misssМинимально инвазивная сердечно-сосудистая хирургияMinimally Invasive Cardiovascular Surgery3033-54263033-5434ФГБУ «НМИЦ хирургии им. А.В. Вишневского» Минздрава России10.64218/3033-5426-2025-1-4-27-32misss-136Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИORIGINAL ARTICLESЧисленно-экспериментальное исследование концепта стент-графта коронарной артерии (reprint)Numerical and experimental study of a coronary artery stent-graft concept (reprint)https://orcid.org/0000-0003-3211-1250КлышниковК. Ю.KlyshnikovK. Yu.

Клышников Кирилл Юрьевич – к.м.н., научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов 

650002, г. Кемерово, ул. Сосновый бульвар, 6 

Kirill Yu. Klyshnikov – PhD, Researcher, Laboratory of Novel Biomaterials 

6, Sosnovy Blvd., Kemerovo, 650002 

klyshku@kemcardio.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7477-3979ОвчаренкоЕ. А.OvcharenkoE. A.

Овчаренко Евгений Андреевич – к.т.н., заведующий лабораторией новых биоматериалов 

650002, г. Кемерово, ул. Сосновый бульвар, 6 

Evgeny A. Ovcharenko – PhD, Head of the Laboratory of Novel Biomaterials 

6, Sosnovy Blvd., Kemerovo, 650002 

https://orcid.org/0000-0002-4405-8904РезвоваМ. А.RezvovaM. A.

Резвова Мария Александровна – младший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов 

650002, г. Кемерово, ул. Сосновый бульвар, 6 

Maria A. Rezvova – Junior Researcher, Laboratory of Novel Biomaterials 

6, Sosnovy Blvd., Kemerovo, 650002 

https://orcid.org/0000-0003-4890-0393ГлушковаТ. В.GlushkovaT. V.

Глушкова Татьяна Владимировна – к.б.н, старший научный сотрудник лаборатории новых биоматериалов 

650002, г. Кемерово, ул. Сосновый бульвар, 6 

Tatyana V. Glushkova – PhD, Senior Researcher, Laboratory of Novel Biomaterials 

6, Sosnovy Blvd., Kemerovo, 650002 

https://orcid.org/0000-0001-6981-9661БарбарашЛ. С.BarbarashL. S.

Барбараш Леонид Семенович – д.м.н., профессор, академик РАН, главный научный сотрудник 

650002, г. Кемерово, ул. Сосновый бульвар, 6 

Leonid S. Barbarash – MD, PhD, Professor, Academician of the Russian Academy of Sciences, Chief Researcher 

6, Sosnovy Blvd., Kemerovo, 650002 

ФГБУ «Научно-­исследовательский институт комплексных проблем сердечно-­сосудистых заболеваний»РоссияFSBRI “Research Institute for Complex Issues of Cardiovascular Diseases”Russian Federation202621042026213039Copyright © Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Резвова М.А., Глушкова Т.В., Барбараш Л.С., 20262026Клышников К.Ю., Овчаренко Е.А., Резвова М.А., Глушкова Т.В., Барбараш Л.С.Klyshnikov K.Y., Ovcharenko E.A., Rezvova M.A., Glushkova T.V., Barbarash L.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://misss.elpub.ru/jour/article/view/136Актуальность

Актуальность: перфорации коронарных артерий, возникающие в результате малоинвазивных диагностических и лечебных процедур, требуют немедленного устранения, вследствие высокого риска летального исхода, сопровождающего данное осложнение. Одним из вариантов закрытия перфораций является имплантация коронарного стент-графта – устройства, герметизирующего поврежденную сосудистую стенку за счет наличия внешней мембраны.

Цель

Цель: настоящее исследование посвящено численно-экспериментальной оценке некоторых перспективных экспериментальных полимерных материалов, которые могут быть использованы в качестве такой мембраны при разработке отечественного стентграфта для коронарных артерий.

