The ascending aorta is subject to high-pressure, pulsatile flow exiting the aortic valve from the left ventricle. Biomechanical properties of the ascending aorta are responsible for two primary objectives at each heartbeat:​ (1) distending and contracting to convert pulsatile flow into steady flow, and (2) dissipating energy from the peak of flow to preserve the local vascular wall and protect peripheral vasculature and organs from damage. These objectives can be roughly attributed to the elastic and viscous properties, respectively, of the viscoelastic aorta. Surgical intervention is required in cases when the aortic wall is unable to maintain these responsibilities (aneurysm) or eventually undergoes mechanical failure (dissection or rupture). Diseased tissue is traditionally replaced by a textile vascular conduit known as Dacron. Although Dacron maintains long-term patency in large arteries, its dissimilar mechanical properties to the surrounding tissue inhibit the ascending aorta’s ability to fulfill its biomechanical objectives. Investigation into viable replacements have largely focused on matching compliance (elasticity) of aortic tissue. This work examines the use of poly(vinyl alcohol) cryogel (PVA-C) as a substitute material to mimic both the ascending aorta’s elastic and viscous properties.

Various PVA-C compositions were formed for examination. Ascending aorta, PVA-C, and Dacron underwent loading-unloading biaxial tensile tests, stress relaxation, and dynamic mechanical analysis. Incremental modulus and energy loss were determined from biaxial tensile tests. Fung’s quasi-linear viscoelasticity (QLV) theory was applied to stress relaxation curves and parameters determined. Complex modulus (E∗) and loss factor (tan δ) across [0.1 - 20] Hz were assessed. Incremental modulus of 20% PVA-C matches aortic tissue at high (45%) strain. Energy loss increased with PVA concentration and 10% PVA-C closely matched energy loss of healthy tissue. Stress relaxation responses confirmed elastic and viscous parameters from biaxial tensile tests. QLV parameters of PVA-C formulations were within range of healthy tissue, with 20% PVA-C exhibiting the most resemblance. Magnitude and frequency-dependence of 15% PVA-C complex modulus matched aortic tissue, while all PVA-C formulations were within range of loss factor in healthy tissue of all frequencies tested. In all experiments, Dacron repeatedly exhibited increased storage and loss moduli in comparison to the other groups. These data suggest PVA-C should be considered in developing novel ascending aorta grafts that not only restore flow, but also rectify their biomechanical functions.

L’aorte ascendante est sujette à un flux pulsatile à haute pression sortant de la valve aortique par le ventricule gauche. Les propriétés biomécaniques de l’aorte ascendante sont responsables de deux objectifs principaux à chaque battement de cœur:​ (1) se distendre et se contracter pour convertir un flux pulsatile en flux constant, et (2) dissiper de l’énergie du pic du flux pour préserver la paroi vasculaire locale et protéger le système vasculaire périphérique et les organes contre les dommages. Ces objectifs peuvent être approximativement attribués aux propriétés élastiques et visqueuses de l’aorte viscoélastique. Une intervention chirurgicale est nécessaire dans les cas o`u la paroi aortique est incapable d’assumer ses responsabilités (anévrisme) ou subit éventuellement une défaillance mécanique (dissection ou rupture). Le tissu malade est traditionnellement remplacé par un conduit vasculaire textile appelé Dacron. Bien que le Dacron préserve une perméabilité à longue durée dans les grandes artères, ses propriétés mécaniques dissemblables par rapport au tissu environnant entravent la capacité de l’aorte ascendante à maintenir ses objectifs biomécaniques. L’enquête sur les remplacements viables s’est largement concentrée sur lextensibilité correspondante au tissu aortique. Cette thése étudie l’utilisation du cryogel d’alcool polyvinylique (PVA-C) comme matériel de substitution pour imiter les propriétés élastiques et visqueuses de l’aorte ascendante.

Diverses compositions de PVA-C ont été formées pour cet examen. L’aorte ascendante, le PVA-C et le Dacron ont subi des tests de traction biaxiale avec chargement et déchargement, une relaxation des contraintes et une analyse mécanique dynamique. Le module incrémental et la perte d’énergie ont été déterminés à partir d’essais de traction biaxiaux. La théorie de la viscoélasticité quasi-linéaire (QLV) de Fung a été appliquée aux courbes et paramètres de relaxation de contrainte. Le module complexe (E∗) et le facteur de perte (tan δ) à travers [0,1 - 20] Hz ont été évalués. Le module incrémental de 20% PVA-C correspond au tissu aortique à une déformation haute (45%). La perte d’énergie augmentait avec la concentration de PVA et 10% PVA-C correspondait à une perte d’énergie similaire à celle d’un tissu sain. Les réponses à la relaxation de contrainte ont confirmé les paramètres élastiques et visqueux des essais de traction biaxiale. Les paramètres QLV des formulations de PVA-C se situaient dans la gamme des tissus sains, avec 20% PVA-C présentant le plus de similitude. Dépendance de la magnitude et de la fréquence des tissus aortiques appariaient avec un module complexe à 15% PVA-C, alors que toutes les formulations de PVA-C se situaient dans la gamme du facteur de perte dans les tissus sains de toutes les fréquences testées. Dans toutes les expériences, Dacron a présenté à plusieurs reprises des modules de conservation et de perte accrus par rapport aux autres groupes. Ces données suggèrent que le PVA-C devrait être pris en compte dans le développement de nouvelles greffes d’aorte ascendante qui non seulement rétablissent le flux, mais également rectifient leurs fonctions biomécaniques.