Simulations used for open cardiac surgical procedures usually involve an idealized phantom composed of commercial tissue substitutes or expensive single and cadaveric models. However, current phantoms lack patient specific pathologies and are often crude tubular models. Their mechanical properties are also very unrealistic and none of the present models are designed to be perfused in a physiologic manner. There is, therefore, a need for realistic physical training simulators to help surgeons to practice techniques, thus improve the procedures and patient safety.

3D printing is a very promising and burgeoning field in medicine. It is an additive manufacturing process which is well suited to improving surgical training phantoms especially if one can create patient specific models which replicate the actual normal and pathological tissue characteristics and patient-specific geometries. An important aspect of 3D printed models used in surgical training is their limited material properties. To date, the simulators available lack the material properties needed to mimic the complex tissue properties of ascending aorta and the manipulations required during aortic surgery. For these reasons, the novel aspect of this thesis is to focus on the creation of synthetic composite materials that would be implemented in patient-specific geometries and would mimic the biomechanics of in vivo and ex vivo aortic tissue (normal and pathological).

The research reported in this thesis aimed at establishing methods to create 3D printed aortic models with anatomical, tissue and physiological fidelities. Accurate patient-specific geometries were obtained by gated CT-Scan while the design of 3D printed and tunable composites was guided by the composition of the aortic tissue. Mechanical evaluations of material samples were performed by tensile testing, nanoindentation and suture retention strength tests. It was found that characteristics of the printed materials could be controlled, such as the hardness, strength and mechanical directional dependency.

To demonstrate in vivo fidelity, a two-material composite was implemented into an aortic simulator and evaluated by echocardiographic speckle track analyses. The simulated tissue showed a good echogenicity and matched in vivo properties of patient aortas.

This work demonstrates how a new generation of aortic simulators with patient-specific geometries can be created leveraging 3D printed tunable materials. It shows that such simulators can replicate in vivo as well as ex vivo aortic properties for an enhanced surgical simulation training.

Les outils de simulations utilisés pour de la chirurgie cardiaque sont généralement des simulateurs aux géométries simplistes, ou bien des cadavres dont la quantité diminue au fil des ans et coûtent très chers. Cependant ces modèles synthétiques manquent de représentativité car ils n’ont que très rarement des formes pathologiques. On retrouve notamment des tubes très primaires pour simuler aussi bien des vaisseaux que des aortes. Les propriétés mécaniques de ces modèles ne simulent également pas bien le comportement des véritables tissus et aucun des simulateurs aujourd’hui ne peuvent subir une perfusion aortique. Il y a donc un véritable besoin de créer de nouveaux outils de formation pour aider les cardiochirurgiens à pratiquer leurs opérations afin d’en améliorer les gestes, les techniques et de diminuer les risques pour le patient.

L’impression 3D est un domaine en pleine expansion, notamment en médecine. Il s’agit d’une méthode de fabrication par ajout de matière qui permette une amélioration des actuels simulateurs chirurgicaux. Cependant, la principale limite de cette technologie se trouve au niveau de ses matériaux qui ne peuvent actuellement pas imiter la complexité des tissus pour de la simulation chirurgicale. Cette thèse repose donc sur la création d’un matériau composite synthétique qui puisse être implémenté pour simuler du tissu aortique (in vivo et ex vivo) dans des géométries obtenues à partir d’images de patients.

Le projet de recherche de cette présente thèse a donc pour objectif de créer des modèles aortiques imprimés en 3D ayant des fidélités d’ordre anatomique, mécanique (représentativité du tissu) et physiologique.

Des géométries d’aortes de patients ont été obtenues à partir d’images CT-scan alors que le développement d’un matériau composite s’est fait en se basant sur la composition du véritable tissu. Les tests mécaniques effectués sur des échantillons de matériaux étaient en traction, compression et résistance à la suture. Nous avons trouvé que nous en avions pu contrôler la résistance en traction, compression et l’isotropie/ anisotropie.

Le tissu synthétique a été ensuite implémenté dans une forme aortique pour une analyse par une analyse échocardiographique de suivi des marqueurs acoustiques. Le matériau a également montré une bonne capacité à être échogène et des similitudes de comportement mécanique avec de véritables aortes. Ces analyses ont donc démontré que les propriétés mécaniques de nos modèles permettent une bonne simulation d’aortes en conditions in vivo et ex vivo. Nous avons donc été en mesure de développer une ixouvelle génération de modèles aortiques faits d’un matériau composite dont les propriétés peuvent être contrôler afin d’améliorer la formation des cardio-chirurgiens