Dr hab. inż. Grzegorz Milewski, prof. PK Kraków, 23.10.2015 Zakład Mechaniki Doświadczalnej i Biomechaniki Instytut Mechaniki Stosowanej Politechnika Krakowska RECENZJA rozprawy doktorskiej mgr inż. Marty Kozuń pt. Wpływ zmian miażdżycowych na właściwości mechaniczne i strukturalne ścian naczyń krwionośnych Podstawa opracowania: pismo Prodziekana Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej Dr inż. Tadeusza Lewandowskiego, nr W10/41d/72/2015 z dn. 29.07.2015 r. 1. Zakres rozprawy Procesy miażdżycowe naczyń krwionośnych określane mianem choroby cywilizacyjnej, ze względu na rosnącą częstotliwość ich występowania, aktualnie już nie tylko w populacji ludzi starszych, oraz towarzyszący mu wysoki odsetek śmiertelności, stanowią jeden z najbardziej istotny problemów społecznych starzejących się społeczeństw. Brak jednoznacznych, wiarygodnych i obiektywnych kryteriów oceny stopnia rozwoju tej jednostki chorobowej jest wyzwaniem współczesnej diagnostyki klinicznej oraz inżynierii biomedycznej. W literaturze brak jest jednolitych, spójnych modeli opisujących procesy miażdżycowe tętnic uwzględniających jednoczesne patologiczne procesy strukturalne zachodzące w naczyniach krwionośnych oraz towarzyszące, skorelowane z nimi zmiany własności wytrzymałościowych tworzących je tkanek miękkich. Współczesna diagnostyka miażdżycy oparta jest głównie na zaawansowanych technikach obrazowania medycznego, w których ocenie podlegają głównie parametry geometryczne związane z narastającą blaszka miażdżycową. Drugim kierunkiem badań w tej tematyce jest ocena histopatologicznych strukturalnych zmian zachodzących w tkance łącznej ścian tętnicy towarzyszących rozwojowi miażdżycy. Kolejnym kierunkiem są badania własności mechanicznych, sprowadzające się na ogół do porównawczej analizy parametrów wytrzymałościowych zdrowych i miażdżycowych ścian naczyń krwionośnych.. W pracy Autorka starała się połączyć wszystkie te nurty badawcze wychodząc ze słusznego założenia, że podstawowym i nadrzędnym uwarunkowaniem prawidłowej diagnostyki klinicznej jest analiza i opis dynamiki zmian ścian aortalnych w procesie rozwoju miażdżycy skorelowana ze zmianami morfologicznymi oraz własnościami wytrzymałościowymi tworzącej jej tkanki łącznej. Doktorantka wykonała bardzo szeroki, jak na rozprawę doktorską, program badań eksperymentalnych obejmujący grupę badawczą składającą się z 90 naczyń patologicznych i 17 zdrowych aort piersiowych, z których preparowano próbki do poszczególnych rodzajów badań,. Autorka swoje opracowanie przedstawiła łącznie na 144 stronach maszynopisu zawierającego tekst, tabele, rysunki oraz wykaz 143 cytowanych pozycji literaturowych.
2. Ocena merytoryczna rozprawy Przedstawiona do recenzji rozprawia ma typowo doświadczalny charakter. Doktorantka zaproponowała własną złożoną procedurę badawczą realizując bardzo szeroki program badań doświadczalnych. Taka metodyka, wraz z rzetelnie przeprowadzoną wyczerpująca dyskusją wyników, poparta szerokim studium literaturowym aktualnych prac naukowych z zakresu badań własności strukturalnych i wytrzymałościowych naczyń krwionośnych, pozwoliła moim zdaniem na zrealizowanie zasadniczego celu naukowego pracy, którym była identyfikacja i korelacja zmian własności wytrzymałościowych i morfologicznych struktur aorty płucnej człowieka dla prawidłowej, zdrowej tętnicy oraz w różnych etapach zaawansowania jej schorzenia miażdżycowego. Wobec tak zdefiniowanego celu zasadniczego Autorka postawiła sobie w pracy ambitne szczegółowe cele do zrealizowania, z których najważniejsze to: określenie jakościowe i ilościowe zmian strukturalnych w ścianach ludzkich aort piersiowych przyporządkowanych klasyfikacji Stary ego określającej stopień zaawansowania zmian miażdżycowych; badania histopatologiczne przeprowadzono we współpracy z Katedrą i Zakładem Biochemii Lekarskiej Uniwersytetu Medycznego we Wrocławiu z zastosowaniem klasycznej mikroskopii optycznej, wyznaczenie charakterystyk wytrzymałościowych ścian aorty oraz poszczególnych jej warstw w poszczególnych etapach rozwoju miażdżycy w warunkach obciążeń statycznych, wykonanie badań zmęczeniowych nisko i średnio cyklowych dla próbek ścian tętnicy aortalnej w funkcji progresji miażdżycy, wykonanie badań wytrzymałościowych połączenia pomiędzy poszczególnymi warstwami aorty zdrowej oraz ze zmianami miażdżycowymi, weryfikacja założenia o nieściśliwości ściany naczynia krwionośnego oraz poszczególnych