Analisi computazionale strutturale e fluidodinamica dello stent Combo Plus per il trattamento delle biforcazioni coronariche

Coronary heart diseases are one of the main causes of death in the western world and their most frequent cause is atherosclerosis, a chronic inflammatory disease characterized by the accumulation of lipids and fibrous elements in the inner walls of medium and large caliber arteries. The most common treatment for coronary atherosclerosis is the percutaneous intervention, which consists in the implantation of a stent at the level of the pathological region, providing mechanical support and limiting the elastic return of the artery. Nowadays the most widespread stents are drug-eluting stents. Despite the high number of interventions practiced, the lesions near the coronary bifurcations remain the most difficult to treat and they are those with the lowest success rate compared to the treatment of the other coronary vessels. In particular, the bifurcations show a predisposition to a higher rate of restenosis, thrombosis, procedural complications and adverse clinical events, due to a combination of structural and hemodynamic alterations caused by the implantation of the stent itself and by the complex geometry that characterizes the bifurcations. The most commonly used technique in interventional practice is the Provisional Side Branch (PSB) which consists of the implantation of a stent in the main branch only (MB) and a possible second stent in the secondary branch (SB), but only in the case of suboptimal results. In cases where, after the PSB technique, the expansion of the secondary branch is indicated, the most frequently used strategies are two: the Kissing Balloon Inflation (KBI) technique, which consists in a simultaneous post-dilatation of the two branches in the distal sections through two balloons, or the Proximal Optimization Technique (POT), which consists in the expansion of a semi-compliant balloon in only the proximal segment of the MB, repeated twice and separated by the opening of the secondary branch. A detailed and quantitative evaluation of the biomechanical impact induced by the implanted device on the treated coronary arteries, both from a structural and fluid dynamics point of view, can help in optimizing both the design of the device and the stenting strategies of the bifurcations and the consequent reduction of the adverse effects. Computational simulations are an important tool for the initial design phase of a stenting device dedicated to bifurcations and can be used in parallel with traditional in-vitro experimentation; these in fact allow to analyze virtually the behavior of the structures investigated by dedicated software and to obtain measurements that cannot be obtained experimentally. In this context, the objectives of the present work are: I) develop a finite element model of the Combo Plus - Dual Therapy stent (Hong Kong, China) starting from the realization of the 3D CAD model of the device and from a free expansion experimental test of the whole system (stent and relative balloon). The stent object of this work is a DES in stainless steel that presents an additional biological and luminal coating, consisting of CD-34 antibodies that capture the endothelial progenitor cells circulating in the vessel, promoting a faster healing and regeneration of the endothelium, peculiarities which allows to combine an immunosuppressive therapy with a reparative one; II) analyze the behavior of the Combo Plus stent implanted by the PSB technique in an idealized bifurcation model, both from a structural and fluid dynamics point of view; III) study the impact of the orientation of the Combo Plus stent (rotated 60 ° and 120 °) from a structural and fluid dynamics point of view; IV) compare the biomechanical behavior of the Combo Plus stent with respect to the Xience V stent to evaluate the impact of the different typology of stents on geometry, mechanics and fluid dynamics in a coronary bifurcation.

Le malattie coronariche rappresentano una delle principali cause di morte nel mondo occidentale e la loro causa più frequente è l’aterosclerosi, malattia infiammatoria cronica caratterizzata dall’accumulo di lipidi ed elementi fibrosi nelle pareti interne delle arterie di medio e grande calibro. Il trattamento più diffuso per l’aterosclerosi delle coronarie è l’intervento percutaneo, che consiste nell’impianto di uno stent a livello della regione patologica fornendo sostegno meccanico e limitando il ritorno elastico dell’arteria. Oggigiorno gli stent maggiormente diffusi sono gli stent a rilascio di farmaco (Drug Eluting Stent – DES). Nonostante l’elevato numero di interventi praticati, le lesioni in prossimità delle biforcazioni coronariche rimangono le più difficili da trattare e risultano quelle col minor tasso di successo rispetto al trattamento degli altri vasi coronarici. In particolare, le biforcazioni mostrano una predisposizione ad un maggior tasso di restenosi, trombosi, complicazioni procedurali ed eventi clinici avversi, dovuti ad una combinazione di alterazioni strutturali ed emodinamiche causate dall’impianto dello stent stesso e dalla geometria complessa che caratterizza le biforcazioni. La tecnica più comunemente utilizzata nella pratica interventistica è la Provisional Side Branch (PSB) che consiste nell’impianto di uno stent nel solo ramo principale (Main Branch – MB) ed un eventuale secondo stent nel ramo secondario (Side Branch – SB), ma solo in caso di risultati subottimali. Nei casi in cui, dopo la tecnica PSB, risulti indicata la dilatazione del ramo secondario, le strategie più frequentemente utilizzate sono due: la tecnica Kissing Balloon Inflation (KBI), che consiste in una post-dilatazione simultanea dei due rami nei tratti distali mediante due palloncini, oppure la tecnica Proximal Optimization Technique (POT), che consiste nell’espansione di un palloncino semi-compliante nel solo tratto prossimale del MB, ripetuta due volte e intervallata dall’apertura del ramo secondario. Una valutazione dettagliata e quantitativa dell’impatto biomeccanico indotto dal dispositivo impiantato sulle arterie coronarie trattate, sia da un punto di vista strutturale che fluidodinamico, può aiutare nell’ottimizzazione sia del design del dispositivo che delle strategie di stenting delle biforcazioni e nella conseguente riduzione degli effetti avversi. Le simulazioni computazionali costituiscono un importante strumento per la fase iniziale di progettazione di un dispositivo di stenting dedicato alle biforcazioni e possono essere utilizzate in parallelo alla tradizionale sperimentazione in-vitro, esse infatti permettono di analizzare virtualmente il comportamento delle strutture investigate mediante software dedicati e di ricavare misure non ottenibili sperimentalmente. In questo contesto, gli obiettivi del presente lavoro di Tesi sono: I) sviluppare un modello agli elementi finiti dello stent Combo Plus – Dual Therapy (Hong Kong, Cina) partendo dalla realizzazione del modello CAD 3D del dispositivo e da una prova sperimentale di espansione libera dell’intero sistema (stent e relativo palloncino). Lo stent oggetto di questo lavoro è un DES in acciaio inossidabile che presenta un rivestimento aggiuntivo, biologico e luminale, costituito da anticorpi CD-34 che catturano le cellule progenitrici endoteliali circolanti nel vaso, promuovendo una più veloce guarigione e rigenerazione dell’endotelio, peculiarità che permette di combinare una terapia immunosoppressiva con una riparativa; II) analizzare, sia dal punto di vista strutturale che fluidodinamico, il comportamento dello stent Combo Plus impiantato tramite la tecnica PSB in un modello di biforcazione idealizzato; III) studiare l’impatto dell’orientamento dello stent Combo Plus (ruotato di 60° e 120°) dal punto di vista strutturale e fluidodinamico; IV) confrontare il comportamento biomeccanico dello stent Combo Plus rispetto allo stent Xience V per valutare l’impatto della diversa tipologia di stent sulla geometria, sulla meccanica e sulla fluidodinamica in una biforcazione coronarica.