Development of an in vitro bladder model to investigate Overactive Bladder Disorder

Overactive bladder (OAB) is defined as Urinary urgency, usually accompanied by frequency and nocturia, with or without urgency urinary incontinence (UI), in the absence of urinary tract infection (UTI) or other obvious pathology. The main cause is involuntary bladder contractions, known as detrusor overactivity (DO), typically diagnosed when a pressure rise of at least 5 cmH2 is recorded during cystometry. However, not all patients diagnosed with OAB meet the diagnostic criteria for DO, even though involuntary contractions may still be the cause. To overcome this, a pressure-volume catheter can be used to detect and localize contractions by measuring not only pressure but also regional volume changes, enabling DO diagnosis. Localizing contractions may also allow precise botulinum toxin injections, reducing side effects. This project aims to create a bladder model with mechanical properties similar to physiological tissue for testing such device. Models were fabricated using 3D-printed molds for casting silicone phantoms. Initially, spherical models with different materials and thicknesses were created. Results coming from compliance and axial tests proved that Ecofex 00-20 (a silicone) and 3 mm thickness best replicated tissue properties. This material and thickness were then used to fabricate anatomically accurate models derived from CT and laser scans. All models underwent compliance testing and the results compared with pig bladder data. Based on Cohen's distance, the laser-based model was the closest match to biological tissue. Lastly, contraction simulations with pressure increases below 5 cmH2 were performed on spherical, CT-based, and laser-based models, all with the same material and thickness. The device detected contractions in all cases and in pig bladder and laser based models, it also localized the contraction, identified as regional volume decreases in the affected area and compensatory increases elsewhere. Further optimization of the catheter is needed, and additional tests should be performed on patients with a fully filled bladder to minimize protrusion and enhance localization accuracy.

La vescica iperattiva (OAB) è definita come "Urgenza urinaria, solitamente accompagnata da frequenza e nicturia, con o senza incontinenza urinaria da urgenza (UI), in assenza di infezione delle vie urinarie (UTI) o di altra patologia evidente. La causa principale è rappresentata da contrazioni involontarie del muscolo vescicale, note come iperattività del detrusore (DO), generalmente diagnosticate quando si registra un aumento pressorio di almeno 5 cmH2 o durante la cistometria. Tuttavia, non tutti i pazienti a cui è stata diagnosticata la OAB soddisfano i criteri diagnostici per la DO, anche se le contrazioni involontarie potrebbero comunque esserne la causa. Per superare questa limitazione, può essere utilizzato un catetere pressione-volume, in grado di rilevare e localizzare le contrazioni misurando non solo la pressione, ma anche le variazioni volumetriche locali, consentendo così la diagnosi. La localizzazione delle contrazioni potrebbe inoltre permettere l'iniezione mirata della tossina botulinica, riducendo gli effetti collaterali. Questo progetto ha l'obiettivo di creare un modello di vescica con proprietà meccaniche simili a quelle del tessuto fisiologico, utile per testare tale dispositivo. I modelli sono stati realizzati utilizzando stampi 3D nei quali è stato poi colato il silicone. Inizialmente sono stati creati modelli sferici con diversi materiali e spessori. I risultati dei test di compliance e assiali hanno mostrato che Ecofex 00-20 (un tipo di silicone) con uno spessore di 3 mm replicava al meglio le proprietà del tessuto biologico. Questo materiale e spessore sono stati quindi utilizzati per la realizzazione dei modelli anatomici basati su immagini TAC e scansioni laser. Tutti i modelli sono stati sottoposti a test di compliance e i risultati confrontati con i dati ottenuti da vesciche suine. Analizzando la distanza di Cohen, il modello basato su scansione laser è risultato essere il più simile al tessuto biologico. Infine, sono state simulate contrazioni con aumenti pressori inferiori a 5 cmH2 su modelli sferici, da TAC e da scansione laser, tutti realizzati con lo stesso materiale e spessore. Il dispositivo ha rilevato le contrazioni in tutti i casi e, nei modelli suino e laser-based, è riuscito anche a localizzarle, registrando una riduzione di volume nell'area di contrazione e aumenti nelle altre regioni. In futuro sono necessarie ulteriori ottimizzazioni del catetere e test aggiuntivi su pazienti con la vescica completamente piena, per minimizzare la presenza di protrusioni dell'organo e quindi migliorare la capacità di localizzazione delle contrazioni.