jego warstw. Moim zdaniem większość tych celów, przynajmniej w zakresie doświadczalnym, udało się Doktorantce w swojej pracy wypełnić. Do pewnych wątków, które mogą budzić moje wątpliwości, głównie w zakresie przyjętych założeń oraz próby modelowania, ustosunkuję się w dalszej części recenzji w punkcie uwagi krytyczne. Do niewątpliwych zalet przedstawionej rozprawy należą: przedstawienie własnej złożonej propozycji doświadczalnej metodyki korelacji dynamiki procesu rozwoju zmian miażdżycowych tętnicy aorty płucnej człowieka w oparciu o analizę zmian własności mechanicznych i strukturalnych warstwowej tkanki łącznej tworzącej tętnicę, aplikacja techniki pozyskiwania złożonych preparatów biologicznych do zróżnicowanych badań wytrzymałościowych w oparciu dostępne dane literaturowe należy podkreślić, że badania takie dotychczas nie podlegają standaryzowanemu protokołowi badawczemu, zastosowanie w badaniach wytrzymałościowych procedury przestrzennego pomiaru aktualnej konfiguracji geometrii próbki z wykorzystaniem bezkontaktowej metody wideoekstensometrów,, jakościowy i ilościowy opis korelacyjny zmian strukturalnych ścian tętnicy (udział włókien elastylowych i kolagenowych oraz mięśni gładkich), na wartości wytrzymałości, sztywności i odkształcalności ścian aorty płucnej i jej poszczególnych warstw w różnych fazach zaawansowania miażdżycy, ze szczególnym uwzględnieniem IV fazy rozwoju tego schorzenia, 2
wykazanie słuszności założenia o braku zmian objętości, czyli nieściśliwości materiału tworzącego tętnicę, zarówno zdrową, jak i obarczoną zmianami miażdżycowymi, co w przypadku tej ostatniej nie było do tej pory jednoznacznie zweryfikowane literaturowo, rzetelne opracowanie statystyczne wyników bardzo szerokiego programu badań z uwzględnieniem testu istotności, bardzo szeroki przegląd literaturowy przedmiotowego zagadnienia w większości uwzględniający aktualne pozycje z ostatnich kilkunastu lat, staranna redakcja i edycja praca napisanej bardzo poprawną polszczyzną. Podsumowując tę część recenzji mogę jednoznacznie stwierdzić, że przedstawiona do oceny rozprawa zawiera cenne aspekty poznawcze w zakresie bioinżynierii tkanki miękkiej. Doktorantka rozwiązuje problem opartego na eksperymencie identyfikacyjnego opisu dynamiki rozwoju zmian miażdżycowych aorty płucnej człowieka, przydatnego do oceny stopnia zaawansowania tej choroby wraz z towarzyszącą jej analiza własności wytrzymałościowych ścian aortalnych. 3. Uwagi krytyczne W punkcie tym chciałem przedstawić pewne wątpliwości i uwagi krytyczne, które nasunęły mi się po zapoznaniu się z recenzowaną pracą. Najważniejsze z nich to: Moim zdaniem tytuł rozprawy w zakresie dopełnienia ścian naczyń krwionośnych jest przedmiotowo zbyt obszerny i stanowi pewną nadinterpretację w stosunku do przedmiotu badań, którym jest tylko aorta płucna; naczynia krwionośne tworzą tętnice, żyły i naczynia włosowate i są one istotnie zróżnicowane strukturalnie i czynnościowo, a co za tym idzie również w zakresie własności mechanicznych, Dyskusyjnym, ale równocześnie i fundamentalnym założeniem jest przyjęcie modelu wytrzymałościowego tętnicy jako elementu cylindrycznego; czy jest to element cienkościenny pracujący w warunkach stanu błonowego, czy jednak przy skończonej, ale istotnej w stosunku do średnicy grubości ścianki wielowarstwowego naczynia krwionośnego nie bliżej mu do cylindra grubościennego analizowanego w warunkach tzw. zadania Lamego - determinuje to z kolei przyjęcie płaskiego stanu odkształcenia; Autorka w zależności od rodzaju zadania badawczego przyjmuje oba podejścia: założenie ortogonalności w badaniach w kierunku obwodowym i wzdłużnym, a uwzględnienie naprężeń radialnych w teście wytrzymałości połączenia adhezyjnego pomiędzy poszczególnymi warstwami ścianki aorty, czy 3 ortogonalnego kierunku w weryfikacji założenia nieściśliwości; prosiłbym o komentarz i przekonanie mnie co do słuszności przyjętych w pracy założeń, Doktorantka niezbyt precyzyjnie, często wymiennie, używa pojęcia deformacja, wydłużenie czy współczynnik odkształcenia, a pojęciem odkształcenie a nie są to określenia tożsame; może to prowadzić do niezgodności wymiarowej jak przykładowo w równaniach (5), (6), (18) czy (19), W nawiązaniu do poprzedniej uwagi nie jest też do końca jasne jakiej miary odkształceń używa Doktorantka w swojej pracy z charakteru eksperymentu wynika pomiar aktualnej konfiguracji geometrii próbki; ale jakim aproksymacjom będzie podlegała wielkość przemieszczeń i ich gradientów od tego będzie zależało czy związki geometryczne będą liniowe, czy nie i czy opis przestrzenny będzie tożsamy z opisem materialnym, czy nie; w nawiązaniu do 3