Материалы и методы

Материалы и методы: исследование проведено в два последовательных этапа: оценка физико-механических характеристик потенциальных полимеров-кандидатов (политетрафторэтилен, стирол-и зобутилен-стирол, поливиниловый спирт) и численное моделирование биомеханики коронарного стент-графта при придании ему рабочего диаметра. Первый этап – исследование свойств полимеров, проводили на универсальной испытательной машине «Zwick/Roell»-2.5Н (Zwick/Roell, Германия) в условиях одноосного теста растяжения. Численное моделирование проводили методом конечных элементов в среде Abaqus/CAE (Dassault Systemes, Франция), придавая модели стент-графта приращение диаметра в 50% относительно исходного.

Результаты

Результаты: в ходе первого этапа исследования показано, что наибольшую деформацию при растяжении способен испытывать сополимер стирол-изобутилен-стирол, достигший удлинения разрыва в 744,9 [737,0-837,8]% относительно исходного размера. Другие полимеры продемонстрировали значительно меньшие, но также удовлетворительные, амплитуды данного показателя: образцы из политетрафторэтилена разрушились при растяжении до 274,4 [270,9-280,4]%; из поливинилового спирта – при 384,9 [313,4 390,6]%. Численное моделирование для всех материалов продемонстрировало умеренные амплитуды напряжения по Мизесу, не превышающее предела прочности. Максимум, достигнутый материалами, составил 7,50 МПа для политетрафторэтилена, 2,80 МПа – для сополимера стирол-изобутилен-стирол, 0,08 МПа – для поливинилового спирта.

Заключение

Заключение: в целом, все исследованные материалы показали удовлетворительные результаты с позиции применимости в качестве мембраны для стент-графта, однако перспективным среди них оказался сополимер стирол-изобутилен-стирол. Именно на использование данного материала и следует в первую очередь фокусировать акцент при дальнейшем прототипировании данного изделия.

Background

Background: сoronary artery perforations following minimally invasive diagnostic and therapeutic procedures require urgent treatment due to the high risk of death. The implantation of a coronary stent graft is the strategy of choice to treat free perforations. One of the options for perforation closure is the implantation of a coronary stent‑graft — a device that seals the damaged vascular wall by means of an external membrane.

Aim

Aim: to perform numerical and experimental evaluation of several promising experimental polymer materials that could be used as such a membrane in the development of a domestic stent‑graft for coronary arteries.

Materials and methods

Materials and methods: the study was conducted in two consecutive stages: assessment of the physical and mechanical characteristics of candidate polymers (polytetrafluoroethylene, styrene‑isobutylene‑styrene copolymer, polyvinyl alcohol) and numerical simulation of the coronary stent‑graft biomechanics during its expansion to the working diameter. The first stage — investigation of polymer properties — was performed on a Zwick/Roell‑2.5H universal testing machine (Zwick/Roell, Germany) under uniaxial tensile testing conditions. Numerical simulation was carried out using the finite element method in Abaqus/CAE software (Dassault Systemes, France), with the stent‑graft model diameter increased by 50% relative to the initial one.

Results

Results: during the first stage, it was shown that the styrene‑isobutylene‑styrene copolymer experienced the greatest tensile strain, reaching an elongation at break of 744.9 [737.0–837.8]% relative to the initial size. The other polymers demonstrated significantly lower, though still satisfactory, values of this parameter: polytetrafluoroethylene samples failed at an elongation of 274.4 [270.9–280.4]%; polyvinyl alcohol — at 384.9 [313.4–390.6]%. Numerical simulation for all materials revealed moderate von Mises stress amplitudes not exceeding the tensile strength. The maximum stress values were 7.50 MPa for polytetrafluoroethylene, 2.80 MPa for styrene‑isobutylene‑styrene copolymer, and 0.08 MPa for polyvinyl alcohol.

Conclusion

Conclusion: overall, all investigated materials showed satisfactory results in terms of their suitability as a membrane for a stent‑graft; however, the styrene‑isobutylene‑styrene copolymer appeared to be the most promising. Further prototyping of the device should primarily focus on the use of this material.

