Model forudsiger, hvordan man bygger en bedre stent

En ny model udviklet på Georgia Institute of Technology kunne give en køreplan for at udvikle bedre metalstents, som bruges til at støtte åbne indsnævrede arterier og blodkar for at holde dem flydende frit.

Modellen er baseret på en type topologisk analyse, der måler kompleksiteten af ​​stentens geometri. Jo større kompleksiteten er, jo mindre ensartede spændinger vil der opleves på tværs af stenten, når den implanteres.

"Vores model kan forudsige, hvilke geometriske strukturer der vil forårsage områder med stresskoncentration," sagde Yongjie Jessica Zhang, en assisterende professor ved George W. Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Tech. "Ved at bruge denne information er det muligt at redesigne stentgeometrien, så disse stresskoncentrationer elimineres, hvilket reducerer sandsynligheden for træthedsfejl."

Forskningen er rapporteret 1. juni 2022 i tidsskriftet Acta Biomaterialia. Den første forfatter til papiret er Jiahan Zhou, en Ph.D. studerende, der arbejder med Zhang.

Metalstents er almindeligt medicinsk udstyr, der bruges til at behandle arterielle og venøse sygdomme. Imidlertid er den langsigtede effektivitet plaget af de komplikationer, der er forbundet med deres strukturelle fejl, såsom trombose (blodpropper), restenose (blokerede arterier) og stentfrakturer.

Stentens geometri er blevet identificeret som en kritisk faktor til at bestemme dens strukturelle stabilitet og funktionalitet. Det er imidlertid en udfordring at forudsige, hvordan en specifik stentgeometri vil påvirke ydeevnen, fordi det kræver evaluering af ekstremt komplekse strukturer.

"Udfordringen her er, at geometrierne er meget indviklede," sagde Zhou. "Den traditionelle måde at analysere og forbedre dem på har for det meste været afhængig af trial-and-error eksperimenter. Dette er tidskrævende og dyrt."

For at overvinde disse udfordringer vendte Zhang og Zhou sig til en geometrisk analysemetode kendt som "vedvarende homologi." I modsætning til en typisk analyse, der kun ser på den rumlige geometri, fanger vedvarende homologi ikke kun geometrien, men også dens topologi, som refererer til væsentlige træk, der ikke kan ændres gennem deformation eller strækning.

"Vi ser på, hvordan geometrien er arrangeret, og hvordan disse strukturelle træk påvirker spændingen på tværs af materialet," sagde Zhang.

I denne undersøgelse brugte holdet vedvarende homologianalyse til at skabe et topologi-stresskort over forskellige stentgeometrier. De så på 10 variationer af en udbredt selv-ekspanderbar stent kaldet en Palmaz-Schatz stent. Deres modeller forudsagde, at øget kompleksitet af stentens geometri øgede stresskoncentrationer.

Holdet arbejder nu på at udvikle strategier til at reducere stresskoncentrationer i stentgeometrien. De anvender også den topologiske analysemetode til at studere virkningerne af arterievæggens egenskaber på stentens ydeevne.