Математическое моделирование ключевых этапов установки полимерных биодеградируемых коронарных стентов
Автор: Рововой Э.Ю., Антонова О.В.
Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech
Статья в выпуске: 1 (103) т.28, 2024 года.
Бесплатный доступ
Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) являются одной из главных мировых проблем в области медицины и занимают первое место в списке причин летальных исходов, при этом более половины случаев приходится на заболевания, связанные с ишемической болезнью сердца (ИБС). Одним из наиболее эффективных способов лечения является коронарное стентирование. Основная цель данного исследования - описать поведение коронарных стентов из биодеградируемых полимерных материалов при помощи методов математического моделирования и продемонстрировать преимущества использования полимерных материалов вместо классических металлических сплавов. В ходе работы были проанализированы основные этапы коронарного стентирования, необходимые для общего понимания процесса: получены деформации, возникающие при предварительном сжатии коронарного стента, рассмотрена форма раскрытия баллона и получено напряженно-деформированное состояние сосуда и атеросклеротической бляшки при раскрытии коронарного стента. В качестве материала был выбран PLLA (полимолочная кислота или поли- L -лактид), позволяющий создать конструкцию стента, которая обеспечит необходимый просвет сосуда в течение всей реабилитации. При этом по мере разложения полимолочной кислоты вазомоторная функция будет восстанавливаться, тем самым образовывая «золотое сечение». Полученные результаты показали возможность использования подходов, приведенных в данном исследовании для рассмотрения поведения полимерных материалов при коронарном стентировании. Можно сделать вывод о перспективах дальнейшего применения полимерных биодеградируемых коронарных стентов в медицинской практике для повышения качества инвазивной операции коронарного стентирования.
Сердечно-сосудистые заболевания, коронарное стентирование, биодеградируемый стент, plla, баллон для ангиопластики, предварительное сжатие, раскрытие стента
Короткий адрес: https://sciup.org/146282934
IDR: 146282934 | УДК: 531/534: | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.1.02
Computational modelling of the key stages of placing bioresorbable polymeric coronary stent
Cardiovascular diseases are one of the main problems in the world in medicine. It ranks first in the list of causes of fatal accidents, in addition, more than a half of cases are a result of ischemic heart diseases. One of the most effective method of treatment is coronary stenting. The main purpose of the study is to outline bioresorbable polymeric coronary stent’s behaviour using computational modelling and to demonstrate benefits of application of polymer materials instead of standard metallic alloys. During the research the main stages of coronary stenting that are necessary for general understanding of process were analyzed: the strain after crimping, the shape of angioplasty balloon after deployment and the stress-strain state of vessel and atherosclerotic plaque after coronary stent deployment. PLLA (poly-L-lactic acid) was taken as a material for the research. It allows to create stent construction that will provide the required lumen of the vessel during rehabilitation. Moreover, with the progress of poly-L-lactic acid vasomotor function will restore thereby forming «golden section». The results showed the possibility of use of approaches that were given in this paper for examination of polymer material’s behaviour with coronary stenting. It can be concluded that polymer bioresorbable coronary stents in medicine are promising for further application for improvement of quality of invasive coronary operation.
Список литературы Математическое моделирование ключевых этапов установки полимерных биодеградируемых коронарных стентов
- Ардатов К.В., Нуштаев Д.В. Оценка деформационных характеристик коронарных стентов матричного и непрерывного синусоидального типов при свободном расширении методом компьютерного моделирования // Современные технологии в медицине. - 2018. - Т. 10, № 2. - С. 31-36.
- Буланов А.В., Блудова О.А. Использование ауксетиков для проектирования стентов коронарных сосудов // Политехнический молодежный журнал. - 2017. - № 10. -C. 1-11.
- Григер Д., Куропка П., Дудзинский В. Микроскопический и гистологический анализ молекулярной реакции коронарного сосуда после имплантации стента // Российский журнал биомеханики. - 2008. - Т. 12, № 3. -С. 52-57.
- Дановская Е.В., Яблучанский Н.И., Ремнева Н.А. Морфометрические показатели толщины интимы-медии и диаметра сонных артерий у умерших, страдавших артериальной гипертензией. - Харьков: Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, 2007.
