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 | DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2024.1.02
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.