перфорация коронарной артериичрескожное вмешательствокоронарографияметод конечных элементовдеформациянапряжение по Мизесуcoronary artery perforationpercutaneous coronary interventioncoronary angiographyfinite element analysisstrainvon Mises stressДанная работа выполнена в рамках фундаментальной темы No0419­2022­0001 «Молекулярные, клеточные и биомеханические механизмы патогенеза сердечно­сосудистых заболеваний в разработке новых методов лечения заболеваний сердечно­сосудистой системы на основе персонифицированной фармакотерапии, внедрения малоинвазивных медицинских изделий, биоматериалов и тканеинженерных имплантатов» (научный руководитель – академик РАН Л.С. Барбараш).This work was carried out within the framework of the fundamental topic No. 0419­2022­0001 "Molecular, Cellular, and Biomechanical Mechanisms of Cardiovascular Disease Pathogenesis in the Development of New Treatment Methods Based on Personalized Pharmacotherapy, the Introduction of Minimally Invasive Medical Devices, Biomaterials, and Tissue­Engineered Implants" (Scientific Supervisor: Academician of the Russian Academy of Sciences L.S. Barbarash.ReferencesShaukat A., Tajti P., Sandoval Y. et al. Incidence, predictors, management and outcomes of coronary perforations. Catheter Cardiovasc Interv. 2019; 93(1):48–56. DOI: 10.1002/ccd.27706Shaukat A., Tajti P., Sandoval Y. et al. Incidence, predictors, management and outcomes of coronary perforations. Catheter Cardiovasc Interv. 2019; 93(1):48–56. DOI: 10.1002/ccd.27706Стаферов А.В., Сорокин А.В., Дундуа Д.П. и др. Перфорация левой коронарной артерии во время реваскуляризации. Российский журнал эндоваскулярной хирургии. 2020;7(1S):262-270.Staferov A.V., Sorokin A.V., Dundua D.P. et al. Perforation of the left main coronaryartery during left coronary artery revascularization. Russian Journal of Endovascular Surgery 2020; 7(1S):262-270 [In Russ].Hirai T., Nicholson W.J., Sapontis J. et al. OPEN-CTO Study Group. A Detailed Analysis of Perforations During Chronic Total Occlusion Angioplasty. JACC Cardiovasc Interv. 2019; 12(19):1902–1912. DOI: 10.1016/j.jcin.2019.05.024Hirai T., Nicholson W.J., Sapontis J. et al. OPEN-CTO Study Group. A Detailed Analysis of Perforations During Chronic Total Occlusion Angioplasty. JACC Cardiovasc Interv. 2019; 12(19):1902–1912. DOI: 10.1016/j.jcin.2019.05.024Parsh J., Seth M., Green J. et al. Coronary artery perforations after contemporary percutaneous coronary interventions: Evaluation of incidence, risk factors, outcomes, and predictors of mortality. Catheter Cardiovasc Interv. 2017;89 (6):966–973. DOI: 10.1002/ccd.26917Parsh J., Seth M., Green J. et al. Coronary artery perforations after contemporary percutaneous coronary interventions: Evaluation of incidence, risk factors, outcomes, and predictors of mortality. Catheter Cardiovasc Interv. 2017; 89(6):966–973. DOI: 10.1002/ccd.26917Fejka M., Dixon S.R., Safian R.D . et al. Diagnosis, management, and clinical outcome of cardiac tamponade complicating percutaneous coronary intervention. Am J Cardiol. 2002; 90(11):1183–1186. DOI: 10.1016/S0002-9149(02)02831-XFejka M., Dixon S.R., Safian R.D . et al. Diagnosis, management, and clinical outcome of cardiac tamponade complicating percutaneous coronary intervention. Am J Cardiol. 