- Ефремова О.А. Атеросклероз. Современные представления и принципы лечения. Рекомендации ВНОК // Научные ведомости. - 2009. - Т. 12, № 67. -С. 84-96.
- Жеребцов Т.О., Мутылина И.Н. Конструктивные особенности для коронарного стентирования // Вологдинские чтения. - 2010. - С. 71-73.
- Зарецкий А.П., Богомолов А.В. Биомеханическое моделирование персонифицированного коронарного стента // Труды МФТИ. - 2015. - Т. 7, № 3. - С. 82-90.
- Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. -Москва: Изд. «Мир». 1975. - 543 с.
- Компания Abbott. [Электронный ресурс]. - URL: https://www.abbott.com (дата обращения: 05.03.2024)
- Казымов К.А., Кучумов А.Г. Обзор макроскопических моделей, описывающих поведение материалов с памятью формы // Master's Journal. - 2018. - № 1. - С. 194-216.
- Кузнецова И.Э., Церетели Н.В., Сухоруков О.Е., Асадов Д.А. Чрескожные коронарные вмешательства с использованием лекарственных стентов: прошлое, настоящее и будущее (обзор данных литературы) // Международный журнал интервенционной кардиоангиологии. - 2013. - № 32. - С. 45-50.
- Кучумов А.Г., Гилёв В.Г., Попов В.А., Самарцев В.А., Гаврилов В.А. Экспериментальное исследование реологии патологической желчи // Российский журнал биомеханики. - 2011. - Т. 15, № 3. - С. 52-60.
- Кучумов А.Г., Лохов В.А., Словиков С.В., Вильдеман В.Э., Штраубе Г.И., Суторихин Д.А. Экспериментальное исследование сплавов с памятью формы, применяющихся в медицине // Российский журнал биомеханики. - 2009. -Т. 13, № 3. - С. 7-19.
- Кучумов А.Г., Няшин Ю.И., Самарцев В.А., Туктамышев В.С., Лохов В.А., Шестаков А.П. Математическое моделирование методики установки стента из материала с памятью формы при проведении эндобилиарных вмешательств // Российский журнал биомеханики. - 2017. - Т. 21, № 4. - С. 462-473.
- Лапотников В.А., Петров В.Н. Ишемическая болезнь сердца. Стенокардия // Медицинская сестра. - 2013. -№ 6. - С. 22-31.
- Медицинская энциклопедия: [Электронный ресурс]. -URL: https://resursor.ru/content/stroenie-stenki-arterii-myshechnogo-tipa (дата обращения: 06.03.2024)
- Нуштаев Д.В., Волков-Богородский Д.Б., Ардатов К.В. К вопросу построения упакованной конфигурации оболочки баллона системы доставки коронарных стентов // Российский журнал биомеханики. - 2020. - Т. 24, № 2. - С. 167-176.
- Папиров И.И., Шкуропатенко В.А., Шокуров В.С., Пикалов А.И. Материалы медицинских стентов: обзор. -Харьков: ННЦ ХФТИ, 2010. - 40 с.
- Пат. 2463965 Российская Федерация, МПК А61В 17/00. Способ выбора артериального доступа для выполнения рентгенэндоваскулярных вмешательств на коронарных артериях / Российский Кардиологический Научно-Производственный Комплекс. - № 2011131698/14; заявл. 28.07.2011; опубл. 20.10.2012, Бюл. № 29. - 18 с.
- Тагильцев И.И., Шутов А.В. Моделирование нелинейного деформирования композитных конструкций с приложением к кровеносным сосудам. - Новосибирск: Новосибирский национальный исследовательский государственный институт, 2022.
- Шигаев М.В. Особенности конструкции и технологии изготовления систем доставки стентов // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». - 2010. - № 2 - С. 197-199.
- Юсупалиева Д.Б. Стенты с биодеградируемым покрытием: преимущества и недостатки. - Ташкент: Ташкентский педиатрический медицинский институт. -2010.
- Ahadi F., Azadi M., Biglari M., Bodaghi M., Khaleghian A. Evaluation of coronary stents: a review of types, materials, processing techniques, design and problems // Heliyon. -2023. - Vol. 9.
