Development of tissue mimicking materials for functional anatomical models : towards imroved surgical rehearsal

Abstract

The importance of advanced surgical preparation is crucial for improving treatment outcomes of patients. The integration of 3D-printed anatomical models is becoming increasingly important and has significantly improved the visualization of complex anatomical structures, and hence surgical training and surgical planning.Despite advancements in the design and creation of such models, they often fail to accurately replicate the mechanical properties of soft tissues. Characterizing these mechanical properties is complex, and producing tissues that accurately match these properties is a considerable challenge.This dissertation introduces innovative methodologies for the modeling, characterization, and replication of soft biological tissues, and makes an important contribution in terms of biomechanical understanding of anatomical models towards surgical planning. The results presented apply a “parameter-reduced” adaptive quasi-linear viscoelastic (AQLV) material model designed to handle the complexities of soft tissue behavior at finite strains. This model not only simplifies the experimental characterization of viscoelastic properties, but also facilitates precise comparisons between different fabric types.Building on this basic model, the dissertation extends its application to the challenging area of fracture toughness prediction in soft tissues, specifically targeting porcine liver and muscle. By differentiating strain-dependent viscous dissipated energies, the improved AQLV model provides deeper insights into the viscoelastic and fracture behavior of soft collagenous tissues and paves the way for improved biomechanical models.With the building blocks to characterize the mechanical properties of soft biological tissues, another goal was to develop 3D printable tissues that better match those of the characterized soft tissues. Here, microstructuring techniques, fiber reinforcement and fluid injection are performed during the 3D printing process to achieve realistic mechanical properties of the synthetic tissues. This approach significantly refines the fidelity of 3D-printed anatomical models used for surgical planning and training and provides a pathway to more effective and error-free surgical procedures.In summary, this dissertation establishes efficient methods for biomechanical characterization of soft tissue and provides a methodology for producing more realistic tissue-like materials for use as anatomical models, with far-reaching implications for surgical education and training as well as general patient care.

