23110

بررسي اثر طراحي و مواد بر روي قابليت انبساط استنت‌هاي فلزي قلبي عروقي

كارشناسي ارشد

مهندسي پزشكي - بيومواد

1399/9/1

دكتر عليرضا ايواني - دكتر سيد حسين سيدين

دكتر مريم تاج آبادي

مواد و متالورژي

در سال‌هاي اخير، استفاده از استنت‌هاي شرياني براي درمان بيماري انسداد شريان‌هاي كرونري قلب نظير تصلب شرايين افزايش‌يافته و مدل‌هاي مختلف آن با هندسه و مواد متفاوت به بازار ارائه‌شده است. براي انتخاب بهترين مدل استنت از ميان مدل‌هاي موجود بايد عملكرد آن‌ها به‌دقت تحليل‌شده و رفتار مكانيكي مدل‌هاي مختلف مورد مقايسه قرار گيرد. اين مهم نيازمند آزمون‌هاي برون تني، درون تني و باليني است كه موجب صرف وقت، هزينه و استفاده از تجهيزات فراوان است. در اين پايان‌نامه به بررسي اثر طراحي، مواد و ضخامت پايه‌هاي استنت بر روي قابليت انبساط كه يكي از خواص مهم در انتخاب استنت‌هاي فلزي قلبي عروقي است پرداخته مي‌شود. در ادامه مطالعه مواردي نظير تنش‌هاي وارده به پايه‌هاي استنت و ديواره رگ، كرنش پلاستيك معادل، بازگشت، اثر استخوان سگي و سطح تحت پوشش استنت نيز بررسي مي‌شود. براي بررسي تمام رفتارها و تغييرات استنت از روش اجزاي محدود استفاده شد تا محصول قبل از توليد و انجام آزمون‌هاي برون تني، درون تني و باليني ارزيابي شود. بدين منظور از چهار استنت تجاري پالماز- اسچاتز، ان آي آر، بايوماتريكس، سايفر و همچنين پنج حالت استنت پيشنهادي استفاده شد. استنت‌هاي پيشنهادي بر اساس ضخامت و ماده تقسيم‌بندي شدند كه استنت پيشنهادي B داراي ضخامت كمتري نسبت به استنت پيشنهادي A بود. استنت‌ها در طراحي بر اساس سلول باز، سلول بسته و هيبريدي تقسيم‌بندي شدند كه تمامي استنت‌هاي پيشنهادي از نوع هيبريدي بودند. تحليل‌ها با استفاده از سه ماده كاربردي فولاد زنگ نزن 316 كم كربن، آلياژ كبالت-كروم L605 و آلياژ پلاتين-كروم كه در ساخت استنت‌ها بسيار رايج هستند انجام شد. استنت‌هاي ذكر شده در نرم‌افزار ساليدوركس مدل‌سازي شدند و عملكردشان در نرم‌افزار آباكوس مورد تحليل قرار گرفت. همچنين براي اين‌كه شرايط شبيه‌سازي هرچه بيشتر به واقعيت نزديك شود اجزايي همچون بالون و رگ داراي انسداد نيز در نظر گرفته شدند كه در رگ مسدود شده فشارخون متوسط نيز اعمال‌ شده است. نتايج نشان داد بيشترين تنش‌ در استنت‌ها در محل اتصال پل‌ها با پايه‌هاي استنت و در محل خم‌هاي پايه‌ها و پل‌ها بود و بيشترين تغييرات پلاستيك نيز در در نقاط اتصال پل‌ها و خم‌هاي استنت صورت گرفت. بيشترين توزيع تنش در رگ‌ها در محل تماس پايه‌هاي استنت با پلاك بود و همچنين بيشترين تنش به لايه اينتيما واردشده بود. الگوي توزيع تنش در رگ در انتهاي مرحله باربرداري متفاوت است و بيشترين تنش‌ها در دو انتهاي تماس استنت با رگ صورت گرفت اين امر به دليل افزايش اثر استخوان سگي در اين مرحله بود. استنت سلول باز داراي بيشترين تنش واردشده به رگ، بيشترين انبساط، كمترين بازگشت و بيشترين اثر استخوان سگي در مقايسه با استنت‌هاي سلول بسته و هيبريدي بود. مقادير استنت‌هاي هيبريدي در پارامترهاي مورد بررسي مابين استنت‌هاي سلول باز و سلول بسته قرار گرفته بود. كمترين ميزان سطح پوشش مربوط به استنت پاماز-اسچاتز و استنت پيشنهادي بود، با اين وجود تنش وارد شده به رگ براي آن‌ها كمترين مقدار بود. بررسي‌ها نشان داد كه كبالت-كروم و پلاتين-كروم نسبت به فولاد زنگ نزن در پارامترهاي مورد بررسي زماني به‌طور كامل برتري دارند كه در استنت با ضخامت پايه‌هاي كمتر استفاده بشوند. همچنين طراحي هيبريدي زماني مي‌تواند نسبت به طراحي سلول باز و سلول بسته برتري داشته باشد كه داراي پايه‌هاي نازك‌تر باشد و اين امر با استفاده از آلياژهايي مانند كبالت-كروم و پلاتين كروم محقق مي‌شود. بررسي‌ها نشان داد كه استنت پيشنهادي B كبالت-كروم و استنت پيشنهادي B پلاتين-كروم در مقايسه با استنت‌هاي مورد بررسي در هيچ يك از پارامترها در ميان استنت‌هاي ضعيف قرار نگرفتند ولي داراي مقادير بيشتر حداكثر انبساط بودند.

