Численно-экспериментальное исследование концепта стент-графта коронарной артерии (reprint)

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: 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: 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: 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: 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.

1. Shaukat 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.27706

2. Стаферов 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.

3. 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.2019.05.024

4. Parsh 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.26917

5. Fejka 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-X

6. Von 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.2000.107996

7. Семёнов 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: 10.17802/2306-1278-2021-10-4-68-78

8. 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.2017.07.010

9. Litvack 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)90414-6

10. Al-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.86017

11. Jacob 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.2021.12.019

12. Ekici 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: 10.1155/2014/391843

13. Chen S., Lotan C., Jaffe R. Pericardial covered stent for coronary perforations. CatheterCardiovasc Interv. 2015; 86(3):400–404. DOI: 10.1002/ccd.26011

14. Araki 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-0039-1685510

15. Barbero 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-2020-0022

16. Hu 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.2022.01.008

17. Alexandre 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.35098

18. 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.

19. Hassan C.M., Peppas N.A. Structure and Morphology of Freeze/Thawed PVA Hydrogels. Macromolecules. 2000; 33(7):2472–2479. DOI: 10.1021/ma9907587

20. Bonsignore C. Open Stent Design: Design and analysis of self expanding cardiovascular stents. , SC Creat Indep Publ Platf. 212AD;94. DOI: 10.6084/M9.FIGSHARE.95614

21. Lewandowski 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.2007.11.016

22. Aziz 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.2006.107052

23. Morrison 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: 10.1115/1.4035866

24. Morrison 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.2018.00241

25. Ardatov 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/stm2018.10.2.03

26. Prendergast 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.2009.03.002

27. Oveissi 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.2019.100038

28. Rezvova 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/S1070427219010026

29. 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.