EVOLUCIÓN CON LA EDAD DE LA RESISTENCIA DE LA AORTA TORÁCICA DESCENDENTE HUMANA

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1 Anales de ecánica de la Fractura 26, ol. 1 (2009) EOLUCIÓN CON LA EDAD DE LA RESISTENCIA DE LA AORTA TORÁCICA DESCENDENTE HUANA L. Yiqun 1, J.. Atienza 1, F.J. Rojo 1, C. García 1, E. Claes 1, C. García-ontero 2, R.L. Burgos 2, G.. Guinea 1 1 Departamento de Ciencia de ateriales, E.T.S.I. de Caminos, Canales y Puertos, Universidad Politécnica de adrid c/ Prof. Aranguren s/n, 28040, adrid, España. 2 Servicio de Cirugía Cardiaca del Hospital Universitario Puerta de Hierro-ajadahonda, c/ anuel de Falla, ajadahonda, España. RESUEN En los últimos años se está realizando un importante esfuerzo para entender el comportamiento mecánico de la pared arterial y cómo éste se ve afectado por las diferentes patologías vasculares. Para ser capaces de interpretar correctamente esos resultados es imprescindible entender la influencia de otros factores no patológicos, como la edad, el sexo o la altura de los individuos. Por ejemplo, resulta clave poder separar las consecuencias propias del envejecimiento del efecto provocado por el desarrollo de las diferentes enfermedades, ya que ambos están muy relacionados con la respuesta mecánica de los tejidos blandos. En este estudio se ha evaluado el comportamiento mecánico hasta rotura de la aorta torácica descendente de 29 pacientes sanos cuyas edades varían desde los 17 a los 60 años. Se han realizado ensayos de tracción tanto en dirección longitudinal como circunferencial para caracterizar el comportamiento anisótropo de la pared arterial. Los resultados muestran que la influencia de la edad en las propiedades mecánicas de la pared arterial es significativa. ABSTRACT In the last years an important effort is being carried out to understand the mechanical behaviour of the arterial wall and how it is affected by the different vascular pathologies. However, to be able to interpret those results correctly, it is essential to understand the influence of other non-pathological factors, like age, sex or stature of the individuals. For instance, it is important to be able to separate the consequences of aging from the effect of different diseases, since both are very related to the mechanical response of soft tissues. In this study the mechanical behaviour has been evaluated until breakage of the descendent thoracic aorta of 29 healthy patients whose ages vary from 17 to 60 years. Tensile tests have been carried out in longitudinal and circumferential directions to characterize the anisotropic behaviour of the arterial wall. The results show that the influence of the age in the mechanical properties of the arterial wall is significant. PALABRAS CLAE: Ensayos de Tracción, Aorta Humana, Envejecimiento. 1. INTRODUCCIÓN El deterioro de las propiedades mecánicas de la aorta afecta a la función cardiaca y está relacionado con las enfermedades cardiovasculares. El aneurisma de aorta, por ejemplo, es una enfermedad cardiovascular caracterizada por la dilatación de la pared arterial con la posibilidad de rotura que, en caso de ocurrir, presenta un riesgo importante de provocar la muerte del paciente. Los aneurismas de aorta suponen una carga significativa para el sistema de salud en muchos de los países desarrollados, ya que son la décimo séptima causa de muerte en el mundo. Aunque algunos de los pacientes presentan síntomas vagos de la enfermedad, como dolores de espalda o en el abdomen, la mayoría de los casos son asintomáticos hasta la rotura. La cirugía para eliminar el aneurisma es una opción, pero es una operación de alto riesgo con un 5 % de mortalidad. La indicación para el tratamiento quirúrgico se deduce del riesgo estimado de ruptura, del riesgo de la operación quirúrgica y de la esperanza de vida estimada para el paciente. En cuanto al riesgo de rotura, el tamaño del aneurisma es universalmente reconocido como factor fundamental en la rotura y hay un consenso general en que pacientes con un mayor tamaño de aneurisma deben ser operados. Estadísticamente se ha observado que el riesgo de ruptura excede al propio de la operación cuando el diámetro de la aorta supera los 5.5 cm. De todas formas, este criterio falla para identificar pequeños aneurismas que rompen y otros grandes aneurismas que aún así están lejos de la rotura. Se admite que el tamaño del aneurisma no es probablemente el único determinante del riesgo de rotura. Hay una necesidad de mejorar el criterio de diagnóstico para ayudar a las decisiones clínicas. 21

