Medical catheters are widely used medical devices and cardiovascular catheters are one of the major types of medical catheters. Surgeons and radiologists require these devices to be sufficiently stiff for control yet flexible enough to navigate through the tortuous cardiovascular system without causing undue discomfort or trauma to the patient. Currently, a two-piece medical catheter-guidewire system is used during most cardiovascular catheterization procedures.

The development of a one-piece braided model catheter with the same rigidities as the combined medical catheter-guidewire system presently employed during cardiovascular catheterization procedures is the principal goal of this research. This will result in a significant reduction in the time required to insert a cardiovascular catheter. This is also the first and fundamental step in the development of optimal rigidity cardiovascular catheters. To begin, the axial, torsional and flexural rigidities of existing medical catheters were reviewed and measured. A model to predict the longitudinal tensile and in-plane shear moduli of 2D braided structures, needed for the calculations of the axial, torsional and flexural rigidities of braided tubes, was developed. The sensitivity of the model to key constituent and laminar properties was analysed. It was concluded that accurate values of Ef11, Em and Gm are required for the micromechanical model;​ the model is not sensitive to the remaining elastic constants (ν_f12, ν_f23, G_f12, G₂₃).

Oversized braided (Kevlar 49 fibre and thermoset matrix) engineering model composite structures – or model catheters – have been used to verify the model. These model catheters have been produced on an existing braiding machine. Kevlar 49 fibre and epoxy resin have been used primarily because the laminar mechanical properties have been measured in a previous experimental study by Flanagan and Munro [72]. There was good agreement (approximately 6 %) between the predicted and measured values of the longitudinal elastic modulus of braided tubes which provided confidence in the model. Shear modulus predictions and the range of experimental results also showed reasonable agreement. The results also show that micromechanical models in which accurate values for important elastic constants (E_f11, E_m and G_m) are used can accurately predict the experimental results.

The preceding experimental work was carried out for full coverage rigid thermoset matrix braided fibre composites. Actual medical catheters require flexible matrix and an open fibre mesh rather than full fibre coverage;​ therefore, it was necessary to select the appropriate matrix and reinforcement for an actual medical catheter. The proposed CLPT model was used to select the appropriate fibre and resin to obtain rigidities similar to those of the existing medical catheter-guidewire systems. Laminar elastic constants were estimated using micromechanical models. The proposed CLPT model reasonably predicted the longitudinal elastic and shear moduli of model catheters produced with one of the selected elastomeric resins. The main objective of the thesis was therefore met.

Also, the sensitivity of the proposed classical laminate plate model to undulation region length was also evaluated because of the importance of open mesh braid configurations for medical catheters. It was found that undulation lengths greater than 5.5 times the strand thickness no longer influenced the properties of the undulation region.

Finally, the proposed CLPT model was simplified for practical engineering applications. The proposed CLPT model that was developed was simplified to simple design equations that predict elastic constants for closed and open mesh braid configurations within 95% and 90% of the proposed CLPT model predictions for the materials used in this study.

Les cathéters, dont une catégorie principale sont les cathéters cardiovasculaires, sont des instruments médicaux grandement utilisés. Il est nécessaire, autant pour les chirurgiens que les radiologistes, que ces instruments soient suffisamment rigides pour faciliter l'emploi, mais aussi suffisamment flexible pour naviguer au travers d'un système cardiovasculaire tortueux et cela, sans causer d'inconfort supplémentaire au patient. Un système à deux pièces, soit le cathéter et le fil-directeur, est utilisé durant une cathétérisation cardiovasculaire.

L'objectif principal de cette recherche est le développement d'un cathéter modèle qui posséderait les mêmes rigidités que le système à deux pièces ;​ ceci réduirait grandement la durée de la cathétérisation cardiovasculaire. De plus, il est à noter que ceci est l'étape fondamentale dans le développement d'un cathéter cardiovasculaire possédant des caractéristiques optimales. En premier lieu, il fut nécessaire de revoir et d'évaluer la rigidité axiale, de torsion ainsi que de flexion de cathéters médicaux existants. Puis, un modèle analytique fut développé afin de prédire le module d'élasticité longitudinal et le module de cisaillement de structures tressées en deux dimensions. Une étude de sensibilité du modèle fut effectuée pour déterminer l'effet des propriétés d'une lamelle de composite et propriétés des composants de base sur les constantes élastiques de la maille élémentaire tressée. Parmi les propriétés utilisées dans l'analyse, seules des valeurs précises de Ef11, Em et Gm sont nécessaires pour les modèles micromécaniques. Le modèle n'est pas sensible aux autres constantes élastiques (ν_f12, ν_f23, G_f12, G₂₃).

Des structures composites sur-dimensionnées (cathéters modèles) ont été utilisées pour faire la vérification du modèle analytique. Les cathéters modèles ont été fabriqués sur iv une machine de tressage disponible au département. De la fibre de Kevlar 49 et une résine époxy furent utilisées parce que leurs propriétés mécaniques laminaires avaient été mesurées dans une étude antérieure. Les prédictions du modèle et les résultats expérimentaux du module d'élasticité longitudinale concordèrent (»6 % de différence), ce qui confirme l'approche mathématique. Les prédictions du module de cisaillement et l'intervalle des résultats expérimentaux concordent aussi raisonnablement. De plus, les résultats démontrent que lorsque les constantes élastiques importantes (E_f11, E_m and G_m) sont précisément déterminées les modèles micromécaniques prédisent les résultats expérimentaux avec exactitude.

Le travail ci-haut fut effectué pour des tubes de composite à résine thermodurcie tressés ayant un recouvrement complet. De vrais cathéters médicaux nécessitent des résines flexibles et un maillage ouvert de fibre. Il fut donc nécessaire de choisir une fibre et une résine qui seraient appropriées pour un cathéter médical. Le modèle fut utilisé pour sélectionner une combinaison qui possède des rigidités similaires à celles qui furent mesurées pour le système de cathéter et fil-directeur existant. Les modèles micromécaniques furent utilisés pour estimer certaines constantes élastiques de tubes tressés avec de la résine flexible, d'autres constantes furent mesurés par des méthodes expérimentales. Les prédictions du module d'élasticité longitudinal et du module de cisaillement de tubes composites fabriqués de résine flexible étaient raisonnables. Donc, l'objectif principal fut atteint.

De plus, une analyse de sensibilité du modèle à la longueur de la région d'ondulation fut effectuée à cause de l'importance du tressage à maillage ouvert pour la fabrication de catheters médicaux. Il fut trouvé que la longueur de la région d'ondulation n'influençait plus les propriétés mécaniques de la région d'ondulation si elle excédait 5.5 fois l'épaisseur de la fibre.

Finalement, le modèle fut simplifié pour des fins d'applications pratiques. De simples équations prédisent les modules élastiques des matériaux utilisés dans cette étude, pour des configurations de tresses à recouvrement complet ou à mailles ouvertes, avec moins de 10% de différences avec les prédictions du modèle complexe.