Study of an auxetic cardiac patch capable of conducting electrical signals while minimizing the impact on the mechanical functionality of an infarcted ventricle

In Italy, approximately 16% of mortality is attributed to ischemic heart disease. Myocardial ischemia arises from insufficient oxygen supply, causing cell damage and impacting on both ventricular mechanics and myocardial cell electrical properties. At present, no curative devices are available to treat myocardial infarction, except for a limited number of approaches focused on repairing damaged cardiac or vascular tissue without establishing electrical integration with the tissue. A promising area of research involves myocardial tissue engineering, using hydrogels, scaffolds, and patches to support damaged tissue through cellular and non-cellular approaches. For the latter, it's crucial to restore the electrical properties while maintaining normal heart function. As a result, the mechanical properties of the patch should closely match those of heart tissue. The objective of this thesis is to study the design of an auxetic cardiac patch capable of conducting electrical signals while minimizing the impact on the mechanical functionality of an infarcted ventricle, addressing first the mechanical aspect, then the electrophysiological one. The first step explores the feasibility of utilizing an optimization tool to obtain the desired mechanical properties in an auxetic patch. The employed code proved suitable for this purpose. The mechanical simulations assessed how a patch affects ventricle deformation throughout the cardiac cycle. The findings indicate that applying a patch does not significantly alter the strain field already affected by the infarct. The electrophysiological study evaluated the patch conductivity. The outcomes confirm the capability of the device to conduct electrical signals while preserving the essential characteristics of the stimulus. This work marks an initial phase in developing a therapeutic patch and does not permit a cost-benefit analysis at this point. Nonetheless, it serves as a foundation for future and more comprehensive research on the topic.

In Italia, circa il 16% della mortalità è attribuito alla cardiopatia ischemica. L'ischemia miocardica deriva da un insufficiente apporto di ossigeno, che provoca un danno cellulare, impattando sia sulla meccanica ventricolare sia sulle proprietà elettriche delle cellule miocardiche. Attualmente non sono disponibili dispositivi curativi per il trattamento dell'infarto miocardico, ad eccezione di un numero limitato di approcci incentrati sulla riparazione del tessuto cardiaco o vascolare danneggiato, senza stabilire un'integrazione elettrica con il tessuto. Un'area di ricerca promettente riguarda l'ingegneria del tessuto miocardio, che utilizza idrogeli, scaffold e patch per dare sostegno al tessuto danneggiato attraverso approcci cellulari e non cellulari. In quest'ultimo caso, è fondamentale ripristinare le proprietà elettriche mantenendo la normale funzione cardiaca. Di conseguenza, le proprietà meccaniche del patch devono corrispondere a quelle del tessuto cardiaco. L'obiettivo di questa tesi è studiare il design di un patch cardiaco auxetico in grado di condurre segnali elettrici, minimizzando l'impatto sulla funzionalità meccanica di un ventricolo infartuato, affrontando prima l'aspetto meccanico e poi quello elettrofisiologico. La prima fase esplora la fattibilità dell'utilizzo di uno strumento di ottimizzazione per ottenere le proprietà meccaniche desiderate in un patch auxetico. Il codice utilizzato si è dimostrato adatto a questo scopo. Le simulazioni meccaniche hanno valutato l'effetto del patch sulla deformazione del ventricolo durante il ciclo cardiaco. I risultati indicano che l'applicazione di un patch non altera in modo significativo il campo di deformazione già influenzato dall'infarto. Lo studio elettrofisiologico ha valutato la conduttività del patch. I risultati confermano la capacità del dispositivo di condurre segnali elettrici preservando le caratteristiche essenziali dello stimolo. Questo lavoro segna una fase iniziale nello sviluppo di un patch con proprietà terapeutiche e non consente al momento un'analisi costi-benefici. Tuttavia, serve come base per una ricerca futura e più completa sull'argomento.