Tesis:
Caracterización mecánica de materiales de base colágeno para aplicaciones cardiovasculares
- Autor: TOBARUELA ARNEDO, María de la Almudena
- Título: Caracterización mecánica de materiales de base colágeno para aplicaciones cardiovasculares
- Fecha: 2016
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: CIENCIA DE LOS MATERIALES
- Acceso electrónico: http://oa.upm.es/44197/
- Director/a 1º: ROJO PÉREZ, Francisco Javier
- Director/a 2º: GUINEA TORTUERO, Gustavo V.
- Resumen: Las enfermedades cardiovasculares son una de las principales causas de muerte en el mundo. Este hecho ha propiciado que numerosas investigaciones se hayan centrado en la mejora de las prótesis cardiovasculares ya existentes así como en la búsqueda de nuevos materiales más resistentes, duraderos y biocompatibles. Actualmente, existen dos tipos principales de prótesis valvulares: las mecánicas y las biológicas. En muchos países cada vez es más frecuente el uso de estas últimas. Las válvulas biológicas presentan ciertas ventajas frente a las mecánicas como, por ejemplo, que no precisan de tratamientos anticoagulantes o que su morfología es muy similar a la de las válvulas naturales. Sin embargo, su durabilidad es una limitación importante. Las investigaciones realizadas en torno a las prótesis valvulares indican que la solución óptima radicaría en el hallazgo de un material biocompatible, que no produjese problemas de calcificación, con el que se pudiesen fabricar prótesis morfológicamente similares a una válvula natural y además, que se pudiese producir de manera controlada. En esta línea, algunos investigadores ya han realizado intentos de fabricación, a partir de polímeros, de velos valvulares morfológicamente idénticos a los de las válvulas naturales. Están compuestos por fibras cortas dentro de una matriz. Se ha comprobado que las fibras cortas mejoran el comportamiento mecánico del material reduciendo los picos de tensiones. Sin embargo, los polímeros, al igual que los materiales que no son de origen biológico, además de precisar de tratamiento anticoagulante, no son estables en el organismo Por el momento, la solución óptima son las válvulas de origen porcino y aquellas cuyos velos están fabricados a partir de pericardio bovino debidamente tratado. En esta tesis, se aborda el estudio mecánico de dos tipos de membranas de base colágeno, con vistas a su aplicación en válvulas biológicas: el pericardio y las membranas artificiales producidas a partir de colágeno animal. El pericardio está constituido principalmente por colágeno, proteína que, al formar haces de fibras, confiere al material gran resistencia a tracción y, a su vez, le proporciona flexibilidad. Estas características son muy importantes para conservar la integridad estructural y la función de las válvulas. Las membranas artificiales son muy similares en composición y microestructura al pericardio, puesto que se trata de fibras de colágeno inmersas en una matriz. Este material se produce de manera industrial, y gracias a su proceso de fabricación es más homogéneo en espesor y morfología y tiene menos variabilidad que el pericardio. La diferencia más importante entre las membranas artificiales y el pericardio es que las primeras están compuestas por fibras cortas de colágeno y, el segundo, por fibras largas. La caracterización mecánica del pericardio y de las membranas artificiales pretende aportar más información sobre sus propiedades para entender mejor su comportamiento, localizar los fallos que pudiesen aparecer durante su funcionamiento y seleccionar las zonas idóneas, desde el punto de vista mecánico, para su empleo como sustitutivo de los velos valvulares. A pesar de que el pericardio es un material ampliamente estudiado, en esta tesis se realizan nuevos ensayos estáticos y dinámicos. Las membranas artificiales, por el contrario, se caracterizan por primera vez desde el punto de vista mecánico. El objetivo de la presente tesis es el estudio y comparación del pericardio y de las membranas artificiales de base colágeno, para su posible aplicación en la cirugía cardiovascular, en concreto como sustitutivos de los velos valvulares en las prótesis biológicas. Con el fin de cumplir dicho objetivo, se han realizado tanto ensayos bioquímicos como un exhaustivo estudio mecánico de ambos materiales. Se han realizado ensayos in vitro de tracción simple hasta rotura y de rasgado en probetas control, y en otras previamente sometidas a varios ciclos de fatiga. Además se ha tenido en cuenta la anisotropía del material. Por último, se ha analizado el comportamiento frente a la fatiga y en rotura. A lo largo de esta tesis, se demuestra que las membranas artificiales poseen unas propiedades mecánicas similares a las del pericardio de origen bovino. En concreto, tiene un buen comportamiento frente a la fatiga. Hay que tener en cuenta que las válvulas cardiacas están sometidas a una fatiga constante; a lo largo de la vida de una persona se producen más de 30 millones de ciclos de apertura y cierre. Si bien los valores de resistencia que alcanzan las membranas no son tan altos como los alcanzados por el pericardio, son considerablemente más altos que los valores de los velos naturales. Este hecho indica que, desde el punto de vista mecánico, las membranas artificiales son aptas para su uso en bioprótesis. ABSTRACT Since cardiovascular diseases are one of the most important causes of death in the world, numerous researches have been focused in improving prosthesis materials and looking for new more resistant, long-lasting and biocompatible materials. Nowadays, there are two main types of commercially available prosthetic valves: the mechanical and bioprosthetic valves. In a lot of countries, biological are more used than mechanical prosthesis. Biological valves have some advantages comparing to mechanical prosthesis, for example, they do not require an anticoagulant therapy and its design characteristics are closer to those of human valves. Nevertheless, its durability is an important limitation together with the high variability in thickness and performance. Researches in valvular prosthesis indicate that the optimal solution would be a biocompatible material with no calcification problems and suitable to manufacture prosthesis morphologically similar to native valves. For the moment, the most approximate solutions are porcine valves and pericardial valve leaflets properly treated. In this thesis, pericardium and artificial collagen-based membranes for valve leaflets are studied from a mechanical point of view. Pericardium is constituted by collagen. Collagen is a fibrous protein that provides strength and confers form while allowing flexibility and movement. It is important for maintenance of structural integrity and function of the valves. Artificial membranes are similar in composition and microstructure to pericardium: collagen fibers embedded in a matrix. This material is industrially processed and, due to its manufacture process, it is more homogenous in thickness and morphology, and it has less variability. The main difference is that it is composed by short collagen fibers instead of long ones. Mechanical characterization tries to provide more information about pericardium and artificial membranes to better understand their behavior, to detect fails in its normal functioning and to select the best areas from the mechanical point of view, to use it as valve leaflets. To date, in spite of being pericardium a widely studied material, this PhD thesis reports the result of tear tests have been done for the first time. Artificial membranes are also mechanically characterized for the first time. The main objective of this thesis is the study and comparison of these two materials for its application in cardiovascular surgery, in particular, to be used as substitute of native leaflets. With that objective, an exhaustive study of those two materials has been done. Biochemical analysis, uniaxial tensile tests, fatigue and tear tests were performed in vitro over a large number of samples of both materials and in each principal material direction. Rupture and fatigue parameters have been also analyzed. Cardiac valves are subjected to a constant fatigue: throughout the life, valves open and close around 31.5 million times. This thesis demonstrates that artificial membranes have similar mechanical properties than bovine pericardial membranes, in particular, in fatigue. Despite the values of rupture parameters in artificial membranes are not as greater as those of pericardium, they outperform native valves. This fact indicates that artificial membranes, from the mechanical point of view, are completely suitable for its use in valvular prosthesis.