Die Bedeutung einer fortgeschrittenen chirurgischen Vorbereitung ist entscheidend für die Verbesserung der Behandlungsergebnisse der Patienten. Die Integration von 3D-gedruckten anatomischen Modellen gewinnt zunehmend an Bedeutung und hat die Visualisierung komplexer anatomischer Strukturen revolutioniert und damit die chirurgische Ausbildung sowie chirurgische Planung erheblich verbessert. Trotz Fortschritten in Design und Erstellung solcher Modelle gelingt es oft nicht, die mechanischen Eigenschaften weicher Gewebe genau nachzubilden. Die Charakterisierung dieser mechanischen Eigenschaften ist komplex, und die Herstellung von Geweben, die diese Eigenschaften genau abbilden, stellt eine erhebliche Herausforderung dar.Diese Dissertation führt innovative Methoden für die Modellierung, Charakterisierung und Replikation von weichen biologischen Geweben ein und leistet einen wichtigen Beitrag hinsichtlich der chirurgischen Vorbereitung und des biomechanischen Verständnisses. Die vorgestellten Ergebnisse wendet ein ''parameterreduziertes'' adaptives quasi-lineares viskoelastisches (AQLV) Materialmodell an, das darauf ausgelegt ist, die Komplexitäten des Verhaltens weicher Gewebe bei endlichen Dehnungen zu bewältigen. Dieses Modell vereinfacht nicht nur die experimentelle Charakterisierung von viskoelastischen Eigenschaften, sondern erleichtert auch präzise Vergleiche zwischen verschiedenen Gewebetypen.Aufbauend auf diesem Grundmodell erweitert die Dissertation dessen Anwendung auf den herausfordernden Bereich der Vorhersage der Bruchzähigkeit in weichen Geweben, insbesondere zielt sie auf Schweineleber und -muskel ab. Durch die Differenzierung von dehnungsabhängigen viskosen dissipierten Energien bietet das verbesserte AQLV-Modell tiefere Einblicke in das viskoelastische und Bruchverhalten von weichen kollagenösen Geweben und ebnet den Weg für verbesserte biomechanische Modelle.Mit den Bausteinen zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von weichen biologischen Geweben war ein weiteres Ziel, 3D-druckbare Gewebe zu entwickeln, welche besser denen der charakterisierten weichen Gewebe entsprechen. Hierbei werden Mikrostrukturierungstechniken, Faserverstärkung und Flüssigkeitseinbringung während des 3D-Druckprozess durchgeführt, um realistische mechanischen Eigenschaften der synthetischen Gewebe zu erreichen. Dieser Ansatz verfeinert erheblich die Realitätstreue von 3D-gedruckten anatomischen Modellen, die für die chirurgische Planung und Ausbildung verwendet werden, und bietet einen Weg zu effektiveren und fehlerfreien Die Bedeutung einer fortgeschrittenen chirurgischen Vorbereitung ist entscheidend für die Verbesserung der Behandlungsergebnisse der Patienten. Die Integration von 3D-gedruckten anatomischen Modellen gewinnt zunehmend an Bedeutung und hat die Visualisierung komplexer anatomischer Strukturen revolutioniert und damit die chirurgische Ausbildung sowie chirurgische Planung erheblich verbessert. Trotz Fortschritten in Design und Erstellung solcher Modelle gelingt es oft nicht, die mechanischen Eigenschaften weicher Gewebe genau nachzubilden. Die Charakterisierung dieser mechanischen Eigenschaften ist komplex, und die Herstellung von Geweben, die diese Eigenschaften genau abbilden, stellt eine erhebliche Herausforderung dar.Diese Dissertation führt innovative Methoden für die Modellierung, Charakterisierung und Replikation von weichen biologischen Geweben ein und leistet einen wichtigen Beitrag hinsichtlich der chirurgischen Vorbereitung und des biomechanischen Verständnisses. Die vorgestellten Ergebnisse wendet ein ''parameterreduziertes'' adaptives quasi-lineares viskoelastisches (AQLV) Materialmodell an, das darauf ausgelegt ist, die Komplexitäten des Verhaltens weicher Gewebe bei endlichen Dehnungen zu bewältigen. Dieses Modell vereinfacht nicht nur die experimentelle Charakterisierung von viskoelastischen Eigenschaften, sondern erleichtert auch präzise Vergleiche zwischen verschiedenen Gewebetypen.Aufbauend auf diesem Grundmodell erweitert die Dissertation dessen Anwendung auf den herausfordernden Bereich der Vorhersage der Bruchzähigkeit in weichen Geweben, insbesondere zielt sie auf Schweineleber und -muskel ab. Durch die Differenzierung von dehnungsabhängigen viskosen dissipierten Energien bietet das verbesserte AQLV-Modell tiefere Einblicke in das viskoelastische und Bruchverhalten von weichen kollagenösen Geweben und ebnet den Weg für verbesserte biomechanische Modelle.Mit den Bausteinen zur Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von weichen biologischen Geweben war ein weiteres Ziel, 3D-druckbare Gewebe zu entwickeln, welche besser denen der charakterisierten weichen Gewebe entsprechen. Hierbei werden Mikrostrukturierungstechniken, Faserverstärkung und Flüssigkeitseinbringung während des 3D-Druckprozess durchgeführt, um realistische mechanischen Eigenschaften der synthetischen Gewebe zu erreichen. Dieser Ansatz verfeinert erheblich die Realitätstreue von 3D-gedruckten anatomischen Modellen, die für die chirurgische Planung und Ausbildung verwendet werden, und bietet einen Weg zu effektiveren und fehlerfreien chirurgischen Verfahren.Zusammenfassend etabliert diese Dissertation effiziente Methoden zur biomechanischen Charakterisierung von weichem Gewebe und bietet eine Methodik zur Herstellung realistischerer gewebeähnlicher Materialien für den Einsatz als anatomische Modelle, mit weitreichenden Implikationen für die chirurgische Ausbildung und das Training sowie die allgemeine Patientenversorgung.chirurgischen Verfahren.Zusammenfassend etabliert diese Dissertation effiziente Methoden zur biomechanischen Charakterisierung von weichem Gewebe und bietet eine Methodik zur Herstellung realistischerer gewebeähnlicher Materialien für den Einsatz als anatomische Modelle, mit weitreichenden Implikationen für die chirurgische Ausbildung und das Training sowie die allgemeine Patientenversorgung.