Аддитивное производство и численное моделирование полимерных стентов

Автор: Спорышева Д.И., Хайрулин А.Р.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 4 (106) т.28, 2024 года.

Бесплатный доступ

Биоразлагаемые стенты – это одно из перспективных направлений в кардиологии, имеющее ряд преимуществ перед металлическими. Исследования показывают, что эти стенты могут эффективно восстанавливать просвет сосудов и одновременно органично растворяться в тканях организма, минимизируя риск осложнений. Производство биоразлагаемых стентов методом FDM-печати позволяет разнообразить типы изготавливаемых конструкций, а также является экономически выгодным решением. Было произведено численное моделирование процесса расширения 6 геометрий стен-тов. В качестве материала стента использовался биоразлагаемый полимер – полилактид (PLA). Максимального расширения на концах достиг стент № 2 с пятиэлементными распорками. Однако в центральной области наилучшее расширение получает стент № 4, состоя-щий из девятиэлементных распорок. Минимальные и максимальные напряжения конструкций равны соответственно 77,1 и 83,1 МПа. Во всех стентах после разгрузки был выявлен переход в зону пластических деформаций в областях коронок и звеньев (max = 0,65, min = 0,1). По результатам моделирования были рассчитаны коэффициенты радиальной упругости, укорочения и неравномерности раскрытия стентов. Также был произведен сравнительный анализ влияния толщины стенки стента на его способность расширяться и сохранять свое напряженно-деформированное состояние, который показал, что стенты с толщиной 0,4 мм, в отличие от толщины 0,2 мм, лучше расширяются и сохраняют значительное раскрытие после снятия нагрузки со стента.

Еще

Стент, PLA, аддитивное производство, численное моделирование

Короткий адрес: https://sciup.org/146283001

IDR: 146283001 | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.4.08

Список литературы Аддитивное производство и численное моделирование полимерных стентов