2002; 90(11):1183–1186. DOI: 10.1016/S0002-9149(02)02831-XVon Sohsten R., Kopistansky C., Cohen M. et al. Cardiac tamponade in the “new device” era:Evaluation of 6999 consecutive percutaneous coronary interventions. Am Heart J. 2000; 140(2):279–283. DOI: 10.1067/mhj.2000.107996Von Sohsten R., Kopistansky C., Cohen M. et al. Cardiac tamponade in the “new device” era:Evaluation of 6999 consecutive percutaneous coronary interventions. Am Heart J. 2000; 140(2):279–283. DOI: 10.1067/mhj.2000.107996Семёнов В.Ю., Самородская И.В. Динамика числа реваскуляризаций миокарда в России и мире в 2000–2018 годах. Комплексные проблемы сердечно-сосудистых заболеваний. 2021;10(4):68-78. DOI: 10.17802/2306-1278-2021-10-4-68-78Semenov V.Yu., Samorodskaya I.V. Dynamics of the number of myocardial revascularization operations in some countries in comparison with the Russian Federation in 2000–2018. Complex Issues of Cardiovascular Diseases. 2021; 0(4):68-78. DOI: 10.17802/2306-1278-2021-10-4-68-78 [In Russ].Danek B.A., Karatasakis A., Tajti P. et al. Incidence, Treatment, and Outcomes of CoronaryPerforation During Chronic Total Occlusion Percutaneous Coronary Intervention. Am J Cardiol. 2017; 120(8):1285– 1292. DOI: 10.1016/j.amjcard.2017.07.010Danek B.A., Karatasakis A., Tajti P. et al. Incidence, Treatment, and Outcomes of CoronaryPerforation During Chronic Total Occlusion Percutaneous Coronary Intervention. Am J Cardiol. 2017; 120(8):1285– 1292. DOI: 10.1016/j.amjcard.2017.07.010Litvack F., Eigler N., Margolis J. et al. Percutaneous excimer laser coronary angioplasty: Results in the first consecutive 3,000 patients. J Am Coll Cardiol. 1994;23(2):323–329. DOI:10.1016/0735-1097(94)90414-6Litvack F., Eigler N., Margolis J. et al. Percutaneous excimer laser coronary angioplasty: Results in the first consecutive 3,000 patients. J Am Coll Cardiol. 1994; 23(2):323–329. DOI: 10.1016/0735-1097(94)90414-6Al-Mukhaini M., Panduranga P., Sulaiman K. et al. Coronary perforation andcovered stents: An update and review. Hear Views. 2011; 12(2):63–70 DOI: 10.4103/1995-705X.86017Al-Mukhaini M., Panduranga P., Sulaiman K. et al. Coronary perforation andcovered stents: An update and review. Hear Views. 2011; 12(2):63–70 DOI: 10.4103/1995-705X.86017Jacob D., Savage M.P., Fischman D.L. Novel Approaches to Coronary Perforations. JACC Case Reports. 2022; 4(3):142–144. DOI: 10.1016/j.jaccas.2021.12.019Jacob D., Savage M.P., Fischman D.L. Novel Approaches to Coronary Perforations. JACC Case Reports. 2022; 4(3):142–144. DOI: 10.1016/j.jaccas.2021.12.019Ekici B., Erkan A.F., Kütük U. Successful Management of Coronary Artery Rupture with Stent-Graft: A Case Report. Case Rep Med. 2014; 2014:1–4. DOI: 10.1155/2014/391843Ekici B., Erkan A.F., Kütük U. Successful Management of Coronary Artery Rupture with Stent-Graft: A Case Report. Case Rep Med. 2014; 2014:1–4. DOI: 10.1155/2014/391843Chen S., Lotan C., Jaffe R. Pericardial covered stent for coronary perforations. CatheterCardiovasc Interv. 2015; 86(3):400–404. DOI: 10.1002/ccd.26011Chen S., Lotan C., Jaffe R. Pericardial covered stent for coronary perforations. CatheterCardiovasc Interv. 2015; 86(3):400–404. DOI:10.1002/ccd.26011Araki M., Hikita H., Sudo Y . et al. Restenosis of a Polytetrafluoroethylene-Covered Stent Visualized by Coronary Angioscopy and Optical Coherence Tomography: A Case Report. Int J Angiol. 