Comportamento meccanico del tessuto pericardico bovino

Figura 10: La descrizione del fenomeno del rilassamento delle tensioni varia in relazione al modello reologico considerato: a) modello di Maxwell; b) modello di Voigt; c) modello di Kelvin

Isteresi

Il fenomeno di isteresi è un processo di dissipazione di energia che si manifesta in un materiale soggetto ad un processo di carico/scarico.

L’ampiezza dell’isteresi è strettamente connessa con la natura del materiale ed è variabile al variare delle proprietà di questo.

1.5.4 Comportamento meccanico del tessuto pericardico bovino

Diversi sono i riferimenti in letteratura ( [8], [9], [10] ) che illustrano come gli aspetti siano condivisi anche dal comportamento biomeccanico del tessuto pericardico.

Adja Radjeman et al. in [8] sottopongono il tessuto a test di trazione monoassiali a rottura ed evidenziano come la curva di carico che ne deriva presenti dapprima una resistenza alla trazione ridotta (regione O-P della curva in Figura 11) che progressivamente aumenta al crescere dei valori percentuali di deformazione (regione P-Q).

Una volta superato il punto Q (“transition point”) la relazione tenso-deformativa assume un andamento lineare (Q-R), sino a quando la deformazione supera il valore corrispondente all’ascissa del punto R della curva. Nella regione R-S, infatti, la curva torna a presentare nuovamente una regione non lineare, con una diminuzione della pendenza sino a raggiungere la rottura del provino, in corrispondenza del punto S.

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Figura 11: Curva rappresentativa del comportamento meccanico del pericardio bovino [8]

Un andamento della curva tenso-deformativa di questo tipo è motivato dall’arrangiamento microstrutturale e dall’interazione delle componenti fibrose (collagene ed elastina), che non sono in grado rispondere alla sollecitazione finchè non sono distese ed allineate.

Poiché le fibre elastiche rispondono immediatamente all’applicazione del carico e sono in grado di trasmetterlo subitaneamente, la regione iniziale non lineare della curva (O-P) è da considerarsi dominata dal comportamento della componente elastinica.

In questa fase si osserva lo sviluppo di grandi deformazioni anche in relazione a piccoli aumenti di stati tensionali.

Successivamente, all’aumentare del carico applicato e della deformazione, la componente collagenica si stende ed allinea progressivamente in direzione del carico ed è in grado di offrire resistenza meccanica al tessuto.

La viscoelasticità tissutale è stata anch’essa indagata in [8], conducendo test meccanici variando la velocità di deformazione. I risultati ottenuti da questo tipo di prove hanno evidenziato che il comportamento del tessuto varia in relazione allo strain-rate ed in particolare mostra una bassa rigidezza per basse velocità di variazione dello strain, mentre diventa più rigido all’aumentare della velocità di variazione della deformazione (Figura 12).

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Figura 12: Risposta tenso-deformativa del tessuto di pericardio sollecitata con tre diverse velocità di deformazione lungo la direzione orizzontale. Lo strain rate riportato in figura è espresso in % min-1. [8]

Se il comportamento biomeccanico non lineare del tessuto e le caratteristiche di viscoelasticità sono condivise, l’anisotropia tissutale è invece una questione su cui il dibattito è stato sempre acceso e i dati riportati in letteratura non sono concordi.

I primi test di insufflazione condotti da Hilderbrandt et al [11], nel 1969, sembrano portare a concludere che il pericardio bovino sia un materiale tendenzialmente isotropo, seppur con alcune caratteristiche di anisotropia non ben specificate.

Studi sperimentali successivi, sviluppati sulla base di test monoassiali su tessuto nativo, suggeriscono invece che il materiale sia isotropo [12], moderatamente anisotropo [13] ed anisotropo ( [14], [8]; [15]).

I risultati ottenuti da test meccanici biassiali, concordano tutti invece sulla natura anisotropa del tessuto ( [16]; [17]; [18]).

La motivazione delle contraddizioni evidenziate è legata prettamente all’assenza di informazioni sugli assi di simmetria del tessuto che ha portato notevoli difficoltà nel condurre test meccanici per valutare questi aspetti. [10]

Oltre ai test di trazione, l’anisotropia del tessuto è stata valutata attraverso indagini di natura ottica prettamente qualitative (Zioupos et. al [10] ; Sacks et al. [19]).

I risultati ottenuti da Zioupos hanno mostrato che il pericardio bovino presenta una maggiore estensibilità ed una maggior resistenza alla trazione (Figura 13) in direzione circonferenziale piuttosto che longitudinale confermando che il comportamento

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meccanico significativamente differente del tessuto a seconda della direzione considerata sia da imputare alla distribuzione non uniforme delle componenti fibrose nel tessuto.

Figura 13: I campioni circonferenziali (C) mostrano una resistenza alla trazione superiore rispetto a quelli ottenuti in direzione longitudinale (A) [10].

Considerazioni simili sulla architettura fibrillare del pericardio bovino e sulle implicazioni meccaniche sono state presentate anche da Sacks in [19].

In Figura 14 si riportano i risultati relativi alla quantificazione dell’orientazione prevalente delle fibre di collagene ottenuta mediante SALS (Small-Angle Light Scattering) rispettivamente nella regione destra e sinistra della faccia superiore del pericardio bovino.

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Figura 14: Vector plots rappresentativi dell'orientamento prevalente delle fibre di collagene rispettivamente nelle regioni destra e sinistra del pericardio bovino [19].

La regione sinistra del sacco pericardico appare più omogenea, con fibre di collagene orientate prevalentemente in direzione circonferenziale, mentre nella regione destra si evidenzia una maggior variabilità nell’architettura fibrillare.

Queste evidenze hanno dimostrato avere dirette implicazioni sui risultati dei test biassiali condotti sui campioni isolati dalle due regioni (Figura 15).

Figura 15: Risultati dei test biassiali condotti sui campioni isolati dalla regione destra e sinistra del pericardio bovino e sottoposti a test lungo la direzione circonferenziale e longitudinale [19].

Entrambi i gruppi di campioni mostrano chiaramente un comportamento meccanico anisotropo, con i campioni isolati dalla regione destra che raggiungono deformazioni maggiori rispetto a quelli isolati dalla regione di sinistra per i medesimi livelli tensionali.

I campioni ottenuti dalla porzione sinistra del sacco inoltre sperimentano tensioni maggiori se sottoposti a test lungo la direzione circonferenziale, piuttosto che lungo la direzione longitudinale, viceversa per i campioni ottenuti dalla regione di destra.