2 Anales de ecánica de la Fractura 26, ol. 1 (2009) Por eso, en los últimos años se está realizando un importante esfuerzo para entender el comportamiento mecánico de la pared aórtica y cómo éste se ve afectado por las diferentes patologías vasculares. Se han realizado estudios que permiten obtener datos sobre el comportamiento mecánico in vivo de la aorta dilatada. Se están utilizando nuevas herramientas numéricas que permiten obtener la distribución de tensiones en la pared arterial, reproduciendo incluso la forma específica de cada aneurisma. Sin embargo, siguen faltando datos experimentales sobre la resistencia del material. Algunos estudios han mostrado que detrás del aneurisma hay un deterioro mecánico muy fuerte [1]. No obstante, para ser capaces de interpretar correctamente esos resultados, es imprescindible entender la influencia de otros factores no patológicos, como la edad, el sexo o la altura de los individuos. Por ejemplo, resulta clave poder separar las consecuencias propias del envejecimiento del efecto provocado por el desarrollo de las diferentes enfermedades, ya que ambos están muy relacionados con la respuesta mecánica de los tejidos blandos. En este estudio se ha evaluado el comportamiento mecánico hasta rotura de la aorta torácica descendente de 29 pacientes sanos cuyas edades varían desde los 17 a los 60 años. Se han realizado ensayos de tracción tanto en dirección longitudinal como circunferencial para caracterizar el comportamiento anisótropo de la pared arterial. Los resultados muestran que la influencia de la edad en las propiedades mecánicas de rotura (tensiones y deformaciones máximas) es muy significativa y es imprescindible tenerla en cuenta a la hora de evaluar el riesgo estimado de rotura. Otros factores como el sexo o el tamaño del individuo no parecen determinantes. 2. ATERIAL El material empleado en los ensayos realizados en este trabajo han sido segmentos de aorta torácica descendente humana obtenidos con la colaboración del Servicio de Cirugía Cardiaca del Hospital Puerta de Hierro de adrid. En todos los casos las muestras se extrajeron de acuerdo con los protocolos establecidos por el Comité de Ética de dicho hospital. Las muestras de tejido arterial se han obtenido de personas que han sufrido algún accidente o han muerto por causas que no tienen relación con aspectos cardiovasculares. En concreto, los segmentos estudiados se obtuvieron de cadáveres de donantes para trasplante cardiaco y pulmonar. Todos los tejidos estudiados son sanos, si bien se han dividido en dos grupos: en un primer grupo A se han considerado vasos que no tienen antecedentes de factores de riesgo arterial, es decir, donantes que no presentan altos índices de colesterol, no son fumadores, sin antecedentes de diabetes y no tienen patologías arteriales y en el grupo B se recogen los pacientes con factores de riesgo. A su vez, el grupo A se ha subdividido en dos para estudiar la influencia del sexo: A1 (mujeres) y A2 (hombres). En las tablas 1, 2 y 3 se muestran los datos de los donantes. Erbel y Eggebrecht [2] definen dos parámetros para diferenciar el tamaño normal de la aorta: la edad y el área de la superficie corporal o BSA. Éste último parámetro se estima con la talla y el peso de la persona. Estos parámetros se muestran también en las tablas. Tabla 1. Datos de los vasos del grupo A1: mujeres sanas, sin factores de riesgo Paciente Sexo Edad BSA PH120 PH33 PH31 PH118 PH100 PH21 PH36 PH129 PH54 PH Tabla 2. Datos de los vasos del grupo A2: hombres sanos, sin factores de riesgo Paciente Sexo Edad BSA PH102 PH61 PH97 PH105 PH111 PH43B PH73 PH Tabla 3. Datos de los vasos del grupo B: hombres y mujeres con factores de riesgo Paciente Sexo Edad BSA F. Riesgo PH122B PH125B PH107 PH99 PH131 PH115 PH93 PH13 PH95 PH Diabético Hipertenso Bebedor Hipertenso Diabético 22