- Bukala J., Buszman P.P., Malachowski J., Mazurkiewicz L., Sybilski K. Experimental tests, FEM constitutive modelling and validation of PLGA bioresorbable polymer for stent applications // Materials. - 2020. - Vol. 13, no. 2003. -P. 1-19.
- Debusschere N., Segers P., Dubruel P., Verhegghe B., De Beule M. A finite element strategy to investigate the free expansion behaviour of a biodegradable polymeric stent // Journal of Biomechanics. - 2015. - Vol. 48. - P. 2012-2018.
- Eawwiboonthanakit N., Jaafar M., Hamid Z.A., Mitsugu T., Lila B. Tensile properties of poly(L-lactic) acid (PLLA) blends // Advanced Materials Research. - 2014. - Vol. 1024. - P. 179-183.
- Fang Y., You X., Sha W., Xiao H. Bronchoscopic balloon dilatation for tuberculosis-associated tracheal stenosis: a two case report and a literature review // Journal of Cardio thoracic Surgery. - 2016. - Vol. 11, no. 21. - P. 1-7.
- Farah S., Anderson D.G., Langer R. Physical and mechanical properties of PLA and their functions in widespread applications - A comprehensive review // Advanced Drug Delivery Reviews. - 2016. - Vol. 107. - P. 367-392.
- Fogarotto F. Finite element analysis of coronary artery stenting. Ph.D. thesis. Pavia: University of Pavia. 2011. 92 p.
- Gallinoro E., Almendarez M., Alvarez-Velasco R., Barbato E., Avanzas P. Bioresorbable stents: is the game over? // International Journal of Cardiology. - 2022. - Vol. 361. -P. 20-28.
- Geith M.A., Swidergal K., Hochholdinger B., Schratzenstaller T.G., Wagner M., Holzapfel G.A. On the importance of modelling balloon folding, pleating and stent crimping: An FE study comparing experimental inflation tests // Int. J. Numer. Biomed. Eng. - 2019. - Vol. 35. - P. 1-19.
- Guerra A.J., San J., Ciurana J. Fabrication of PCL/PLA composite tube for stent manufacturing // Procedia CIRP. -2017. - Vol. 65. - P. 231-235.
- Hua R., Tian Y., Cheng J., Wu G., Jiang W., Ni Z., Zhao G. The effect of intrinsic characteristics on mechanical properties of poly(l-lactic acid) bioresorbable vascular stents // Medical Engineering and Physics. - 2020. - Vol. 81. - P. 118-124.
- Im S.H., Im D.H., Park S.J., Jung Y., Kim D.-H., Kim S.H. Current status and future direction of metallic and polymeric materials for advanced vascular stents // Progress in Material Science. - 2022. - Vol. 126. - P. 1-65.
- Keevy P.A. Finite element tool for modelling stent deployment to aid stent design. - University of Cape Town, 2004.
- Kuchumov A.G., Nyashin Y.I., Samartsev V.A. Modelling of peristaltic bile flow in the papilla ampoule with stone and in the papillary stenosis case: application to reflux investigation // IFMBE Proceedings: 7th, Kent Ridge. - 2015. -P. 158-161. - DOI: 10.1007/978-3-319-19452-3_42
- Kuchumov A., Selyaninov A., Kamaltdinov M., Samartsev V. Numerical simulation of biliary stent clogging // Series on Biomechanics. - 2019. - Vol. 33, no. 1. - P. 3-15.
- Kumar A., Ahuja R., Bhati P., Vashisth P., Bhatnagar N. Design methodology of a balloon expandable polymeric stent // Journal of Biomedical Engineering and Medical Devices. -2019. - Vol. 4, no. 139. - P. 1-17.
- Naseem R., Zhao L., Liu Y., Silberschmidt V.V. Experimental and computational studies of poly-L-lactic acid for cardiovascular applications: recent progress // Mechanics of Advanced Materials and Modern Processes. - 2017. - Vol. 3, no. 13. - P. 1-18.