Lally, C. Cardiovascular stent design and vessel stresses: a fi-nite element analysis / C. Lally, F. Dolan, P.J. Prendergast // J Biomech. – 2005. – Vol. 38, no. 8. – P. 1574–81.
Finite element analysis of the mechanical performances of 8 marketed aortic stent-grafts / N. Demanget, A. Duprey, P. Badel, L. Orgéas, S. Avril, C. Geindreau, J.N. Albertini, J.P. Favre // J Endovasc Ther. – 2013. – Vol. 20, no. 4. – P. 523–35.
Wang, W. Finite element analysis of the expansion behavior of coronary stents / W. Wang, D. Yang, M. Qi // Sheng Wu Yi Xue Gong Cheng Xue Za Zhi. – 2006. – Vol. 23, no. 6. – P. 1258–62, 1266.
Рововой, Э.Ю. Математическое моделирование поведе-ния биодеградируемых коронарных стентов из полимер-ных материалов / Э.Ю. Рововой, О.В. Антонова // Россий-ский журнал биомеханики. – 2024. – Т. 28, № 1. – С. 23–39.
Frank, A.O. Computational fluid dynamics and stent design / A.O. Frank, P.W. Walsh, J.E. Moore Jr. // Artif Organs. – 2002. – Vol. 26, no. 7. – P. 614–21.
Mechanical behavior of polymer-based vs. metallic-based bi-oresorbable stents / H.Y. Ang, Y.Y. Huang, S.T. Lim, P. Wong, M. Joner, N. Foin // J Thorac Dis. – 2017. – Vol. 8. – P. S923–S934.
Chemical etching of nitinol stents / B. Katona, E. Bognár, B. Berta, P. Nagy, K. Hirschberg // Acta Bioeng Biomech. – 2013. – Vol. 15, no. 4. – P. 3–8.
Lappin, D. An experimental study of electrochemical polish-ing for micro-electro- discharge-machined stainless-steel stents / D. Lappin, A.R. Mohammadi, K. Takahata // J Mater Sci Mater Med. – 2012. – Vol. 23, no. 2. – P. 349–56.
Electroforming as a new method for fabricating degradable pure iron stent / A. Purnama, A. Mostavan, C. Paternoster, D. Mantovani // Advances in Metallic Biomaterials. – 2015. – P. 85–100.
Özarslan, S. Microstructure, mechanical and corrosion prop-erties of novel Mg-Sn-Ce alloys produced by high pressure die casting / S. Özarslan, H. Şevik, İ. Sorar // Materials Sci-ence and Engineering C. – 2019. – Vol. 105. – P. 110064.
Fu, C.H. Statistical characteristics of surface integrity by fiber laser cutting of Nitinol vascular stents / C.H. Fu, J.F. Liu, A. Guo // Appl Surf Sci. – 2015. – Vol. 353. – P. 291–299.
Evaluation of coronary stents: A review of types, materials, processing techniques, design, and problems / F. Ahadi, M. Azadi, M. Biglari, M. Bodaghi, A. Khaleghian // Heliyon. – 2023. Vol. 9, no. 2. – P. e13575.
Ali, M.A. Additive manufacturing potential for medical de-vices and technology / M.A. Ali, M. Rajabi, S. Sudhir Sali // Current Opinion in Chemical Engineering. – 2020. – Vol. 28. – P. 127–133.
In vivo evaluation and characterization of a bio-absorbable drug-coated stent fabricated using a 3D-printing system / S.A. Park, S.J. Lee, K.S. Lim, I.H. Bae, J.H. Lee, W.D. Kim, M.H. Jeong, J.-K. Park // Materials Letters. – 2015. – Vol. 141. – P. 355–358.
Mechanical properties and shape memory effect of 3D-printed PLA-based porous scaffolds / F.S. Senatov, K.V. Niaza, M.Y. Zadorozhnyy, A.V. Maksimkin, S.D. Kaloshkin, Y.Z. Estrin // J Mech Behav Biomed Mater. – 2016. – Vol. 57. – P. 139–48.
4D printing of shape memory-based personalized endolumi-nal medical devices / M. Zarek, N. Mansour, S. Shapira, D. Cohn // Macromol Rapid Commun. – 2017. – Vol. 38, iss. 2. – P. 1600628.
Advancements and limitations in 3D printing materials and technologies: a critical review / S.F. Iftekar, A. Aabid, A. Amir, M. Baig // Polymers. – 2023. – Vol. 15, no. 11. – P. 2519.
Design and fabrication of novel polymeric biodegradable stents for small caliber blood vessels by computer-aided wet-spinning / D. Puppi, A. Pirosa, G. Lupi, P.A. Erba, G. Giachi, F. Chiellini // Biomedical Materials (Bristol). – 2017. – Vol. 12, no. 3. – P. 035011.
Cardiovascular stents: overview, evolution, and next genera-tion / S. Borhani, S. Hassanajili, S.H. Ahmadi Tafti, S. Rabbani // Progress in Biomaterials. – 2018. – Vol. 7, no. 3. – P. 175–205.
The development of design and manufacture techniques for bioresorbable coronary artery stents / L. Wang, L. Jiao, S. Pang, P. Yan, X. Wang, T. Qiu // Micromachines (Basel). – 2021. – Vol. 12, no. 8. – P. 990.
Advances in the development of biodegradable coronary stents: A translational perspective / J. Zong, Q. He, Y. Liu, M. Qiu, J. Wu, B. Hu // Materials Today Bio. – 2022. – Vol. 16. – P. 100368.
A review of material degradation modelling for the analysis and design of bioabsorbable stents / E.L. Boland, C.J. Shine, N. Kelly, C.A. Sweeney, P.E. McHugh // Annals of Biomed-ical Engineering. – 2016. – Vol. 44, no. 2. – P. 341–56.
Enhancing flexibility and strength-to-weight ratio of poly-meric stents: A new variable-thickness design approach / M. Khatami, A. Doniavi, A.M. Abazari, M. Fotouhi // J Mech Behav Biomed Mater. – 2024. – Vol. 150. – P. 106262.
Mechanical properties and degradation process of biliary self-expandable biodegradable stents / C.I. Kwon, J.S. Son, K.S. Kim, J.P. Moon, S. Park, J. Jeon, G. Kim, S.H. Choi, K.H. Ko, S. Jeong, D.H. Lee // Digestive Endoscopy. – 2021. – Vol. 33, no. 7. – P. 1158–1169.
