Soutenance de thèse de COUSIN Thomas
Titre de thèse
Du banc d'essai aux données précliniques : optimiser la sélection de substitus artériels pour guider le développement des stents fémoro-poplités
From bench testing to preclinical insights: Optimizing arterial surrogate selection to guide femoro-popliteal stent development
Résumé de la thèse
Voici le texte original réduit à moins de 4 000 caractères, en gardant le maximum du texte d'origine :
La maladie artérielle périphérique (touchant plus de 100 millions de personnes dans le monde) est une manifestation de l'athérosclérose affectant les artères des membres inférieurs, où la formation de plaques rétrécit ou obstrue complètement la lumière vasculaire. Dans les cas de sténose longue de l'artère fémorale, un pontage fémoro-poplité est le traitement privilégié. Cependant, cette intervention est associée à des taux élevés de complications (36,8 %) et de mortalité (2,3 %). Le Clampless 2 (C2D) est un stent bifurqué en développement, conçu pour remplacer l'anastomose proximale d'un pontage fémoro-poplité afin de réduire l'invasivité et d'améliorer les résultats cliniques. Le développement d'un tel dispositif nécessite une évaluation mécanique et hémodynamique approfondie avant son utilisation clinique.
Un défi central réside dans le choix des modèles de substitution d'artères utilisés lors des tests en laboratoire, des études animales et de la validation préclinique. Une première étude menée sur des porcs et des tests en laboratoire présente certaines conditions expérimentales et modèles artériels utilisés au début du développement du C2D, illustrant la diversité des modèles employés. Les substituts artériels vont des matériaux synthétiques aux tissus animaux et cadavériques, mais leurs différences mécaniques restent insuffisamment caractérisées. La sélection d'un environnement de test approprié et la transposition des résultats d'un modèle à un autre restent complexes, pouvant biaiser les résultats.
Les propriétés mécaniques des parois artérielles humaines sont bien documentées, mais les études comparatives impliquant des modèles animaux et synthétiques sont limitées. Les études existantes se concentrent souvent sur des espèces individuelles avec des protocoles hétérogènes, entravant la comparaison. L'influence des techniques de conservation sur le comportement mécanique est également mal caractérisée. Pour les matériaux synthétiques, la variété de compositions et de procédés de fabrication, notamment l'impression 3D, soulève des questions quant à leur capacité à reproduire des tissus biologiques.
Cette thèse aborde ces limitations en étudiant systématiquement le comportement mécanique des matériaux de substitution pour les tissus cardiovasculaires, avec un accent sur l'artère fémorale. Huit matériaux ont été caractérisés par traction biaxiale sous différentes vitesses de déformation. Les données expérimentales et analyses histologiques ont permis de dériver des équations constitutives décrivant la réponse mécanique de chaque matériau. Une gamme plus large de matériaux synthétiques a aussi été testée de manière uniaxiale, biaxiale et compressive pour évaluer leur potentiel comme substituts cardiovasculaires.
Nos résultats mettent en évidence des différences significatives dans les propriétés mécaniques entre artères animales et humaines, alors que les stents doivent fonctionner efficacement dans les deux contextes. Dans les études animales chroniques, nécessaires à la validation de nouveaux dispositifs, l'adéquation mécanique avec les artères humaines est généralement secondaire à d'autres facteurs tels que la disponibilité des animaux ou la réponse physiologique. Les matériaux synthétiques, utiles en phase de développement, ne reproduisent généralement pas pleinement les tissus biologiques, les rendant inappropriés comme substitut complet aux modèles animaux.
Les propriétés mécaniques des artères, combinées aux résultats d'une étude sur des moutons, pourraient être intégrées dans des simulations numériques d'interaction fluide-structure de l'écoulement sanguin à travers le C2D, permettant une évaluation hémodynamique incluant l'identification des perturbations de flux et des contraintes pariétales associées aux risques de thrombose et d'hyperplasie intimale.
Thesis resume
Peripheral artery disease (>100M worldwide) is a manifestation of atherosclerosis affecting lower limb arteries, where plaque narrows or occludes the vessel lumen. In cases of long femoral artery stenosis, a femoro-popliteal bypass is the preferred treatment, but is associated with substantial morbidity (36.8%) and mortality (2.3%). The Clampless 2 (C2D) is a bifurcated stent under development, designed to replace the proximal anastomosis of a femoro-popliteal bypass to reduce invasiveness and improve clinical outcomes. Its development requires extensive mechanical and hemodynamic evaluation prior to clinical use.
A central challenge is the choice of arterial surrogate models used during bench testing, animal studies, and preclinical validation. A first study on swine and bench tests presents some test conditions and arterial models used in early C2D development, illustrating the different models used for stent development. Arterial surrogates range from synthetic materials to animal and cadaveric tissues, yet their mechanical differences are insufficiently characterized. Selecting an appropriate testing environment and translating results between models remain complex, potentially biasing test outcomes.
While human arterial wall mechanical properties are well documented, comparative studies involving animal and synthetic models are limited. Existing biological tissue studies often focus on individual species with heterogeneous protocols, hindering cross-study comparison. The influence of preservation techniques on mechanical behavior is also insufficiently characterized. For synthetic materials, the wide range of compositions and manufacturing processes, particularly 3D printing, raises questions regarding their ability to replicate biological tissues for cardiovascular applications.
This thesis addresses these limitations by systematically investigating surrogate material mechanical behavior, focusing on the femoral artery. Eight surrogates were characterized using biaxial tensile testing under multiple strain rate ratios. Experimental data and histology were used to derive constitutive equations describing each material's mechanical response. A broader range of synthetic materials was also tested biaxially, with complementary uniaxial tensile and compressive tests to extend characterization and assess their potential as cardiovascular tissue surrogates.
Our findings highlight significant mechanical property differences between animal and human arteries, while stents must perform effectively in both contexts. In chronic animal studies, required for device validation and commercialization, matching human artery mechanics is generally secondary to factors like animal availability or physiological response. Synthetic materials, while valuable during development, typically fall short of fully replicating biological tissues, making them unsuitable as a complete replacement for animal models.
The artery mechanical properties, combined with sheep animal study results, could be incorporated into numerical fluid-structure interaction simulations of blood flow through the C2D stent, enabling hemodynamic evaluation including identification of flow disturbances and wall stress distributions associated with thrombosis and intimal hyperplasia risks.