- National Heart, Lung and Blood Institute: [Электронный ресурс]. URL: http://www.nhlbi.nih.gov/health/dci/Diseases/Hbc/HBC_Wh atIs.html (Дата обращения: 18.01.2022).
- Pan C., Han Y., Lu J. Structural design of vascular stents: a review // Micromachines. - 2021. - Vol. 12, no. 770. -P. 1-26.
- Pauck R.G., Reddy B.D. Computational analysis of the radial mechanical performance of PLLA coronary artery stents // Medical Engineering & Physics. - 2015. - Vol. 37. - P. 7-12.
- Qiu T.Y., Song M., Zhao L.G. A computational study of crimping and expansion of bioresorbable polymeric stents // Mech Time-Depend Mater. - 2018. - Vol. 22. - P. 273-290.
- Regar E., Sianos G., Serruys P.W. Stent development and local drug delivery // British Medical Bulletin. - 2001. -Vol. 59. - P. 227-248.
- Schiavone A., Qiu T.-Y., Zhao L.-G. Crimping and deployment of metallic and polymeric stents - finite element modelling // Vessel Plus. - 2017. - Vol. 1. - P. 12-21.
- Schiavone A., Zhao L.G. A study of balloon type, system constraint and artery constitutive model used in finite element simulation of stent deployment // Mechanics of Advanced Materials and Modern Processes. - 2015. - Vol. 1, no. 1. -P. 1-15.
- Schiavone A., Zhao L.G. Modelling of stent deployment and deformation in diseased arteries by considering vessel anisotropy // Proceedings of XLIII Summer School Conference APM. - 2015. - P. 384-392.
- Shen Y., Yu X., Cui J., Yu F., Liu M., Chen Y., Wu J., Sun B., Mo X. Development of biodegradable polymeric stents for the treatment of cardiovascular diseases // Biomolecules. -2022. - Vol. 12, no. 1245. - P. 1-20.
- Shine C.J., McHugh P.E., Ronan W. Impact of degradation and material crystallinity on the mechanical performance of a bioresorbable polymeric stent // Journal of Elasticity. - 2021. - Vol. 145. - P. 243-264.
- Sousa A.M., Amaro A.M., Piedade A.P. 3D printing of polymeric bioresorbable stents: a strategy to improve both cellular compatibility and mechanical properties // Polymers. - 2022. - Vol. 14, no. 1099. - P. 1-22.
- Strohbach A., Busch R. Polymers for cardiovascular stent coatings // International Journal of Polymer Science. - Vol. 2015. - P. 1-11.
- Tambaca J., Kosor M., Canic S., Paniagua D. Mathemathical modelling of vascular stents // Society for Industrial and Applied Mathematics. - 2010. - Vol. 70, no. 6. - P. 19221952.
- Umer M., Ali M.N., Mubashar A., Mir M. Computational modelling of balloon-expandable stent deployment in coronary artery using the finite element method // Research Reports in Clinical Cardiology. - 2019. - Vol. 10. - P. 43-56.
- Vaizasatya A. A methodology for coronary stent product development: design, simulation and optimization // North Carolina Agricultural and Technical State University. - 2013
- Wang C., Zhang L., Fang Y., Sun W. Design, characterization and 3D printing of cardiovascular stents with zero poisson's ratio in longitudinal deformation // Engineering. - 2021. -No. 7. - P. 979-990.
- Wang Q., Fang G., Zhao Y., Wang G., Cai T. Computational and experimental investigation into mechanical performances of poly-L-lactide acid (PLLA) coronary stents // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. - 2017. -Vol. 65. - P. 415-427.
- Wiesent L., Schultheiß U., Schmid C., Schratzentaller T., Nonn A. Experimentally validated simulation of coronary stents considering different dogboning ratios and asymmetric stent positioning // PLoS ONE. - 2019. - Vol.14, no. 10. -P. 1-25.
- Zhao G., Liu M., Deng D., Tian Y., Cheng J., Wu G., Zhang Y., Ni Z. Effects of constraint between filaments on the radial compression properties of poly (L-lactic acid) self-expandable braided stents // Polymer Testing. - 2021. - Vol. 93. - P. 1-8.