cardiotomskСибирский журнал клинической и экспериментальной медициныSiberian Journal of Clinical and Experimental Medicine2713-29272713-265XTSU publishing10.29001/2073-8552-2024-39-1-171-177cardiotomsk-2197Research ArticleЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯEXPERIMENTAL STUDIESЧисленная модель образования аневризмы сосудистого протезаNumerical model of aneurysm formation in vascular graftshttps://orcid.org/0000-0003-3211-1250КлышниковК. Ю.KlyshnikovK. Yu.

Клышников Кирилл Юрьевич, канд. мед. наук, научный сотрудник

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Kirill Yu. Klyshnikov, Cand. Sci. (Med.), Research Scientist

Academician Barbarash boulevard, 6, Kemerovo, 650002

klyshku@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7477-3979ОвчаренкоЕ. А.OvcharenkoE. A.

Овчаренко Евгений Андреевич, канд. техн. наук, заведующий лабораторией

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Evgeny A. Ovcharenko, Cand. Sci. (Tech.), Head of the Laboratory

Academician Barbarash boulevard, 6, Kemerovo, 650002

ovchea@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0003-4890-0393ГлушковаТ. В.GlushkovaT. V.

Глушкова Татьяна Владимировна, канд. биол. наук, старший научный сотрудник

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Tatyana V. Glushkova, Cand. Sci. (Biol.), Senior Research Scientist

Academician Barbarash boulevard, 6, Kemerovo, 650002

glushtv@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0003-2404-2873ОнищенкоП. С.OnishchenkoP. S.

Онищенко Павел Сергеевич, младший научный сотрудник

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Pavel S. Onishchenko, Junior Research Scientist

Academician Barbarash boulevard, 6, Kemerovo, 650002

onisps@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4405-8904РезвоваМ. А.RezvovaM. A.

Резвова Мария Александровна, младший научный сотрудник

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Maria A. Rezvova, Junior Research Scientist

Academician Barbarash boulevard, 6, Kemerovo, 650002

rezma@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0001-6099-0315КостюнинА. Е.KostyuninA. E.

Костюнин Александр Евгеньевич, канд. биол. наук, научный сотрудник

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Alexander E. Kostyunin, Cand. Sci. (Biol.), Research Scientist

Academician Barbarash boulevard, 6, Kemerovo, 650002

kostae@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0033-9376АкентьеваТ. Н.AkentievaT. N.

Акентьева Татьяна Николаевна, младший научный сотрудник

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Tatyana N. Akentieva, Junior Research Scientist

Academician Barbarash boulevard, 6, Kemerovo, 650002

akentn@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7116-8754СогоянН. К.SogoyanN. K.

Согоян Нерсес Корюнович, сердечно-сосудистый хирург

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Nerses K. Sogoyan, Cardiovascular   Surgeon

Academician Barbarash boulevard, 6, Kemerovo, 650002

nerssogoyan@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6981-9661БарбарашЛ. С.BarbarashL. S.

Барбараш Леонид Семенович, д-р мед. наук, профессор, академик РАН, главный научный сотрудник

650002, Кемерово, бульвар имени академика Л.С. Барбараша, стр. 6

Leonid S. Barbarash, Dr. Sci. (Med.), Professor, Academician of the RAS, Chief Research Scientist

Academician Barbarash boulevard, 6, Kemerovo, 650002

director@kemcardio.ruНаучно-исследовательский институт (НИИ) комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеванийРоссияResearch Institute for Complex Problems of Cardiovascular DiseasesRussian Federation202405042024391171177Copyright © Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Глушкова Т.В., Онищенко П.С., Резвова М.А., Костюнин А.Е., Акентьева Т.Н., Согоян Н.К., Барбараш Л.С., 20242024Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Глушкова Т.В., Онищенко П.С., Резвова М.А., Костюнин А.Е., Акентьева Т.Н., Согоян Н.К., Барбараш Л.С.Klyshnikov K.Y., Ovcharenko E.A., Glushkova T.V., Onishchenko P.S., Rezvova M.A., Kostyunin A.E., Akentieva T.N., Sogoyan N.K., Barbarash L.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.sibjcem.ru/jour/article/view/2197Обоснование

Обоснование. Исследование с помощью численного моделирования биомеханики имплантируемых медицинских изделий для сердечно-сосудистой хирургии является ценным инструментом для понимания глубинных механизмов клинических осложнений, возникающих при их применении.

Цель

Цель: описание и результаты применения численного метода моделирования аневризматического выбухания стенки сосудистого протеза на основе имитации деградации ее механических свойств.

