Caracterización del daño mecánico de la aorta en condición de hipoxia. Modelamiento y simulación numérica de un ensayo de presurización

Abstract

Para evaluar de manera fidedigna el riesgo de ruptura de la aorta – junto a los índices de peligrosidad de enfermedades cardiovasculares u otras condiciones extremas y los efectos de posibles tratamientos – se requiere conocer los mecanismos de daño que conducen a ésta. En este trabajo, se caracteriza el daño mecánico del tejido aórtico en condición de hipoxia, analizando numéricamente su respuesta al ser sujeto a un estado de presurización similar al inducido por un ensayo de acopado hidráulico. El comportamiento mecánico de la pared aórtica, se describe mediante un modelo de material hiperelástico con dos direcciones de isotropía transversal y un modelo de daño isótropo; ambos calibrados experimentalmente, a partir de resultados de ensayos de tracción uniaxial previamente reportados, realizados a muestras de aorta torácica de corderos expuestos a hipoxia hipobárica crónica. Se estudia un grupo tratado con melatonina, en contraste a un grupo control. Una vez calibrado el modelo constitutivo, se evalúa su desempeño en la simulación numérica del ensayo de acopado hidráulico, en la cual se analiza la respuesta cuasi-estática de una estructura – en forma de cuarto de disco, fijada en el perímetro curvo – solicitada fuera de su plano por una presión o fuerza por unidad de superficie, permanentemente normal al área de carga. Los datos experimentales y los resultados de las simulaciones numéricas indican, que un tratamiento con melatonina reduce rigidez de la aorta. Adicionalmente, las presiones asociadas al inicio del daño entregadas por la simulación del ensayo son compatibles con una condición de hipertensión arterial.

In order to reliably assess the rupture-risk of the aorta – along with the hazardousness index of cardiovascular diseases or other extreme conditions, and the effect of possible treatments – it is necessary to know the damage mechanisms that lead to it. In this work, the mechanical damage of hypoxic aortic tissue is characterized, numerically predicting its response when subjected to a bulge-test type of pressurization state. The mechanical behavior of the aortic wall, is described using a hyperelastic material model with two transverse-isotropy directions and an isotropic damage model; both experimentally calibrated, from previously reported uniaxial tensile-test results, performed on thoracic aorta samples of lambs exposed to chronic hypobaric hypoxia. A melatonin-treated group is studied in contrast to a control group. Once the constitutive model is calibrated, its performance is evaluated via the numerical simulation of the bulge-pressurization test; in which the quasistatic response of a quarter-disk shaped structure, fixed along its curved perimeter, and loaded out of its plane by a pressure, or force per unit area permanently normal to the loaded area, its analyzed. The experimental data and the results of numerical simulations indicate that a melatonin treatment reduces the stiffness of the aorta. Moreover, the group-wise determined pressures, delivered by the bulge-test simula-tion and associated with the onset of damage, are compatible with an arterial hypertensive condition.