Μηχανικές ιδιότητες του τοιχώματος των αιμοφόρων αγγείων σε διαταραγμένες αιμοδυναμικές συνθήκες
Authors: Σασσάνη Σοφία 
Published: August 2021

Τα καρδιαγγειακά νοσήματα αποτελούν μία από τις σημαντικότερες αιτίες θνησιμότητας στο σύγχρονο κόσμο. Ο έλεγχος της εύρυθμης λειτουργίας αλλά και η εις βάθος διερεύνηση των διαφόρων παθογενειών του κυκλοφορικού συστήματος αποτελούν επιτακτική ανάγκη για την πρόβλεψη και αποτροπή νοσηρών φαινομένων καθώς και για τη βελτίωση της ποιότητας ζωής των ασθενών. Κεντρικός στόχος της παρούσας διατριβής ήταν η εύρεση υλικών νόμων-μοντέλων, κατάλληλων για την περιγραφή της απόκρισης του τοιχώματος διαφόρων αγγείων κάτω από συγκεκριμένες διαταραγμένες αιμοδυναμικές συνθήκες, που δημιουργούνται είτε από επεμβάσεις, όπως η αρτηριοφλεβική επικοινωνία, που χρησιμοποιείται για την αιμοκάθαρση, είτε στην παθολογική κατάσταση του αορτικού ανευρύσματος. Απώτερος στόχος είναι η μελλοντική χρήση αυτών των νόμων στην Ιατρική για την πρόβλεψη της συμπεριφοράς των αγγείων, την αξιολόγηση της σημαντικότητας του περιστατικού και την έγκαιρη λήψη ορθών αποφάσεων για την αντιμετώπισή του.Η επιλογή ενός μαθηματικού μοντέλου για την περιγραφή της παθητικής αρτηριακής μηχανικής συμπεριφοράς υγιούς ιστού, αν και πολυσυζητημένη στη βιβλιογραφία είχε περιορισθεί από την έλλειψη στοιχείων σχετικών με τη βασική μικροδομή. Εδώ αναλύθηκε η απόκριση της καρωτίδας αρτηρίας ζωικής προέλευσης που υποβλήθηκε σε πείραμα διόγκωσης-επιμήκυνσης με φαινομενολογικές και μικροδομικές υποψήφιες Συναρτήσεις Πυκνότητας Ενέργειας και αξιολογήθηκε ανάλογα με το είδος του ζώου και την τοπογραφία. Οι ιστολογικές μεταβολές μεταξύ των δειγμάτων εξετάσθηκαν, με στόχο να συσχετισθούν ρητά με την απόκριση των ιστών. Τελικά, η καλύτερη προσομοίωση επετεύχθη με το συνδυασμό μίας τετραγωνικής συνάρτησης και του μοντέλου του Fung ή μίας συνάρτησης τεσσάρων οικογενειών ινών. Η τελευταία επιβεβαιώθηκε δομικά για όλους τους τύπους αρτηριών ενώ ο τετραγωνικός όρος επιβεβαιώθηκε για τις μεταβατικές και μυϊκές αρτηρίες, οι οποίες εμφάνισαν αξιοσημείωτη ανισοτροπία στην οργάνωση των ινών ελαστίνης. Οι διαγώνια διατεταγμένες ίνες συσχετίσθηκαν με το περικυτταρικό κολλαγόνο του μέσου χιτώνα και οι περιφερικά και κατά μήκος διατεταγμένες ίνες συσχετίσθηκαν με τις δέσμες του κολλαγόνου που βρίσκονταν στο μέσο και έξω χιτώνα, ενδεικτικά στοιχεία των σημαντικών συσχετίσεων ανάμεσα στις παραμέτρους των Συναρτήσεων Πυκνότητας Ενέργειας και της ποσοτικής ιστολογίας.Στην περίπτωση της αρτηριοφλεβικής επικοινωνίας, εξετάσθηκε η χρονική πορεία της προσαρμογής της γεωμετρίας, της σύνθεσης και των μηχανικών ιδιοτήτων του τοιχώματος της σφαγίτιδας φλέβας χοίρου, το οποίο υπέστη σημαντικές αλλοιώσεις λόγω της χρόνιας έκθεσής του σε αιμοδυναμικές μεταβολές. Ο σκοπός εδώ ήταν η αξιολόγηση, με μαθηματικό τρόπο, της εμβιομηχανικής προσαρμογής των υγιών και μοσχευμένων φλεβικών τοιχωμάτων, μέσω δεδομένων που αποκτήθηκαν από το πείραμα διόγκωσης-επιμήκυνσης και απομακρύνθηκαν από τα ζώα σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα μετά τη δημιουργία αρτηριοφλεβικής επικοινωνίας. Αυτή η αξιολόγηση επετεύχθη με τη χρήση μικροδομικής Συνάρτησης