3 Anales de ecánica de la Fractura 26, ol. 1 (2009) 3. TRABAJO EXPERIENTAL 3.1. Probetas Para caracterizar el comportamiento mecánico de los tejidos se realizaron ensayos de tracción uniaxial sobre probetas extraídas de los segmentos arteriales. Las probetas se diseñaron en forma de hueso para evitar las roturas en la zona de mordazas. Las dimensiones de la probeta plana utilizada son 10 mm de largo, 2 mm de ancho y un espesor dado por la pared de la arteria, que osciló entre los 1.6 y 2.3 mm. Para caracterizar el comportamiento anisótropo se obtuvieron tres probetas en cada una de las dos direcciones principales de los vasos (circunferencial y longitudinal). En la figura 1 se muestran las direcciones seleccionadas. El ángulo de 0º se asignó a la dirección longitudinal, paralela al eje del vaso, y el de 90º a la dirección circunferencial, perpendicular a dicho eje Obtención de la tensión y deformación de rotura La tensión de Cauchy se calculó a partir de la carga instantánea (P) dividida por el área transversal real (P/a). El alargamiento (λ) se obtuvo dividiendo la longitud instantánea (l) por la longitud inicial (L). La deformación (ε) se obtuvo restando 1 al alargamiento. El área transversal real se ha calculado utilizando la condición de incompresibilidad que conduce a la relación a=a/λ, donde A es el área transversal inicial. Analizando las curvas tensión-alargamiento se obtuvo la deformación máxima (ε max ) y la tensión real máxima (σ max ) correspondientes a la rotura de cada probeta. Se consideró que la rotura de la probeta se producía cuando una de las capas que forman la pared de la arteria rompe, lo que se ve reflejado en una disminución repentina de la carga registrada en el ensayo. A partir de los tres ensayos para cada dirección se obtuvieron el valor medio de resistencia y deformación máxima y el error cuadrático (definido como la desviación típica de la muestra dividida entre la raíz cuadrada del número de probetas) para cada uno de los pacientes estudiados. 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Para una mayor claridad a la hora de comparar los resultados, éstos se han dividido en 3 subgrupos en función de la edad: a (16-30 años), b (31-45 años) y c (-60 años). Figura 1. Orientación de las probetas Dispositivo experimental Los ensayos se realizaron en el interior de una célula de polimetilmetacrilato transparente que permitía la visualización del vaso y la medida de sus dimensiones por métodos ópticos mediante un video extensómetro Keyence LS-7500 de 0.001mm de precisión. Las arterias se ensayaron sumergidas en suero fisiológico (PBS), cuya temperatura se mantuvo estable a 37 ºC con precisión de ±1ºC mediante un baño termostático (Unitronic ). La temperatura del vaso se medía mediante un termopar tipo K situado en sus proximidades (< 5mm). Las arterias se fijaron por sus extremos a las mordazas de una máquina de ensayos mecánicos Instron La precisión en la medida del alargamiento axial, medido a través del transductor incorporado a la máquina de ensayos, era de 0.001mm. El dispositivo experimental es descrito con más precisión en [3]. La velocidad de solicitación durante todo el ensayo fue 0.03 mm/s (velocidad de deformación aproximada de 15%/min). Los ensayos se realizaron en estado pasivo, sin que existiera activación eléctrica o química de las células presentes en la pared vascular Influencia de la edad En la figura 2 se muestra la tensión de rotura en direcciones circunferencial y longitudinal en función de la edad de los pacientes sanos. Se observa que la tensión de rotura se reduce drásticamente con la edad en la dirección circunferencial al igual que ocurre en la dirección longitudinal. Figura 2. Tensión de rotura (media y error cuadrático) en direcciones circunferencial y longitudinal en función de la edad de los pacientes del grupo A (sanos). 23