Prabhu, S. Modeling of degradation and drug release from a biodegradable stent coating / S. Prabhu, S. Hossainy // J Bio-med Mater Res A. – 2007. – Vol. 80, no. 3. – P. 732–41.
Additive manufacturing of vascular stents / Y. Li, Y. Shi, Y. Lu, X. Li, J. Zhou, A.A. Zadpoor, L. Wang // Acta Bio-materialia. – 2023. – Vol. 167. – P. 16–37.
The effects of the mechanical properties of vascular grafts and an anisotropic hyperelastic aortic model on local hemodynam-ics during modified blalock–taussig shunt operation, assessed using FSI simulation / A.G. Kuchumov, A. Khairulin, M. Shmurak, A. Porodikov, A. Merzlyakov // Materials. – 2022. – Vol. 15, no. 8. – P. 2719.
Welch, T.R. Biodegradable stents for congenital heart disease / T.R. Welch, A.W. Nugent, S.R. Veeram Reddy // Interventional Cardiology Clinics. – 2019. – Vol. 8, no. 1. – P. 81–94.
Bioresorbable stent to manage congenital heart defects in chil-dren / J. Wright, A. Nguyen, N. D'Souza, J.M. Forbess, A. Nugent, S.R.V. Reddy, R. Jaquiss, T.R. Welch // Materialia (Oxf). – 2021. – Vol. 16. – P. 101078.
Jia, H. 3D printed self-expandable vascular stents from biode-gradable shape memory polymer / H. Jia, S.Y. Gu, K. Chang // Advances in Polymer Technology. – 2018. – Vol. 37, no. 8.
Heparin coating on 3D printed poly (l-lactic acid) biodegrada-ble cardiovascular stent via mild surface modification ap-proach for coronary artery implantation / S.J. Lee, H.J. Ha, S.L. Kyung, L. Dohyung, S. Lee, S.J. Lee, D.K. Wan, H.J. Myung, Y.L. Joong, K.K. Il, J. Youngmee, K.P. Jun, A.P. Su // Chemical Engineering Journal. – 2019. – Vol. 378. – P. 122116.
Radial compressive property and the proof-of-concept study for realizing self-expansion of 3D printing polylactic acid vas-cular stents with negative poisson’s ratio structure / Z. Wu, J. Zhao, W. Wu, P. Wang, B. Wang, G. Li, S. Zhang // Mate-rials. – 2018. – Vol. 11, no. 8. – P. 1357.
Experimental study of polymeric stent fabrication using homemade 3D printing system / D. Zhao, R. Zhou, J. Sun, H. Li, Y. Jin // Polym Eng Sci. – 2019. – Vol. 59, no. 6.
4D printing of shape memory polylactic acid (PLA) / M. Mehrpouya, H. Vahabi, S. Janbaz, A. Darafsheh, T.R. Mazur, S. Ramakrishna // Polymer. – 2021. – Vol. 230. – P. 124080.
3D-printed PCL/PLA composite stents: Towards a new solu-tion to cardiovascular problems / A.J. Guerra, P. Cano, M. Rabionet, T. Puig, J. Ciurana // Materials. – 2018. – Vol. 11, no. 9. –P. 1679.
3D printing advances in the development of stents / R. Khalaj, A.G. Tabriz, M.I. Okereke, D. Douroumis // Int J Pharm. – 2021. – Vol. 609, no. 20. – P. 121153.
Research progress of absorbable stents / Y. Song, B. Li, H. Chen, Z. Yu // International Journal of Medical Sciences. – 2024. – Vol. 21, no. 2. – P. 404–412.
Sousa, A.M. 3D printing of polymeric bioresorbable stents: a strategy to improve both cellular compatibility and mechani-cal properties / A.M. Sousa, A.M. Amaro, A.P. Piedade // Pol-ymers. – 2022. – Vol. 14, no. 6. – P. 1099.
Bergström, J.S. An overview of mechanical properties and material modeling of polylactide (PLA) for medical applica-tions / J.S. Bergström, D. Hayman // Ann Biomed Eng. – 2016. – Vol. 44, no. 2. – P. 330–40.
DeStefano, V. Applications of PLA in modern medicine / V. DeStefano, S. Khan, A. Tabada // Engineered Regenera-tion. – 2020. – Vol. 1. – P. 76–87.
Finite element analysis of the mechanical performance of a two-layer polymer composite stent structure / Ž. Donik, B. Necemer, S. Glodež, J. Kramberger // Eng Fail Anal. – 2022. – Vol. 137, no. 4. – P. 106267.
Khairulin, A. In silico model of stent performance in multi-layered artery using 2-way fluid-structure interac-tion: Influ-ence of boundary conditions and vessel length / A. Khairulin, A.G. Kuchumov, V.V. Silberschmidt // Computer Methods and Programs in Biomedicine. – 2024. – Vol. 255. – P. 108327
An experimental investigation of the mechanical performance of PLLA wire-braided stents / A. Lucchetti, C. Emonts, A. Idrissi, T. Gries, T.J. Vaughan // J Mech Behav Biomed Mater. – 2023. – Vol. 138. – P. 105568.
Revolutionary auxetic intravascular medical stents for angio-plasty applications / M.S. Ebrahimi, M. Noruzi, R. Hamzehei, E. Etemadi, R. Hashemi // Mater Des. – 2023. – Vol. 235, no. 2. – P. 112393.
Numerical analysis for non-uniformity of balloon-expandable stent deployment driven by dogboning and foreshortening / G.B. Rahinj, H.S. Chauhan, M. Sirivella, M.V. Satynarayana, R. Lakshminarayanan // Cardiovasc Eng Technol. – 2022. – Vol. 13, no. 2.
Schiavone, A. Effects of material, coating, design and plaque composition on stent deployment inside a stenotic artery - Fi-nite element simulation / A. Schiavone, L.G. Zhao, A.A. Abdel-Wahab // Materials Science and Engineering C Mater Biol Appl. – 2014. – Vol. 42. – P. 479–88.

Еще

Статья научная