Материал и методы

Материал и методы. Моделирование осуществляли на примере трехмерной компьютерной модели, полученной путем высокоточного  томографического  сканирования  участка сосудистого  биопротеза  «КемАнгиоПротез»  (ЗАО «НеоКор», Россия). На основе полученной 3D-модели путем подключения специализированного скрипта в среде Abaqus/CAE (Dassault systemes, США) имитировали падение модуля упругости (от 100 до 10%) при возникновении запороговых напряжений в материале с накоплением пластической деформации.

Результаты

Результаты. В ходе приложения 150 условных циклов давления показано, что модель реализует заложенный функционал и вызывает выбухание сосудистой стенки до 0,7 мм в радиальном направлении при значительной деградации механических свойств (на 90% относительно исходного модуля упругости) в результате длительного воздействия давлением. Пластическая деформация составила максимально 0,55%.

Заключение

Заключение. Исследованный в настоящей работе метод моделирования деградации свойств сосудистой стенки продемонстрировал возможность качественной и количественной оценки областей патологического аневризмообразования численными инструментами. Метод позволяет визуализировать участки выбухания и способен стать ценным инструментом для дополнения существующих подходов к исследованию сосудистых протезов, особенно биологического происхождения.

Background

Background. Using numerical modeling to study biomechanics of implantable devices for cardiovascular healthcare can help specialists understand underlying mechanisms of clinical complications caused by these devices.

Aim

Aim: To describe the results of numerical modeling of aneurysm formation in vascular grafts based on the simulation of degradation of their mechanical properties.

Material and Methods

Material and Methods. The simulation was carried out using a three-dimensional computer model obtained by high-resolution computed tomography of the vascular graft “KemAngioProtez” (CJSC “NeoKor”, Russia). Using the 3D model obtained with a specialized script in the Abaqus/CAE environment (Dassault systems, USA), we have simulated the decrease in the elastic modulus (from 100 to 10%) with post-threshold stresses in the material and the accumulation of plastic strain.

Results

Results. Undergoing 150 loading cycles, the vascular wall in the model swelled up to 0.7 mm in the radial direction, and its mechanical properties degraded significantly (by 90% compared to baseline) due to prolonged pressure exposure. The value of maximum plastic deformation was 0.55%.

Conclusion

Conclusion. Numerical modeling of graft mechanical properties degradation can assist in qualitative and quantitative assessment of the areas of aneurysm formation. The method makes it possible to visualize the swelling areas and can be used as a valuable tool to complement the existing approaches to studying vascular grafts, and biografts in particular.

