Experimental characterisation and numerical modelling of PLLA coronary stents : a focus on material modelling in predicting the device mechanical performance

Within the European project InSilc context, the aim of this work was the study and in-silico modelling of the mechanical behaviour of two bioresorbable coronary stents made of PLLA: Absorb GT1 (Abbott Vascular Inc.) and a prototype (Boston Scientific Limited). Starting from the experimental characterisation of PLLA samples, material dependencies on strain rate, temperature and presence of water were investigated and subsequently modelled. In-vitro tests on the stent prototype (free expansion, uniaxial tensile and crush tests) allowed a deeper knowledge of the polymeric stent mechanical behaviour and provided fundamental data for comparison with computational results. Specific finite element models were created for the two stents analysed and through numerical simulations the performance of stents in crimping, free expansion and post-expansion tests were investigated. Given the high dependence of material behaviour on test rate and environmental conditions, it was explored how different crimping and expansion protocols could influence the results in macroscopic and local terms. A significant effect of stent geometry on the performance was highlighted with comparative studies between the two devices. The comparisons of experimental and numerical results revealed a more complex behaviour of the PLLA than modelled, as verified by further tests on the material. For more accurate modelling, other factors such as damage, anisotropy and asymmetry between traction and compression should be investigated. However, considering the application for which the stent models are intended, i.e. vessel implantation, the stent prototype was experimentally implanted in a deformable tube and then simulated numerically to evaluate how much the uncertainties of the model affected its capability in predicting the lumen diameter increase.

Nell’ambito del progetto europeo InSilc, il lavoro si propone lo studio e la modellizzazione in-silico del comportamento meccanico di due stent coronarici bioriassorbibili in PLLA: Absorb GT1 (Abbott Vascular Inc.) ed un prototipo (Boston Scientific Limited). Partendo dalla caratterizzazione sperimentale di campioni di PLLA, sono state investigate e successivamente modellizzate le dipendenze del materiale da velocità di deformazione, temperatura e presenza di acqua. Test in-vitro sul prototipo di stent (test di espansione libera, trazione uniassiale e crush) hanno consentito una più approfondita comprensione del comportamento meccanico degli stent polimerici e hanno fornito dati fondamentali per il confronto con i risultati computazionali. Sono stati sviluppati modelli specifici per i due stent studiati e, tramite simulazioni numeriche, sono state indagate le prestazioni degli stent nei processi di crimping, di espansione libera e in prove su stent espanso. Nota la forte dipendenza della risposta del materiale dalla velocità della prova e dalle condizioni ambientali, è stato valutato come diversi protocolli di crimping ed espansione potessero influenzare i risultati a livello macroscopico e locale. Studi comparativi tra i due dispositivi hanno rivelato una significativa influenza della geometria dello stent sulle sue prestazioni. Il confronto tra i risultati sperimentali e numerici ha evidenziato un comportamento del PLLA più complesso rispetto a quanto modellizzato, come verificato inoltre tramite ulteriori prove sul materiale. Per una più accurata modellizzazione si dovrebbero approfondire altri aspetti come danno, anisotropia e asimmetria tra trazione e compressione. Considerando infine l’applicazione alla quale i modelli di stent sono destinati, ovvero l’impianto nei vasi, è stato eseguito sperimentalmente l’impianto dello stent in un tubo deformabile e la prova è stata replicata numericamente per valutare quanto le incertezze del modello pesassero sulla capacità di predire l’aumento del diametro del lume.