Development of a transparent and compliant aortic aneurysm phantom for in-vitro investigations

This thesis introduces an innovative approach to the development of a compliant and transparent vascular phantom, specifically replicating the descending abdominal aorta with an aneurysm. This thesis work is a research collaboration with Organa Technology Ltd. (London, UK). The primary objective is to create a model suitable for Particle Image Velocimetry (PIV) device assessment and Endovascular Aneurysm Repair (EVAR) surgical simulations. The PVA hydrogel gelation method in a DMSO aqueous solution serves as the foundational technique for the chosen material’s preparation. The ensuing PVA hydrogel characterization places significant emphasis on achieving a refractive index matching that aligns with the chosen Blood Mimicking Fluid, essential for accurate PIV procedures. Mechanical characterization of the hydrogel aims to identify the optimal PVA percentage, ensuring the phantom accurately mimics the mechanical properties of aneurysmal tissue. An additional tribological characterization assesses the material's coefficient of friction, pertinent to reproduce interactions between the material and surgical tools, for potential clinical trials. The final model undergoes a comprehensive evaluation, encompassing transparency, anatomical and biomechanical fidelity to the descending aortic aneurysm, and the material's stability over time. This research contributes to advancing individualized rupture risk of abdominal aneurysm prediction, and provides a robust platform for device evaluation in the field of vascular modelling. This thesis successfully develops a transparent and compliant aneurysmal aorta phantom, serving as a promising initial prototype. The model exhibits comprehensive optical, mechanical, and tribological characteristics, confirming its suitability for in vitro testing, especially in PIV and EVAR simulations. The innovative mould design and reproducible fabrication techniques contribute to its success, with opportunities for refinement. Stability tests indicate short-term usability, suggesting the potential addition of preservatives to extend shelf life. Overall, the phantom here produced represents an efficient prototype with prospects for further improvements and broader applications in vascular modelling.

Questo lavoro di tesi introduce un approccio innovativo allo sviluppo di un phantom vascolare compliant e trasparente, replicando l'aorta addominale discendente con un aneurisma. Questo lavoro di tesi è una collaborazione di ricerca con la start-up Organa Technology Ltd (Londra, UK). L'obiettivo principale è realizzare un modello adatto alla valutazione dei device per la Particle Image Velocimetry (PIV) e alle simulazioni chirurgiche di riparazione dell'aneurisma endovascolare (EVAR). Il metodo di gelificazione dell'idrogelo di PVA in soluzione acquosa di DMSO serve come tecnica fondamentale per la preparazione del materiale scelto. La successiva caratterizzazione dell'idrogelo di PVA pone notevole enfasi nel raggiungere un indice di rifrazione in corrispondente a quello del Blood Mimicking Fluid scelto, essenziale per procedure PIV accurate. La caratterizzazione meccanica dell'idrogelo mira a identificare la percentuale ottimale di PVA, assicurando che il phantom riproduca con precisione le proprietà meccaniche del tessuto aneurismatico. Una caratterizzazione tribologica aggiuntiva ha valutato il coefficiente di attrito del materiale, necessario per riprodurre le interazioni tra il materiale e gli strumenti chirurgici, per potenziali prove cliniche. Il modello finale è stato sottoposto a una valutazione comprendente trasparenza, fedeltà anatomica e biomeccanica all'aneurisma aortico discendente e la stabilità del phantom realizzato nel tempo. Questa ricerca contribuisce al progresso nella predizione personalizzata del rischio di rottura di aneurisma aortico e fornisce una piattaforma robusta per la valutazione dei dispositivi nel campo della modellazione vascolare. Questa tesi ha sviluppato con successo un phantom trasparente e conforme dell'aorta aneurismatica, fungendo da promettente prototipo. Il modello presenta caratteristiche ottiche, meccaniche e tribologiche adeguate, confermando la sua idoneità per test in vitro, specialmente nelle simulazioni PIV ed EVAR. Il design innovativo dello stampo e le tecniche di fabbricazione riproducibili contribuiscono al successo, ma necessitano di una ulteriore fase di miglioramento. I test di stabilità indicano un impiego del phantom a breve termine, suggerendo l'aggiunta potenziale di conservanti per prolungarne la durata. Nel complesso, il phantom rappresenta un prototipo efficiente con prospettive di miglioramento e applicazioni più ampie nella modellazione vascolare.