Viscoelastic characterization of the pancreatic tissue and the main pancreatic duct using indentation

Pancreatic surgery is quite challenging because of the soft consistency of the pancreatic parenchyma, and not free from complications, with post-operative pancreatic fistula (POPF) being a significant concern. A collaboration between Politecnico di Milano and Humanitas University was initiated, aiming to enhance surgical outcomes by developing a realistic synthetic phantom replicating the mechanical properties of the pancreas. This phantom would allow surgeons to acquire familiarity with pancreatic consistency and anastomoses, and test innovative techniques, such as suture threads, specifically tailored for the pancreas, in a controlled and risk-free environment. Knowledge on pancreas mechanical behavior is currently limited. This study employed indentation (Bioindenter UNHT3 Bio, Anton Paar GmbH, Graz, Austria) to comprehensively characterize pancreatic samples, including both the pancreatic parenchyma and the main pancreatic duct (MPD), focusing on their time-dependent and viscoelastic properties. Indentation tests were conducted to gather information for selecting a proper synthetic material. The elastic modulus (E) was calculated for 43 pancreatic samples, resulting in a mean value of 1.890 ± 1.127 kPa, and for 23 MPD samples with a mean value of 2.819 ± 1.614 kPa. As expected, pancreas and MPD exhibited different elastic modulus values because of their different compositions, with higher values for the MPD. Cyclic indentations suggested potential strain hardening, while creep tests showed the expected trend for viscoelastic materials, with a gradual increase in displacement as the load is fixed until eventually reaching a plateau. Recognizing that the elastic modulus under static conditions is insufficient to discriminate between synthetic materials, indentation was also employed to perform dynamic mechanical analysis (DMA). The storage (E’) and loss (E’’) moduli for the pancreatic parenchyma were found to be 3.808 ± 1.078 kPa and 0.433 ± 0.362 kPa respectively. For the MPD, E’ was equal to 6.544 ± 5.930 kPa, and E’’ to 0.701 ± 1.031 kPa. A comparison was made between samples for which both the pancreas and the MPD were tested, revealing no significant differences between E’ and E’’. Notably, in both groups, the elastic contribution (E’) predominated. This thesis provides a solid base for selecting suitable synthetic materials based on the discovered pancreatic properties. The mean elastic modulus will act as the starting point in the material selection process, followed by the evaluation of E’ and E’’.

La chirurgia pancreatica, complessa a causa della soffice consistenza del parenchima pancreatico, è spesso seguita da complicazioni. Tra queste, la fistola pancreatica post-operatoria (POPF) emerge come la prevalente. Per affrontare tale problema, è nata una collaborazione tra il Politecnico di Milano e l’Università Humanitas, volta a migliorare gli esisti chirurgici tramite lo sviluppo di un fantoccio sintetico replicante le proprietà meccaniche del pancreas. Questo fantoccio consentirebbe ai chirurghi di acquisire familiarità con la consistenza e le anastomosi pancreatiche, e di testare tecniche chirurgiche innovative, come fili di sutura e adesivi sviluppati specificatamente per il tessuto pancreatico, in un ambiente controllato e privo di rischi. L’attuale conoscenza circa le proprietà meccaniche del pancreas è limitata. Il presente studio utilizza l’indentazione (Bioindenter UNHT3 Bio, Anton Paar GmbH, Graz, Austria) per caratterizzare campioni pancreatici, comprendenti sia il parenchima pancreatico che il dotto pancreatico principale (MPD), ponendo particolare attenzione alle loro proprietà tempo-dipendenti e viscoelastiche. I test di indentazione hanno fornito informazioni utili per la selezione di un materiale sintetico adeguato. Il modulo elastico (E) è stato calcolato per 43 campioni di pancreas, rivelando un valore medio di 1.890 ± 1.127 kPa, e per 23 campioni di MPD con un valore medio pari a 2.819 ± 1.614 kPa. Come previsto, pancreas e dotto pancreatico mostrano valori differenti di modulo elastico a causa della loro diversa composizione, con valori più elevati per il dotto. I test di creep hanno rivelato che il pancreas segue il tipico comportamento dei materiali viscoelastici, con un graduale aumento dello spostamento fino all’eventuale raggiungimento di valori costanti. Siccome il modulo elastico in condizioni statiche non è sufficiente per discriminare tra diversi materiali sintetici, l’indentazione è stata successivamente impiegata per condurre un’analisi dinamico meccanica (DMA). Il modulo conservativo (E’) e dissipativo (E’’) per il parenchima pancreatico sono risultati, rispettivamente, pari a 3.808 ± 1.078 kPa e 0.433 ± 0.362 kPa. Per il dotto pancreatico, E’ è risultato pari a 6.544 ± 5.930 kPa e E’’ a 0.701 ± 1.031 kPa. Il confronto dei risultati di DMA tra campioni di pancreas e MPD non ha rivelato differenze significative tra i due gruppi, entrambi caratterizzati da una componente elastica (E’) prevalente rispetto a quella viscosa. Questo lavoro di tesi fornisce una solida base per la selezione di materiali sintetici, utilizzando le informazioni sulle proprietà del pancreas acquisite durante lo studio. Il modulo elastico medio sarà il punto di partenza per la selezione preliminare dei materiali, seguito dall’analisi di E’ e E’’.