powyższego Autorka w podpisie do tabeli 4.3 podaje tensor deformacji Cauchego-Greena; takiego tensora nie ma: w teorii sprężystości we współrzędnych materialnych (układ Lagrange a) tensor deformacji określa się pojęciem tensora Green a, a we współrzędnych przestrzennych (układ Eulera) tensorem Cauchy ego; analogicznie, dla tensora odkształcenia to odpowiednio tensor Greena de Saint Venanta oraz tensor Almanasiego Hamela; podobna uwaga może dotyczyć tensorów naprężeń Cauchy ego czy Pioli-Kirchoffa I lub II rodzaju; Szkoda, że Doktorantka dysponując wynikami tak obszernego materiału badawczego nie podjęła próby pewnego modelowania konstytutywnego materiału tkanki łącznej tworzącej zdrową i miażdżycową aortę, przynajmniej w zakresie propozycji funkcji materiałowych zależnych od cech strukturalnych na danym stopniu zaawansowania miażdżycy; Aspekt opisu konstytutywnego tkanki aortalnej jest stosunkowo najsłabszym elementem pracy; przedstawiona tabela 4.3 czy równania (3) (6) zawierają sporo nieścisłości, czy braków w objaśnieniach stosowanych oznaczeń; nie jest też dla mnie jasne operowanie większą liczbą niż 3 niezmienników tensora deformacji; dla ciała sprężystego w sensie Greena (a takim jest rozważana w pracy grupa materiałów sprężystych czy hipersprężystych) potencjał sprężystości, zarówno dla materiałów izotropowych jak i anizotropowych, zależy tylko od punktu oraz 3 niezmienników (I 1 ślad tensora, I 2 suma dopełnień algebraicznych elementów tensora na diagonali oraz I 3 wyznacznika tensora; dla materiału nieściśliwego wynosi on 1); dla materiałów anizotropowych występuje jeszcze dodatkowa zależność od bazy układu materialnego, czyli wersorów tego układu; Można się było moim zdaniem w pracy pokusić o uzupełnienie jej o elementarną analizę numeryczną, np. metodą elementów skończonych; geometria fragmentu aorty jest stosunkowo prosta, a przy wyznaczonych własnych stałych materiałowych analiza odkształcalności i wytężeń struktur naczynia w różnych stopniach miażdżycy dawałaby szansę na bardziej rozbudowane wnioski, Z uwag szczegółowych można mieć tylko zastrzeżenia do prezentowania w tabelach wyników badań/obliczeń z dokładnością do 3 miejsc po przecinku; nie jest to uprawnione w sytuacji gdy liczba cyfr znaczących dla danych wejściowych (chociażby geometrii próbki) dana jest z dokładnością do 1 miejsca po przecinku. Praca jest napisana bardzo starannie edycyjnie, więc moje uwagi w tym aspekcie mogą się tylko odnosić do nielicznych błędów redakcyjnych, głównie interpunkcyjnych, zauważalnych braków bibliograficznych w cytowanych pozycjach literaturowych, czy nie zawsze konsekwentnego używania jednostek SI. Błędów tych nie eksponuje jako nieistotnych dla całości pracy. 4. Wniosek końcowy Podsumowując pragnę stwierdzić, że przedstawiona do oceny rozprawa zawiera cenne aspekty poznawcze w szeroko rozumianej dyscyplinie mechanika, w zakresie specjalności biomechanika i inżynieria biomedyczna. W moim przekonaniu praca jest zasadniczo poprawna, a jej podstawowy cel został zrealizowany, tzn. zastosowano własną metodykę badawczą opisu procesu rozwoju zmian miażdżycowych aorty płucnej w oparciu o analizę zmian własności wytrzymałościowych i morfologicznych tkanki łącznej tworzącej tą tętnicę. 4
Praca będąc oryginalnym rozwiązaniem postawionego zadania badawczego stanowi autorski przyczynek naukowy w zakresie biomechaniki tkanki miękkiej i metod doświadczalnych w inżynierii biomedycznej. Biorąc powyższe pod uwagę stwierdzam, że opiniowana praca Pani mgr inż. Marty Kozuń odpowiada wymaganiom stawianym rozprawom doktorskim i w nawiązaniu do aktualnie obowiązującej Ustawy o stopniach i tytułach naukowych wnoszę o jej przyjęcie oraz dopuszczenie do publicznej obrony przed stosowną Komisją powołaną przez Radę Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej. Przedstawione w poprzednim punkcie uwagi mają w większości charakter polemiczny i nie umniejszają one wartości pracy. W zakresie eksperymentalnym praca jest bardzo obszerna, poprawna i wartościowa, co skłaniałoby mnie do postawienia wniosku o jej wyróżnienie. Na ostateczną decyzję o tym wniosku będzie miał jednak wpływ przebieg jej obrony i wyjaśnienia Doktorantki na moje uwagi. 5