4 Anales de ecánica de la Fractura 26, ol. 1 (2009) Okamoto et al. [4] ha estudiado las propiedades mecánicas de la aorta ascendente aneurismática humana y llegó a la siguiente relación entre resistencia y edad: Resistencia (Pa) = *edad (años). Recientemente García-Herrera [5] estudió las características mecánicas de la aorta ascendente humana de pacientes sanos y enfermos (arfan, bicúspide, aneurismas) y encontró una función similar que relaciona la tensión de rotura circunferencial con la edad: Resistencia (Pa) = *edad (años). En la figura 3 se compara la tensión de rotura circunferencial en pacientes sanos (grupo A) y con factores de riesgo (grupo B) con el resultado obtenido por Okamoto [4] de aorta ascendente en pacientes enfermos y por García-Herrera [5] de aorta ascendente en pacientes sanos y enfermos. Se observa que las tensiones últimas en los pacientes sanos son comparables a la resistencia en pacientes enfermos. Aunque los resultados de Okamoto y García-Herrera son de aorta ascendente se obtienen resultados similares en este estudio de tensión de rotura en la aorta descendente. Figura 4. Deformación de rotura (media y error cuadrático) en direcciones circunferencial y longitudinal en función de la edad de los pacientes del grupo A (sanos). Figura 3. Comparación de la tensión de rotura en pacientes sanos con el resultado de Okamoto en enfermos [4] y de García Herrera [5]. En la figura 4 se muestra la deformación de rotura en direcciones circunferencial y longitudinal en función de la edad de los pacientes sanos. Se observa que la deformación de rotura disminuye también con la edad. En la figura 5 se muestra una comparación de la deformación longitudinal de rotura en función de la edad para pacientes sanos y con riesgo con los resultados de Okamoto [4] de aorta ascendente en pacientes enfermos. Se observa una ligera bajada de la deformación con la edad en ambos casos, aunque los resultados del presente estudio se encuentran por encima de los presentados por Okamoto. orp et al. [6] publicó resultados sobre el efecto del aneurisma en la resistencia de la aorta ascendente indicando que la tensión de rotura se reducía de 1.80 ± 0.24 Pa en aorta ascendente sana a 1.18 ± 0.12 Pa en aorta ascendente aneurismática. Figura 5. Comparación de la deformación longitudinal de rotura en función de la edad para pacientes sanos con resultados de Okamoto de aorta ascendente en pacientes enfermos [4]. Rahavan et al. [7] menciona una reducción de la tensión de rotura de 1.21 Pa en pacientes sanos a 0.65 Pa en aneurismas de aorta descendente. Los valores citados por orp et al. [6] y Raghavan et al. [7] se encuentran en el rango de los obtenidos en este estudio. Sin embargo, los resultados de este estudio muestran que no se puede afirmar que la causa de la reducción de la resistencia se debe solamente a la enfermedad, ya que la edad juega un papel muy importante Influencia de la orientación En la figura 2 se estudia la influencia de la orientación en la tensión de rotura. El material de la aorta torácica descendente de pacientes sanos es claramente más resistente en la dirección circunferencial, aunque la diferencia disminuye con la edad. En la figura 4 se muestran los resultados de la deformación de rotura en la dirección circunferencial y longitudinal. Al contrario que la tensión de rotura, la 24