2020; 29(01):058–062. DOI:10.1055/s-0039-1685510Araki M., Hikita H., Sudo Y. et al. Restenosis of a Polytetrafluoroethylene-Covered Stent Visualized by Coronary Angioscopy and Optical Coherence Tomography: A Case Report. Int J Angiol. 2020; 29(01):058–062. DOI: 10.1055/s-0039-1685510Barbero U., Cerrato E., Secco G.G. et al. Papyrus coronary stent system: the ultrathin struts polyurethane-covered stent. Future Cardiol. 2020; 16(5):405–411 DOI: 10.2217/fca-2020-0022Barbero U., Cerrato E., Secco G.G. et al. Papyrus coronary stent system: the ultrathin struts polyurethane-covered stent. Future Cardiol. 2020; 16(5):405–411 DOI: 10.2217/fca-2020-0022Hu K., Li Y., Ke Z. History, progress and future challenges of artificial bloodvessels: a narrative review. Biomater Transl. 2022; 3(1):81– 98. DOI: 10.12336/biomatertransl.2022.01.008Hu K., Li Y., Ke Z. History, progress and future challenges of artificial bloodvessels: a narrative review. Biomater Transl. 2022; 3(1):81-98. DOI: 10.12336/biomatertransl.2022.01.008Alexandre N., Ribeiro J., Gärtner A. et al. Biocompatibility and hemocompatibility ofpolyvinyl alcohol hydrogel used for vascular grafting- In vitro and in vivo studies. J Biomed Mater Res Part A. 2014; 102(12):4262–4675 DOI: 10.1002/jbm.a.35098Alexandre N., Ribeiro J., Gärtner A. et al. Biocompatibility and hemocompatibility ofpolyvinyl alcohol hydrogel used for vascular grafting- In vitro and in vivo studies. J Biomed Mater Res Part A. 2014;102(12):4262–4675 DOI: 10.1002/jbm.a.35098Wang Q., McGoron A.J., Bianco R. et al. In-vivo assessment of a novel polymer (SIBS) trileaflet heart valve. J Heart Valve Dis. 2010; 19(4):499–505.Wang Q., McGoron A.J., Bianco R. et al. In-vivo assessment of a novel polymer (SIBS) trileaflet heart valve. J Heart Valve Dis. 2010;19(4):499–505.Hassan C.M., Peppas N.A. Structure and Morphology of Freeze/Thawed PVA Hydrogels. Macromolecules. 2000; 33(7):2472–2479. DOI: 10.1021/ma9907587Hassan C.M., Peppas N.A. Structure and Morphology of Freeze/Thawed PVA Hydrogels. Macromolecules. 2000; 33(7):2472–2479. DOI: 10.1021/ma9907587Bonsignore C. Open Stent Design: Design and analysis of self expanding cardiovascular stents. , SC Creat Indep Publ Platf. 212AD;94. DOI: 10.6084/M9.FIGSHARE.95614Bonsignore C. Open Stent Design: Design and analysis of self expanding cardiovascular stents. , SC Creat Indep Publ Platf. 212AD;94. DOI: 10.6084/M9.FIGSHARE.95614Lewandowski J.J., Varadarajan R., Smith B. et al. Tension and fatigue behaviorof 316LVM 1×7 multi-strand cables used as implantable electrodes. Mater Sci Eng A. 2008; 486(1–2):447–454. DOI: 10.1016/j.msea.2007.11.016Lewandowski J.J., Varadarajan R., Smith B. et al. Tension and fatigue behaviorof 316LVM 1×7 multi-strand cables used as implantable electrodes. Mater Sci Eng A. 2008; 486(1–2):447–454. DOI: 10.1016/j.msea.2007.11.016Aziz S., Morris J.L., Perry R.A. et al. Stent expansion: a combination of delivery balloonunderexpansion and acute stent recoil reduces predicted stent diameter irrespective of reference vessel size. Heart. 2006; 93(12):1562–1566. DOI: 10.1136/hrt.2006.107052Aziz S., Morris J.L., Perry R.A. et al. Stent expansion: a combination of delivery balloonunderexpansion and acute stent recoil reduces predicted stent diameter irrespective of reference vessel size. Heart. 