1399/11/19

An investigation on the effect of material and design on the expandability of cardiovascular metallic stents

11/21/2020 12:00:00 AM

In recent years, the use of arterial stents to treat coronary artery disease such as atherosclerosis has increased. Various stents with different geometries and materials have been introduced to the market. To choose the best stent geometry from the available models in the market, their performance should be carefully analyzed and the mechanical behavior of different models should be compared. This requires in vitro, in vivo and clinical trials, which save a lot of time, money and equipment. In this study, the effect of design, material and thickness of stent struts on expandability, which is one of the important properties in the selection of cardiovascular metallic stents, is investigated. Stresses on the stent bases and vessel wall, equivalent plastic strain, recoil, dog-boning effect and the coverage area by the stent are also examined. The finite element method was used to examine all behaviors and changes in the stent to evaluate the product before production and in vitro, in vivo and clinical tests. For this purpose, four commercial stents were used, i.e., Palmaz-Schatz, NIR, Biomatrix, Cypher. In addition, five more stents were proposed based on different designs and materials. The proposed stents were categorize based on thickness and material. The proposed stent in subcategory B was thinner than the those in A. The stents were divided into open cell, closed cell and hybrid designs, all of which were hybrid. The analyzes were performed using three applied materials: carbon stainless steel 316L, cobalt-chromium L605 alloy and platinum-chromium alloy, which are quite commonly used in stents. The mentioned stents were modeled in SolidWorks software and their performance was analyzed in ABAQUS software. In order to make the simulation conditions as close as possible to reality, components such as balloons and blocked vessels were also considered, which also applied moderate blood pressure to the blocked vessel. The results showed that the highest stress in stents was in the connection of the bridges with the stent struts and in the bends of the struts and bridges. Most of the plastic changes took place at the connection of the stent bridges and bends, which are actually the places where highest stresses occur. The highest stress distribution in the arteries was at the point of contact of the stent struts with the plaque and also the highest stress was applied to the intima layer. The pattern of stress distribution in the vessel at the end of the loading stage is different and most of the stresses occurred at both ends of the stent in contact with the vessel. This was due to the increased effect of the dog-boning at this stage. Open cell stents had the highest stress on the vessel, most expansion, least recoil, and the greatest dog-boning effect compared to closed and hybrid cell stents. The values of hybrid stents in the studied parameters were between open cell and closed cell stents. Stainless steel stent has the lowest stress in the stent at the end of the loading and unloading stage, the highest stress applied to the vessel at the end of the loading stage, the lowest stress applied to the vessel at the end of the loading stage, the highest plastic deformation, the most expansion and the highest recoil compared to cobalt-chromium and platinum-chromium stents. The material had a limited effect on the dog-boning effect. Indeed, the dog-boning effects of stainless steel, cobalt-chromium and platinum-chromium stents were almost equal. Changing the thickness of the stent bases had little effect on changing the stress distribution and plastic strain. Decreasing the thickness of the stent bases reduced the stress on the vessel, increased maximal expansion and recoil, and decreased the dog-boning effect. The lowest level of coverage was related to Pamaz-Schottz stent and the recently proposed stent with the lowest applied stress onto the vessel. The results showed that the proposed cobalt-chromium B stent and the proposed platinum-chromium B stent were not the weakest stents in any of the parameters compared to the studied stents, but were among the best stents in the maximum expansion parameter. Examining the three materials of stainless steel, cobalt-chromium and platinum-chromium in the proposed stents A and B, it was observed that cobalt-chromium and platinum-chromium were superior to stainless steel. Also, hybrid design can be superior to open and closed cell design when it has thinner bases, and this is achieved by using alloys such as cobalt-chromium and platinum-chromium.