Development and Preliminary use of 3D Printed System to Perform Ring Tensile Tests on Small Blood Vessels

Quantifying the mechanical properties of small-caliber vessels in animals plays an important role in research to develop in-silico models that faithfully replicate physiological and pathological conditions. Uniaxial ring tests are among the most widely adopted options for collecting data on vessels of these dimensions. However, to date, a small number of set-ups used for these tests have been developed lacking the ability of accurately performing the experiments, or not affording the proper analysis of the mechanical behavior of small-caliber vessels. The purpose of this work was to develop an innovative set-up that minimizes measurement errors influencing the results of uniaxial ring tests and enables rapid and accurate data collection. To this end, different set-up possibilities were explored in parallel with the development of a protocol necessary to ensure repeatability and uniformity between tests. Various simulations were conducted to study the behavior of the set-ups subjected to the characteristic forces of the tests. Multiple rounds of prototyping were performed to study the geometries and tolerances best suited to these types of tests. From the analyses conducted, the most suitable solution for this application has been deduced. This solution allows for rapid and effective insertion of arterial rings, significantly reduces the time between tests, and exhibited lower compliance than previous equipment, improving the precision and accuracy of the obtained characteristic curves. The accuracy with which the mechanical properties of vessels are derived from the data collected using the set-up presented in this study allows for the implementation of models and simulations that replicate in-vivo conditions to study pathological conditions that characterize these types of vessels. In the future, the geometry and mechanical properties of the set-up could be further refined to improve the precision and accuracy of the obtained characteristic curves.

La caratterizzazione delle proprietà meccaniche dei vasi di piccolo calibro negli animali gioca un ruolo importante nella ricerca per lo sviluppo di modelli in-silico che replicano fedelmente le condizioni fisiologiche e patologiche. I ring test uniassiali sono tra le opzioni più ampiamente adottate per la raccolta di dati su vasi di queste dimensioni. Tuttavia, ad oggi, un numero limitato di set-up utilizzati per questi test sono stati sviluppati senza la capacità di svolgere accuratamente gli esperimenti o senza fornire l'adeguata analisi del comportamento meccanico dei vasi di piccolo calibro. Lo scopo di questo lavoro è stato quello di sviluppare un set-up innovativo che minimizzi gli errori di misura che influenzano i risultati dei test di anello uniaxiali e consenta una raccolta rapida ed accurata dei dati. A tal fine, sono state esplorate diverse possibilità di set-up in parallelo allo sviluppo di un protocollo necessario per garantire la ripetibilità e l'uniformità tra i test. Sono state condotte varie simulazioni per studiare il comportamento dei set-up sottoposti alle forze caratteristiche dei test. Sono state eseguite più fasi di prototipazione per studiare le geometrie e le tolleranze più adatte a questi tipi di test. Dalle analisi condotte, è stata dedotta la soluzione più adatta per questa applicazione. Questa soluzione consente l'inserimento rapido ed efficace di anelli arteriosi, riduce significativamente il tempo tra i test e presenta una compliance inferiore rispetto alle attrezzature precedenti, migliorando la precisione e l'accuratezza delle curve caratteristiche ottenute. L'accuratezza con cui le proprietà meccaniche dei vasi sono derivate dai dati raccolti utilizzando il set-up presentato in questo studio consente l'implementazione di modelli e simulazioni che replicano le condizioni in-vivo per lo studio delle condizioni patologiche che caratterizzano questi tipi di vasi. In futuro, la geometria e le proprietà meccaniche del set-up potrebbero essere ulteriormente affinate per migliorare la precisione e l'accuratezza delle curve caratteristiche ottenute.