Artificial textile reinforced tubular aortic heart valves - multi-scale modelling and experimental validation

Sodhani, Deepanshu; Reese, Stefanie; Schmitz-Rode, Thomas

doi:HT020085814

Artificial textile reinforced tubular aortic heart valves - multi-scale modelling and experimental validation = Künstliche textilverstärkte tubuläre Aortenherzklappen - Multiskalige Modellierung und experimentelle Validierung

Sodhani, Deepanshu^RWTH*

2018 & 2019

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Deepanshu Sodhani

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (154 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2019

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Reese, Stefanie (Thesis advisor)^RWTH* ; Schmitz-Rode, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-12-10

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2019-05628
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/762451/files/762451.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Angewandte Mechanik (311510)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
FEM (frei) ; Fluid Structure Interaction (frei) ; TexValve (frei) ; composite (frei) ; heart valves (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Ein Therapieverfahren bei degenerativen Herzklappenerkrankungen ist der chirurgische Ersatz der betroffenen Klappe durch eine Prothese. Da bei den bestehenden Prothesen Probleme bezüglich der Haltbarkeit auftreten können, werden als Alternative selbstheilende, gewebegefertigte Herzklappenprothesen entwickelt, die beschädigte native Herzklappen ersetzen können. Zurzeit konzentriert sich die Entwicklung dieser Klappen auf die rechte Herzseite (Pulmonal- und Trikuspidalklappe), da hier geringere hämodynamischen Belastungen herrschen. Der Vorteil dieser Art von Klappengewebe ist, dass durch Gewebeverstärkungen mechanische Eigenschaften erreichbar sind, die mit denen der natürlichen Klappe vergleichbar sind. Allerdings machen komplexe Wechselwirkungen auf verschiedenen Ebenen zwischen den Verstärkungen und dem konstruierten Gewebe die Auswahl des am besten optimierten Bewehrungsgerüsts schwierig. Um diese Implantate besser zu gestalten, müssen auch das Materialverhalten des Verbundes, die Ventilkinematik und die hämodynamische Reaktion bewertet werden. Da die experimentelle Testung sehr aufwändig ist, werden bei der Entwicklung dieser gewebegefertigten Herzklappen Computersimulationen genutzt um den Entwicklungsprozess zu unterstützen. Inhalt der vorliegenden Arbeit ist die Simulation einer Aortenklappenprothese bestehend aus einem Textil-Gewebe-Verbundwerkstoff mithilfe eines neuen Simulationsansatzes. Dieser basiert auf der Grundlage einer mehrskaligen Modellierung, die häufig zur Bewertung und Vorhersage des Verhaltens von Verbundwerkstoffen verwendet wird. Ziel der Arbeit war es das Verhalten von textilverstärkten künstlichen Herzklappen zusammen mit ihrem hämodynamischen Verhalten vorherzusagen. Die komplexe textile Struktur wurde in vereinfachte Modelle mit verschiedenen Maßstäben unterteilt (Faser, Gewebe, Klappensegel). An jedem dieser Modelle wurden virtuelle Experimente durchgeführt und ihre Reaktion wurde durch geeignete isotrope und anisotrope phänomenologische Materialmodelle angepasst. Das angepasste numerische Modell wurde dann in einer Herzklappensimulation verwendet, in der eine dynamische Herzbelastung mit einer mechanischen Finite-Elemente-Methode (FEM) und einer multiphysikalischen Fluid-Struktur-Interaktion-Ansatz (FSI) durchgeführt wurde. Die geometrische Öffnungsfläche und die Durchflussmenge wurden mit Hilfe dieses Modells für einen Herzschlagzyklus bestimmt. Die Ergebnisse der FEM und FSI-Simulation zeigten eine gute Kohärenz mit dem in-vitro-Test während der systolischen Phase, und leichte Abweichungen während der diastolischen Phase für die FSI-Simulationen. Insgesamt zeigt der Modellierungsansatz eine gute Korrelation mit experimentellen Ergebnissen, so dass weitere Untersuchung der komplexen Wechselwirkung zwischen dem konstruierten Gewebe und seinen Verstärkungsgerüsten durchgeführt werden können. Diese Methode kann weiterhin die Grundlage für die Bewertung der mechanischen Biokompatibilität von Gerüsten und deren Interaktion mit technisiertem Gewebe auf verschiedenen Modellierungsebenen bilden.

Valvular heart disease is characterized by damage to or a defect in one of the four heart valves: the mitral, aortic, tricuspid or pulmonary. Patients with a malfunctioning valve often must undergo valve replacement surgery. Prosthetic heart valves deployed in the left heart (aortic and mitral) are subjected to harsh hemodynamical conditions causing durability concerns in existing prostheses. Therefore, self-healing tissue-engineered valvular prostheses that can replace damaged native valves are in development as an alternative to available prostheses. Most of the tissue engineered heart valves have been developed for the low-pressure pulmonary position because of the difficulties in fabricating a mechanically strong valve which is able to withstand the higher loads of the systemic circulation of the left heart. Ergo, engineered soft tissues can greatly benefit from reinforcements to attain mechanical properties comparable with that of the native organs. Complex interactions at various levels between the reinforcements and engineered tissue make the selection of the most optimized reinforcing scaffold difficult and subject to an enormous amount of experimental evaluation. Also, to better design these implants, material behaviour of the composite, valve kinematics and its hemodynamical response need to be evaluated. Experimental assessment can be immensely time consuming and expensive, paving way for numerical studies. Hence, to reduce the extent of prototyping, it is prudent to develop a simulation-based development approach. In the presented example of valvular prostheses (aortic valve) which are textile-tissue composites, we test a simulation approach based on multi-scale modelling, often used for evaluating/predicting the behaviour of composites. The current study seeks to predict the behaviour of textile reinforced artificial heart valves along with its hemodynamical behaviour. The complex textile structure was divided into simplified models at different scales. Virtual experiments were conducted on each of these models and their response was fitted by appropriate isotropic and anisotropic hyperelastic material models. The textile response was then used in a macro scale heart valve model, which was subjected to dynamic cardiac loading in a pure mechanical (finite element method - FEM) and multi-physics fluid-structure interaction (FSI) simulation. An in-silico immersed boundary (IB) fluid-structure interaction (FSI) simulation emulating the in-vitro experiment was set-up to evaluate and compare the geometric orifice area and flow rate for one beat cycle. Results from the in-silico FEM & FSI simulation were found to be in good coherence with the in-vitro test during the systolic phase while deviating slightly in the FSI study during the diastolic phase of a beat cycle. Overall the modelling technique provided a good correlation with experimental results, laying the pathway to further study the complex interaction between the engineered tissue and their reinforcing scaffolds. This method can further form the basis for evaluating the mechanical bio-compatibility of scaffolds and their interaction with engineered tissues at various scales and levels.

OpenAccess:
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