5 Anales de ecánica de la Fractura 26, ol. 1 (2009) deformación de rotura no presenta una clara diferencia, si bien hay una tendencia a tener una deformación ligeramente menor en la dirección longitudinal Influencia del sexo En la figura 6 se muestra la comparación de los resultados de tensión de rotura en dirección circunferencial y longitudinal entre hombre y mujer. Parece que para hombres jóvenes la diferencia entre la dirección circunferencial y longitudinal es mucho mayor que para mujeres. La tensión de rotura circunferencial es mayor y la longitudinal menor que la de las mujeres. Esta diferencia desaparece con la edad Influencia del BSA En la figura 8 se estudia la influencia del parámetro BSA (área de superficie corporal) en la tensión de rotura. Se observa que este parámetro no tiene un efecto sobre la tensión de rotura. Figura 8. Tensión de rotura en direcciones circunferencial y longitudinal en función del BSA de los pacientes del grupo A (sanos). 5. CONCLUSIONES Figura 6. Tensión de rotura (media y error cuadrático) en direcciones circunferencial y longitudinal en función del sexo y la edad de los pacientes del grupo A (sanos) Influencia de los factores de riesgo En la figura 7 se compara los vasos de los pacientes sanos (grupo A) con los de los pacientes con riesgo (grupo B). Para este último grupo se dispone solamente datos de pacientes mayores. En este grupo de edad no se observa gran diferencia en deformación de rotura ni en tensión de rotura con el grupo de pacientes sanos. En este estudio se ha caracterizado la tensión y deformación de rotura de la aorta torácica descendente de pacientes sanos. Los resultados han puesto de manifiesto que: - Las propiedades mecánicas en rotura (tensión y deformación máxima) de la aorta descendente disminuyen significativamente con la edad. - El material de la aorta descendente presenta una importante anisotropía en los pacientes jóvenes: la tensión y deformación de rotura son mayores en la dirección circunferencial. Estas diferencias se reducen con la edad. - La anisotropía en la aorta descendente en hombres jóvenes es significativamente mayor que en mujeres. La tensión de rotura circunferencial también es mayor y la longitudinal menor que la de las mujeres. Esta diferencia desaparece con la edad. - No se ha podido constatar que exista una influencia de los factores de riesgo en las propiedades mecánicas. Figura 7. Comparación de la deformación y tensión de rotura (media y error cuadrático) en direcciones circunferencial y longitudinal entre los pacientes del grupo A (sanos) y B (con factores de riesgo) del mismo intervalo de edades. - Igualmente, no parece que haya influencia del BSA en las propiedades mecánicas de rotura de la aorta descendente. 25

6 Anales de ecánica de la Fractura 26, ol. 1 (2009) AGRADECIIENTOS Los autores desean agradecer al inisterio de Educación y Ciencia la financiación a través del proyecto AT , a la Comunidad de adrid a través de los programas ESTRUAT-C (AT/77) y ADR.IB-C/S-SAL/0312/2006, al Banco Santander- UP por la financiación parcial a través del programa Sino-Español y a la Fundación Agustín de Betancourt y a Conicyt (Chile) a través de becas de investigación. REFERENCIAS [1] orp D.A. Review: Biomechanics of abdominal aortic aneurysm Journal of Biomechanics 40: , 2007 [2] Erbel R. and Eggebrecht H. Aortic dimensions and the risk of dissection. Heart, 92: , [3] Atienza J.., G.. Guinea, F.J. Rojo, P. Aragoncillo, R. Burgos,. Elices. Comportamiento termomecánico de los vasos sanguíneos humanos. Anales de ecánica de la Fractura XXIII, ol , [4] Okamoto R.J., Wagenseil J.E., De Long W.R. Peterson S.J., Kouchoukos N.T., Sundt T.. echanicaal properties of dilated human ascending aorta. Annals of Biomedical Engineering, 30: , [5] Garcia-Herrera C. Comportamiento ecánico de la Aorta Ascendente: Carcterización Experimental y Simulación Numérica. Tesis Doctoral Universidad Politécnica de adrid, [6] orp D.A., Schiro B.J., Ehrlich.P., Juvonen T.S., Ergin.A., Griffith B.P. Effect of Aneurysm on the Tensile Strength and Biomechanical Behavior of the Ascending Thoracic Aorta The Annals of Thoracic Surgery 75: , 2003 [7] Raghavan.L., orp D.A., Federle.P., akaroun.s, Webster.W. Wall stress distribution on three-dimensionally reconstructed models of human abdominal aortic aneurysm. Journal of ascular Surgery 31(4): , 2000 [8] Watton P.N., Hill N.A. Evolving mechanical properties of a model of abdominal aortic aneurysm Biomechanics and modelling in mechanobiology 8(1):25-42,

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