di globuli rossi porta a una riduzione della rigidezza. La curva sforzo-deformazione non è simmetrica: in compressione risulta iperelastica, con la rigidezza che aumenta all’aumentare della deformazione (in linea con lo stato dell’arte); a trazione, invece, la curva è approssimativamente lineare. Inoltre, il materiale che costituisce il trombo risulta comprimibile. Riguardo alle proprietà a frattura, nel test di trazione e nel test di frattura con hole il coagulo si comporta fragilmente, mentre nel test di frattura con crack si comporta in modo coesivo. Il secondo obiettivo è definire un modello di materiale che possa essere utilizzato in simulazioni agli elementi finiti in LS-DYNA (Ansys). Viene utilizzato un modello di materiale per gomme e schiume già implementato in LS-DYNA; per la sua definizione si richiede una curva di sforzo-deformazione uniassiale e la specifica, tra gli altri parametri, del coefficiente di Poisson. Uno dei tre donatori è scelto e le tre curve sforzo-deformazione (una per ciascuna composizione) sono ottenute interpolando i risultati sperimentali della compressione e della trazione. Dopo la scelta del metodo più opportuno per il fitting delle curve sperimentali e dopo la calibrazione dei parametri del materiale usando un modello di cubo, vengono fatte le repliche in silico dei test sperimentali. La non-idealità delle condizioni al contorno dei test di trazione e frattura, che porta a un errore della curva sforzo-deformazione uscente dalla simulazione rispetto alla curva sperimentale, porta a risolvere un ‘problema inverso’, con lo scopo di trovare la curva da dare come input al modello di materiale affinché la curva sforzo-deformazione risultante dalla simulazione sia uguale alla curva sperimentale. Successivamente, la frammentazione del trombo è introdotta. Con questa le simulazioni del test di trazione e frattura con hole replicano con successo i test sperimentali. Da questo confronto, e da considerazioni sul protocollo sperimentale, sono sorte delle interessanti domande. Per esempio sulla possibile influenza delle condizioni in cui il trombo si forma sulle sue proprietà meccaniche. Questa tesi è un esempio di sinergia tra il mondo sperimentale e quello computazionale e rappresenta un ulteriore passo avanti nella replica in silico della procedura di trombectomia.