Contexte: En raison de l'utilisation répandue des valvules cardiaques aortiques prothétiques, il est extrêmement important d'en étudier la biofonctionnalité, la biodurabilité et la biocompatibilité. Les valves mécaniques ont une excellente durabilité. Cependant, en raison des traitements anticoagulants, il existe des risques de thromboembolique et hémorragique. Les valves polymériques ont une faible résistance à la calcification et à la thrombose. À cet égard, les valves biologiques sont préférables. Plus récemment, les chirurgiens et les cardiologues ont développe à l'implantation de valves aortiques percutanées, plutôt qu’à la chirurgie ouverte pour traiter les patients âgés et fragiles. Cependant, la durabilité des bioprothèses soulève toujours des questions reliées au sertissage et l’expansion lors de l'implantation. Comme la performance des bioprothèses dépend de l'architecture et du comportement mécanique du tissu sélectionné, il est nécessaire de sélectionner le tissu le plus approprié pour fabriquer ces prothèses. Objectifs: Il s’agit d’identifier le tissu le plus approprié avec la plus longue durabilité pour fabriquer des valvules cardiaques en comparant les propriétés mécaniques et histologiques des péricardes équin, porcin et d’âne par rapport à celles du péricarde bovin et des feuillets de la valve aortique humaine. Hypothèse: La durabilité des valves cardiaques bioprothétiques est largement déterminée par les caractéristiques histologiques et mécaniques des tissus des feuillets. Par conséquent, la sélection du péricarde selon sa structure histologique et ses propriétés mécaniques permettra d’augmenter la durée de vie de ces prothèses. Méthodologie: 1. Étude des structures de collagène des tissus sélectionnés. 2. Étude des propriétés mécaniques des tissus et évaluation de leur durabilité avec différents tests mécaniques. 3. Extraction des propriétés hyperélastiques et viscoélastiques biaxiales à l'aide des modèles appropriés. 4. Application du modèles d'éléments finis est appliqué en utilisant les propriétés mécaniques extraites pour évaluer la déhiscence possible de la valve et le stress sous la charge physiologique. Résultats: Le péricarde d’âne et le péricarde équin ont démontré une architecture ondulée de faisceaux de collagène semblable à celle du péricarde bovin. L’architecture ondulée du péricarde peut convenir aux valves aortiques transcutanées car elles sont moins susceptibles d'être délaminées lors du sertissage. Selon des tests mécaniques, les pourcentages de relaxation des différents péricardes équin (16%), âne (28%) et bovin (21%) étaient supérieurs à ceux du péricarde porcin (11%) et similaires aux feuillets valvulaires aortiques humains natifs (21%). En particulier, le péricarde porcin a démontré un comportement plus rigide (module d'élasticité plus élevé), basé sur sa plus grande amplitude d'énergie de déformation et la pente moyenne des courbes contrainte-étirement. Ce tissu était également moins extensible que les deux autres péricardes et les feuillets humains, en raison de sa souche aréale inférieure. En général, les propriétés mécaniques du péricarde d’âne sont plus proches des feuillets valvulaires humains. De plus, le modèle âne n'a induit que des régions localisées à faible stress pendant les phases systolique et diastolique du cycle cardiaque. En outre, une diminution des contraintes mécaniques sur les feuillets bioprothétiques devrait contribuer à réduire la dégénérescence des tissus et augmenter la durabilité à long terme de la valve. Conclusion: D'après nos observations, les spécimens péricardiques se sont comportés comme des tissus anisotropes et non linéaires - bien caractérisés par des modèles constitutifs. Les résultats indiquent que le péricarde d'âne est mécaniquement et histologiquement plus approprié pour la fabrication de prothèses valvulaires cardiaques que le péricarde bovin. Les résultats de cette étude peuvent être utilisés dans la conception et la fabrication de valvules cardiaques bioprothétiques percutanéei. / Background: Due to the widespread use of prosthetic aortic heart valves, investigating these prostheses in terms of biofunctionality, biodurability and biocompatibility is of considerable importance. Mechanical heart valves (MHVs) have excellent durability; however, due to the long-term use of anticoagulants, thromboembolism and hemorrhage remain a possibility. Polymeric valves have a low resistance to calcification and thromboembolism. In this respect, biological valves are preferred. In recent years, surgeons and cardiologists have also used transcatheter aortic valve implantation (TAVI) due to its superiority over the open-heart surgery to treat elderly and frail patients. However, the long-term durability of the commercially available bioprosthesesstill raises questions related to crimping and ballooning at the implantation. The function and performance of the bioprostheses depend on the collagen architecture and mechanical behaviors of the pericardial tissue. Therefore, it is necessary to select the most appropriate pericardia to manufacture these prostheses. Objectives: To identify the most appropriate tissue with a long durability to make bioprosthetic heart valves by analyzing the mechanical and histological properties of the equine, porcine, and donkey pericardia, with respect to those of the bovine pericardium and human aortic valve leaflets. Hypothesis: The long term durability of bioprosthetic heart valves is largely determined by the leaflet tissues. Consequently, selecting the pericardium based on its adequate mechanical property and histological structure will increase the lifetime of these prostheses. Methodologies: 1. Histological analysis was performed to investigate the collagen structures of the selected tissues. 2. Different mechanical tests (uniaxial tests, biaxial tests, and stress relaxation tests) were performed to determine the mechanical properties of the tissues and to evaluate their durability. 3. The biaxial hyperelastic and viscoelastic properties of the selected tissues were extracted using the appropriate models. 4. The finite element model was applied using the extracted mechanical properties to evaluate valve dehiscence and stress under physiological loadings. Results: The donkey and equine pericardia showed a wavy collagen bundle architecture similar to the bovine pericardium. The wavy pericardia may be suitable for the transcatheter aortic valves (TAVs) because they are less likely to be delaminated during crimping. According to the mechanical tests, the relaxation percentages of the equine (16%), donkey (28%), and bovine (21%) pericardia were greater than that of the porcine (11%) pericardium and similar to that of the native human aortic valve leaflets (21%). In particular, the porcine pericardium exhibited a stiffer behavior (higher elastic modulus), based on its greater strain energy magnitude and the average slope of stress-stretch curves. This tissue was also less distensible than the other two pericardia and the native leaflets, due to its lower areal strain. In general, among the pericardia analyzed, the mechanical properties of the donkey pericardium are closer to that of the native leaflets. Furthermore, the donkey model showed low stress regions during the systolic and diastolic phases of the cardiac cycle. Such decreased mechanical stress in the bioprosthetic leaflets should reduce tissue degeneration and increase the long-term durability of the valve. Conclusion: Based on the observations, the pericardial specimens behaved as anisotropic and nonlinear tissues, and their mechanical behaviors were very well characterized by the constitutive models. The results indicate that, compared to the bovine pericardium, the donkey pericardium is mechanically and histologically more appropriate to manufacture heart valve prostheses. Therefore, this study contributes to our understanding of the difference in animal pericardia with respect to human heart leaflets, which is very useful for the design and manufacture of the percutaneous bioprosthetic heart valves.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LAVAL/oai:corpus.ulaval.ca:20.500.11794/66807 |
| Date | 31 January 2021 |
| Creators | Rassoli, Aisa |
| Contributors | Zhang, Ze, Fatouraee, Nasser |
| Source Sets | Université Laval |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | thèse de doctorat, COAR1_1::Texte::Thèse::Thèse de doctorat |
| Format | 1 ressource en ligne (xvii, 161 pages), application/pdf |
| Rights | http://purl.org/coar/access_right/c_abf2 |
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