2006; 93(12):1562–1566. DOI:10.1136/hrt.2006.107052Morrison T.M., Dreher M.L., Nagaraja S. The Role of Computational Modeling andSimulation in the Total Product Life Cycle of Peripheral Vascular Devices. J Med Device. 2017; 11(2):024503. DOI: 10.1115/1.4035866Morrison T.M., Dreher M.L., Nagaraja S. The Role of Computational Modeling andSimulation in the Total Product Life Cycle of Peripheral Vascular Devices. J Med Device. 2017;11(2):024503. DOI: 10.1115/1.4035866Morrison T.M., Pathmanathan P., Adwan M. Advancing Regulatory Science With Computational Modeling for Medical Devices at the FDA’s Office of Science and Engineering Laboratories. Front Med. 2018;5:241. DOI: 10.3389/fmed.2018.00241Morrison T.M., Pathmanathan P., Adwan M. Advancing Regulatory Science With Computational Modeling for Medical Devices at the FDA’s Office of Science and Engineering Laboratories. Front Med. 2018; 5:241. DOI: 10.3389/fmed.2018.00241Ardatov K.V., Nushtaev D. V. Deformation Characteristics of Coronary Stents of the Matrix and Continuous Sinusoidal Types in Free Expansion: Computer Simulation. Современные технологии в медицине. 2018: 10 (2); 31-35. DOI: 10.17691/stm2018.10.2.03Ardatov K.V., Nushtaev D.V. Deformation Characteristics of Coronary Stents of the Matrix and Continuous Sinusoidal Types in Free Expansion: Computer Simulation. Sovrem Tehnol v Med. 2018;10(2):31–36 DOI: 10.17691/stm2018.10.2.03Prendergast P.J., Lally C. Lennon A.B. Finite element modelling of medical devices. Med Eng Phys. 2009;31(4):419. DOI: 10.1016/j.medengphy.2009.03.002Prendergast P.J., Lally C. Lennon A.B. Finite element modelling of medical devices. Med Eng Phys. 2009; 31(4):419. DOI: 10.1016/j.medengphy.2009.03.002Oveissi F., Naficy S., Lee A. et al. Materials and manufacturing perspectives in engineeringheart valves: a review. Mater Today Bio. 2020; 5: 100038. DOI:10.1016/j.mtbio.2019.100038Oveissi F., Naficy S., Lee A. et al. Materials and manufacturing perspectives in engineeringheart valves: a review. Mater Today Bio. 2020; 5: 100038. DOI: 10.1016/j.mtbio.2019.100038Rezvova M.A., Ovcharenko E.A., Nikishev P.A. et al. Prospects for Using Styrene-Isobutylene- Styrene (SIBS) Triblock Copolymer as a Cusp Material for Leaflet Heart Valve Prostheses: Evaluation of Physicochemical and Mechanical Properties. Russ J Appl Chem. 2019;92(1):9–19. DOI: 10.1134/S1070427219010026Rezvova M.A., Ovcharenko E.A., Nikishev P.A. et al. Prospects for Using Styrene-Isobutylene- Styrene (SIBS) Triblock Copolymer as a Cusp Material for Leaflet Heart Valve Prostheses: Evaluation of Physicochemical and Mechanical Properties. Russ J Appl Chem. 2019; 92(1):9–19. DOI: 10.1134/S1070427219010026Fedorchenko A.N., Protopopov A.V., Osiev A.G. et al. Impact of stent implantation pressurein coronary arteries on early and long-term results of percutaneous coronary interventions. International Journal of Interventional Cardioangiology. 2008;14:86–87.Fedorchenko A.N., Protopopov A.V., Osiev A.G. et al. Impact of stent implantation pressurein coronary arteries on early and long-term results of percutaneous coronary interventions. International Journal of Interventional Cardioangiology. 2008; 14:86–87.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.