Πυκνότητας Ενέργειας που περιελάμβανε μία τετραγωνική συνάρτηση για την ελαστίνη και έναν όρο με τέσσερις οικογένειες ινών για το κολλαγόνο και επέτρεψε ρεαλιστική προσομοίωση των πειραματικών δεδομένων τόσο για τις μοσχευμένες όσο και για τις υγιείς φλέβες. Το παραπάνω μοντέλο επικυρώθηκε και δομικά μέσω της υπολογιστικής ιστολογίας, με τη βοήθεια της οποίας ποσοτικοποιήθηκε η σύνθεση και ο προσανατολισμός των δικτύων ινών κολλαγόνου και ελαστίνης. Τελικά, οι βελτιστοποιημένες τιμές των παραμέτρων έδειξαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των παθολογικών και υγιών φλεβών, και πιο συγκεκριμένα μείωση των παραμέτρων της τετραγωνικής συνάρτησης και αύξηση των παραμέτρων των τεσσάρων οικογενειών ινών, ευρήματα που συσχετίσθηκαν ρητά με τις διαφοροποιήσεις στη μικροδομή, δηλαδή τη μείωση του περιεχομένου της ελαστίνης και την αύξηση του περιεχομένου του κολλαγόνου στο τοίχωμα της φλέβας, λόγω αυξημένης πίεσης και ροής.Στα πλαίσια διερεύνησης της συμπεριφοράς του τοιχώματος διαφόρων αγγείων, προερχομένων από διαφορετικούς οργανισμούς και διαφορετικές πειραματικές διαδικασίες, σε αυτή τη διατριβή περιλαμβάνεται και η εξέταση των ανευρυσμάτων της αορτής, κοιλιακής και ανιούσης θωρακικής, του ανθρώπου.Στην περίπτωση των ανευρυσμάτων θεωρήθηκε σκόπιμο να καθορισθούν οι ιδιότητες του κάθε χιτώνα του τοιχώματος του ανευρυσματικού ιστού ξεχωριστά, υλικό το οποίο δεν έχει παρουσιασθεί σε μεγάλη έκταση στη βιβλιογραφία. Ειδικά για τα ανευρύσματα ανιούσης θωρακικής αορτής, ο υλικός χαρακτηρισμός επεκτάθηκε και στις διάφορες τοπογραφίες, κάτι που δεν μπορούσε να συμβεί στα ανευρύσματα κοιλιακής αορτής για λόγους ασφάλειας των ασθενών. Για την ιστολογική ανάλυση, χρησιμοποιήθηκε η ποσοτική μικροσκοπία για τον προσδιορισμό της χωρικής οργάνωσης του δικτύου ινών κολλαγόνου. Τα δεδομένα που αποκτήθηκαν από το πείραμα μονοαξονικού εφελκυσμού, προσομοιώθηκαν από ένα πλήθος μοντέλων, σύγκριση των οποίων οδήγησε στο συμπέρασμα ότι ένα ολοκληρωμένο μικροδομικό μοντέλο τεσσάρων οικογενειών ινών, με διασπορές των γωνιών προσανατολισμού των ινών γύρω από τις κύριες διευθύνσεις, απέδωσε πολύ καλή ποιότητα προσομοίωσης. Όμως, επειδή παρουσίασθηκε πρακτική δυσκολία στην εκτίμηση των παραμέτρων του συγκεκριμένου μοντέλου, μία επιπλέον ανάλυση οδήγησε στην ταυτοποίηση ενός πιο ειδικού μοντέλου δύο διαγωνίων και μίας περιφερικής οικογένειας ινών, το οποίο απέδωσε ίδια ποιότητα προσομοίωσης με το ολοκληρωμένο μοντέλο. Μία σημαντική απόκλιση από σχεδόν όλα τα υπάρχοντα μοντέλα στη βιβλιογραφία είναι η υπόθεση που έγινε ότι οι ίνες μπορούν να υποστηρίξουν θλιπτικές τάσεις, γεγονός που επέτρεψε βελτιωμένες προσομοιώσεις στις μηδενικές εγκάρσιες τάσεις υπό μονοαξονική δοκιμή και αντικατόπτρισε σωστά την εκθετική φύση της θλιπτικής απόκρισης τάσης-παραμόρφωσης του αορτικού ιστού, που είναι σύμφωνη με τις παρατηρήσεις όταν το κολλαγόνο είναι υπό θλίψη στο αφόρτιστο τοίχωμα. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται σε αυτή τη διατριβή σκοπό έχουν να βελτιώσουν την υπάρχουσα κατανόηση τόσο των υγιών όσο και των παθολογικών ιστών, να βοηθήσουν στην κλινική απόφαση και να βελτιστοποιήσουν τις ενδοαγγειακές παρεμβάσεις.