сосудистый протезчисленное моделированиеметод конечных элементованевризматическое выбуханиеvascular graftsnumerical modelingfinite element methodaneurysmal swellingReferencesLin C.-H., Hsia K., Ma H., Lee H., Lu J.-H. In vivo performance of decellularized vascular grafts: a review article. Int. J. Mol. Sci. 2018;19(7):2101. DOI: 10.3390/ijms19072101.Lin C.-H., Hsia K., Ma H., Lee H., Lu J.-H. In vivo performance of decellularized vascular grafts: a review article. Int. J. Mol. Sci. 2018;19(7):2101. DOI: 10.3390/ijms19072101.Wertheimer S., Sharabi M., Shelah O., Lesman A., Haj-Ali R. Bio-composites reinforced with unique coral collagen fibers: Towards biomimetic-based small diameter vascular grafts. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2021;119:104526. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2021.104526.Wertheimer S., Sharabi M., Shelah O., Lesman A., Haj-Ali R. Bio-composites reinforced with unique coral collagen fibers: Towards biomimetic-based small diameter vascular grafts. J. Mech. Behav. Biomed. Mater. 2021;119:104526. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2021.104526.Wilasrusmee C., Siribumrungwong B., Horsirimanont S., Poprom N., Jirasiritham J., Thakkinstian A. Clinical results of biologic prosthesis: A systematic review and meta-analysis of comparative studies. Ann. Med. Surg. 2017;15:26–33. DOI: 10.1016/j.amsu.2017.01.018.Wilasrusmee C., Siribumrungwong B., Horsirimanont S., Poprom N., Jirasiritham J., Thakkinstian A. Clinical results of biologic prosthesis: A systematic review and meta-analysis of comparative studies. Ann. Med. Surg. 2017;15:26–33. DOI: 10.1016/j.amsu.2017.01.018.Keane T.J., Londono R., Turner N.J., Badylak S.F. Consequences of ineffective decellularization of biologic scaffolds on the host response. Biomaterials. 2012;33(6):1771–1781. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2011.10.054.Keane T.J., Londono R., Turner N.J., Badylak S.F. Consequences of ineffective decellularization of biologic scaffolds on the host response. Biomaterials. 2012;33(6):1771–1781. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2011.10.054.Pashneh-Tala S., MacNeil S., Claeyssens F. The tissue-engineered vascular graft – past, present, and future. Tissue Eng. Part B. Rev. 2016;22(1):68–100. DOI: 10.1089/ten.teb.2015.0100.Pashneh-Tala S., MacNeil S., Claeyssens F. The tissue-engineered vascular graft – past, present, and future. Tissue Eng. Part B. Rev. 2016;22(1):68–100. DOI: 10.1089/ten.teb.2015.0100.Reza M.M.S., Arzani A. A critical comparison of different residence time measures in aneurysms. J. Biomech. 2019;88:122–129. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2019.03.028.Reza M.M.S., Arzani A. A critical comparison of different residence time measures in aneurysms. J. Biomech. 2019;88:122–129. DOI: 10.1016/j.jbiomech.2019.03.028.Meng H., Tutino V.M., Xiang J., Siddiqui A. High WSS or Low WSS? Complex interactions of hemodynamics with intracranial aneurysm initiation, growth, and rupture: toward a unifying hypothesis. Am. J. Neuroradiol. 2014;35(7):1254–1262. DOI: 10.3174/ajnr.A3558.Meng H., Tutino V.M., Xiang J., Siddiqui A. High WSS or Low WSS? Complex interactions of hemodynamics with intracranial aneurysm initiation, growth, and rupture: toward a unifying hypothesis. Am. J. Neuroradiol. 2014;35(7):1254–1262. DOI: 10.3174/ajnr.A3558.Li D., Ma J., Wei C., Zhao J., Yuan D., Zheng T. Hemodynamic analysis to assist treatment strategies in complex visceral arterial pathologies: Case reports and discussion from pancreaticoduodenal artery aneurysm with superior mesenteric artery occlusion. Ann. Vasc. Surg. 2019;59:308.e1–308.e8. DOI: 10.1016/j.avsg.2019.02.049.Li D., Ma J., Wei C., Zhao J., Yuan D., Zheng T. Hemodynamic analysis to assist treatment strategies in complex visceral arterial pathologies: Case reports and discussion from pancreaticoduodenal artery aneurysm with superior mesenteric artery occlusion. Ann. Vasc. Surg. 2019;59:308.e1–308.e8. DOI: 10.1016/j.avsg.2019.02.049.Numata S., Itatani K., Kanda K., Doi K., Yamazaki S., Morimoto K. et al. Blood flow analysis of the aortic arch using computational fluid dynamics. Eur. J. Cardio-Thoracic Surg. 2016;49(6):1578–1585. DOI: 10.1093/ejcts/ezv459.Numata S., Itatani K., Kanda K., Doi K., Yamazaki S., Morimoto K. et al. Blood flow analysis of the aortic arch using computational fluid dynamics. Eur. J. Cardio-Thoracic Surg. 2016;49(6):1578–1585. DOI: 10.1093/ejcts/ezv459.Roache P.J. Quantification of uncertainty in computational fluid dynamics. Annu. Rev. Fluid. Mech. 1997;29(1):123–160. DOI: 10.1146/annurev.fluid.29.1.123.Roache P.J. Quantification of uncertainty in computational fluid dynamics. Annu. Rev. Fluid. Mech. 1997;29(1):123–160. DOI: 10.1146/annurev.fluid.29.1.123.Saqr K.M., Rashad S., Tupin S., Niizuma K., Hassan T., Tominaga T. et al. What does computational fluid dynamics tell us about intracranial aneurysms? A meta-analysis and critical review. J. Cereb. Blood Flow Metab. 