3D Printing of bioresorbable polymeric cardiovascular stents

Abstract

Les malalties cardiovasculars són un dels principals problemes de salut a tot el món. Per això, la utilització d'stents com una de les solucions mèdiques per tractar l’oclusió de l’arteria, aterosclerosis, deguda a depòsit de greixos i colesterol, ha anat creixent fins a convertir-se en un focus d'investigació científica important. Els stents coronaris s'encarreguen de restablir el flux sanguini a l'artèria i proporcionar un suport mecànic estable per evitar-ne la reclusió. La nova generació de stents bioresorbibles permet curar l'artèria, evitant problemes com ara la trombosis tardana deguda als stents permanents. Tot i que aquests dispositius són molt prometedors encara cal més investigació en aquestsector ja que el control de les propietats mecàniques, velocitat de degradació i biocompatibilitat són crucials per al seu èxit. Amb aquest propòsit, es van desenvolupar stents polimèrics degradables mitjançant la tecnologia d’impressió 3D. En concret, es van fabricar tres dissenys d’stents diferents i es van imprimir amb tintes obtingudes a partir de dos polímers bioabsorbibles diferents (Poly-L-Lactic Acid (PLLA) i Poly(lactic-coε-caprolactone) (PLCL)) i dues puntes d’impressió diferents (250 i 200 µm). Es va usar la tècnica d’impressió a partir d’una tinta amb dissolvent (Solvent Casting Direct Write, SC-DW) amb una impressora modificada per fabricar estructures tubulars i com a resultat es van obtenir un total de 12 models d’stents. Els stents impresos es van avaluar mitjançant assaig de compressió, expansió i crimping per determinar-ne les propietats mecàniques. A més, es van fabricar pel·lícules de PLLA i PLCL i es van sotmetre a un assaig de tracció per determinar les propietats mecàniques dels materials utilitzats. Les proves van mostrar la importància del disseny en les propietats mecàniques dels stents. La prova de compressió, els stents amb més angle de mallat i menor nombre de pics van mostrar millors valors de resistència radial. Mentre que, en les proves d'expansió i crimping, els stents amb més pics i un menor angle de mallat van mostrar el millor comportament i els millors valors de foreshortening i retrocés elàstic. En general, els stents amb menors espessors de filaments obtinguts amb la boquilla de 200 µm van mostrar més flexibilitat. Finalment, es va dur a terme un anàlisis basat en la teoria d'elements finits amb els valors de les propietats mecàniques dels materials aconseguits mitjançant l'assaig de tracció. Els resultats van mostrar que les zones on s'acumulen les tensions i deformacions més grans són a les unions dels filaments.

Las enfermedades cardiovasculares son uno de los principales problemas de salud en todo el mundo. Por ello, la utilización de stents como una de las soluciones médicas para tratar la oclusión de la arteria, aterosclerosis, debida al depósito de grasas y colesterol, ha ido creciendo hasta convertirse en un importante foco de investigación científica. Los stents coronarios se encargan de restablecer el flujo sanguíneo en la arteria y proporcionar un soporte mecánico estable para evitar su reoclusión. La nueva generación de stents bioabsorbibles permite curar la arteria, evitando problemas como la trombosis tardía debida a los stents permanentes. Aunque estos dispositivos son muy prometedores, todavía hace falta más investigación en este sector ya que el control de las propiedades mecánicas, velocidad de degradación y biocompatibilidad son cruciales para su éxito. Con este propósito, se desarrollaron stents poliméricos degradables mediante la tecnología 3D. En concreto, se fabricaron tres diseños de stents diferentes y se imprimieron con tintas obtenidas a partir de dos polímeros bioabsorbibles diferentes (Poly-L-Lactic Acid (PLLA) y Poly(lactic-co-ε-caprolactone) (PLCL)) y dos boquillas de impresión diferentes (250 y 200 µm). Se usó la técnica de impresión a partir de la tinta con disolvente (Solvent Casting Direct Write, SC-DW) con una impresora modificada para fabricar estructuras tubulares y como resultado se obtuvieron 12 modelos de stents. Los stents impresos se evaluaron mediante ensayos de compresión, expansión y crimping para determinar las propiedades mecánicas. Además, se fabricaron películas de PLLA y PLCL y se sometieron a un ensayo de tracción para determinar las propiedades mecánicas de los materiales utilizados. Las pruebas mostraron la importancia del diseño en las propiedades mecánicas de los stents. En la prueba de compresión, las endoprótesis con mayor ángulo de trenzado y menor número de picos mostraron mayores valores de resistencia radial. Mientras que, en las pruebas de expansión y crimping, la endoprótesis con mayor número de picos y menor ángulo de trenzado mostró el mejor comportamiento y los mejores valores de foreshortening y retroceso elástico. En general, las endoprótesis con menor grosor de trenza obtenidas con la boquilla de 200 µm mostraron una mayor flexibilidad. Finalmente, se realizó un análisis basado en la teoría de elementos finitos con los valores de las propiedades mecánicas de los materiales obtenidos mediante el ensayo de tracción. Los resultados mostraron que las zonas donde se acumulan las mayores tensiones y deformaciones son en las uniones de los filamentos.

Cardiovascular diseases are one of the major health problems worldwide. Therefore, the use of stents as one of the medical solutions to treat artery occlusion, atherosclerosis, due to fat and cholesterol deposition, has been growing to become a major focus of scientific research. Coronary stents are responsible for restoring blood flow in the artery and providing stable mechanical support to prevent reocclusion. The new generation of bioabsorbable stents (BRS) makes it possible to heal the artery, avoiding problems such as late thrombosis due to permanent stents. Although these devices are very promising, more research is still needed in this area as the control of mechanical properties, degradation rate and biocompatibility are crucial for the success. For this purpose, degradable polymeric stents were developed using 3D technology. Specifically, three different stent designs were fabricated and printed with inks obtained from two different bioabsorbable polymers (Poly-L-Lactic Acid (PLLA) and Poly(lactic-co-ε-caprolactone) (PLCL)) and two different printing nozzles (250 and 200 µm). The Solvent Casting Direct Write (SC-DW) printing technique was used with a modified printer to fabricate tubular structures and resulted in 12 stent models. The printed stents were evaluated by compression, expansion and crimping tests to determine the mechanical properties. In addition, PLLA and PLCL films were fabricated and subjected to a tensile test to determine the mechanical properties of the materials used. Tests showed the importance of design on the mechanical properties of the stents. In compression test, the stents with higher braiding angle and lower number of peaks showed higher radial strength values. While in the expansion and crimping tests the stent with higher number of peaks and lower braiding angle showed the best behavior and better foreshortening and elastic recoil values. In general, stents with lower strut thickness obtained with the 200 µm nozzle showed greater flexibility. In addition, an analysis based on the finite element theory with the values of the mechanical properties of the materials by tensile testing was carried out. The results showed that areas where the highest stresses and strains are accumulated are the intersections of the struts.