2020;40(5);1021–1039. DOI: 10.1177/0271678X19854640.Saqr K.M., Rashad S., Tupin S., Niizuma K., Hassan T., Tominaga T. et al. What does computational fluid dynamics tell us about intracranial aneurysms? A meta-analysis and critical review. J. Cereb. Blood Flow Metab. 2020;40(5);1021–1039. DOI: 10.1177/0271678X19854640.Sailer A.M.H., Wagemans B.A.J.M., Nelemans P.J., de Graaf R., van Zwam W.H. Diagnosing intracranial aneurysms with MR angiography. Stroke. 2014;45(1):119–126. DOI:10.1161/STROKEAHA.113.003133.Sailer A.M.H., Wagemans B.A.J.M., Nelemans P.J., de Graaf R., van Zwam W.H. Diagnosing intracranial aneurysms with MR angiography. Stroke. 2014;45(1):119–126. DOI:10.1161/STROKEAHA.113.003133.Watton P.N., Selimovic A., Raberger N.B., Huang P., Holzapfel G.A., Ventikos Y. Modelling evolution and the evolving mechanical environment of saccular cerebral aneurysms. Biomech. Model. Mechanobiol. 2011;10(1):109–132. DOI: 10.1007/s10237-010-0221-y.Watton P.N., Selimovic A., Raberger N.B., Huang P., Holzapfel G.A., Ventikos Y. Modelling evolution and the evolving mechanical environment of saccular cerebral aneurysms. Biomech. Model. Mechanobiol. 2011;10(1):109–132. DOI: 10.1007/s10237-010-0221-y.Yadav P.N., Singh G., Gupta S., Chanda A. Biomechanical modeling of cerebral aneurysm progression to estimate rupture risk. Biomechanics. 2023;3(1):13–28. DOI: 10.3390/biomechanics3010002.Yadav P.N., Singh G., Gupta S., Chanda A. Biomechanical modeling of cerebral aneurysm progression to estimate rupture risk. Biomechanics. 2023;3(1):13–28. DOI: 10.3390/biomechanics3010002.Cardamone L., Valentin A., Eberth J.F., Humphrey J.D. Modelling carotid artery adaptations to dynamic alterations in pressure and flow over the cardiac cycle. Math. Med. Biol. 2010;27(4):343–371. DOI: 10.1093/imammb/dqq001.Cardamone L., Valentin A., Eberth J.F., Humphrey J.D. Modelling carotid artery adaptations to dynamic alterations in pressure and flow over the cardiac cycle. Math. Med. Biol. 2010;27(4):343–371. DOI: 10.1093/imammb/dqq001.Takano Y., Koibuchi H. J-shaped stress-strain diagram of collagen fibers: Frame tension of triangulated surfaces with fixed boundaries. Phys. Rev. E. 2017;95(4):042411. DOI: 10.1103/PhysRevE.95.042411.Takano Y., Koibuchi H. J-shaped stress-strain diagram of collagen fibers: Frame tension of triangulated surfaces with fixed boundaries. Phys. Rev. E. 2017;95(4):042411. DOI: 10.1103/PhysRevE.95.042411.Dolgov V.Y., Klyshnikov K.Y., Ovcharenko E.A., Glushkova T.V., Batranin A.V., Agienko A.S. et al. Finite element analysis-based approach for prediction of aneurysm-prone arterial segments. J. Med. Biol. Eng. 2019;39(1):102–108. DOI: 10.1007/s40846-018-0422-x.Dolgov V.Y., Klyshnikov K.Y., Ovcharenko E.A., Glushkova T.V., Batranin A.V., Agienko A.S. et al. Finite element analysis-based approach for prediction of aneurysm-prone arterial segments. J. Med. Biol. Eng. 2019;39(1):102–108. DOI: 10.1007/s40846-018-0422-x.Клышников К.Ю., Резвова М.А., Овчаренко Е.А., Глушкова Т.В., Батранин А.В., Нуштаев Д.В. и др. Экспериментальное исследование армирующей конструкции протеза кровеносного сосуда на основе внутренней грудной артерии крупного рогатого скота. Биофизика. 2021;66(4):811–822. DOI: 10.31857/S0006302921040219.Klyshnikov K.Ju., Rezvova M.A., Ovcharenko E.A., Glushkova T.V., Batranin A.V., Nushtaev D.V. et al. Jeksperimental’noe issledovanie armirujushhej konstrukcii proteza krovenosnogo sosuda na osnove vnutrennej grudnoj arterii krupnogo rogatogo skota. Biofizika. 2021;66(4):811–822. (In Russ.). DOI: 10.31857/S0006302921040219.Volokh K. Modeling aneurysm growth and failure. Procedia IUTAM. 2015;12:204–210. DOI: 10.1016/j.piutam.2014.12.022.Volokh K. Modeling aneurysm growth and failure. Procedia IUTAM. 2015;12:204–210. DOI: 10.1016/j.piutam.2014.12.022.Selimovic A., Ventikos Y., Watton P.N. Modelling the evolution of cerebral aneurysms: Biomechanics, mechanobiology and multiscale modelling. Procedia IUTAM. 2014;10:396–409. DOI: 10.1016/j.piutam.2014.01.034.Selimovic A., Ventikos Y., Watton P.N. Modelling the evolution of cerebral aneurysms: Biomechanics, mechanobiology and multiscale modelling. Procedia IUTAM. 2014;10:396–409. DOI: 10.1016/j.piutam.2014.01.034.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.