Hydraulic bulge test for the mechanical characterization of uncoated and drug-coated polymeric materials constituting angioplasty balloons

Peripheral Artery Disease (PAD) is a pathologic process leading to obstruction of vessels that carry blood from the heart to the body’s extremities. Because they provide a solution for vessel opening, angioplasty balloons are a reliable instrument for treating PAD. Drug-coated balloons (DCBs) are a promising option as they can reduce complications associated with in-stent restenosis and late thrombosis resulting from stent implantation by providing a high drug dosage directly to the vessel. However, the main drawback of the current DCBs is the lack of effective drug delivery control, which can result in low therapeutic levels and drug loss. To address this issue, it is crucial to evaluate the multi-axial mechanical response of the balloon material and the drug coating. This research aims to investigate the mechanical properties of polymer substrates and evaluate the excipient layer’s and the excipient-drug system’s mechanical response under strain. Uniaxial and multiaxial (bulge test) stressing during in-situ mechanical testing are used to accomplish these goals. Firstly, the study provides a quantitative analysis of the mechanical behavior of the polymeric substrate itself. Secondly, the coating integrity is investigated in relation to the results obtained in the first step. The bulge test and the concurrent use of confocal laser microscopy enable the extraction of displacement data regarding the inflation of the examined samples at various pressure levels. The mechanical properties of the polymeric substrate are investigated by subjecting Nybax® and Nylon angioplasty balloons, as well as Pebax® films, to uniaxial tensile tests using a tensile loading device to determine the material parameters. On the other hand, a bulge loading system is used to accomplish multiaxial loading, which provides a correlation between the applied pressure and the sample deflection. Ultimately, the experimental scenario is reproduced through a finite element model. In this way, the parameters of the analytic model that accurately describes the material's behavior have been identified. As stress and strains cannot be directly measured during the bulge test, simulations that best fit the experiments are assumed to provide information on the membrane’s surface strain during bulging. Therefore, the mechanical integrity of both polymer-coating and drug-polymer-coating on Pebax® samples is evaluated through bulge test. The results obtained with the numerical simulations provide insight into the critical strain that leads to coating fracture.

La Malattia Arteriosa Periferica (MAP) è un processo patologico che porta all'ostruzione dei vasi che trasportano il sangue dal cuore alle estremità del corpo. Poiché forniscono una soluzione per l'apertura dei vasi, i palloni per angioplastica sono uno strumento affidabile per il trattamento della MAP. I palloni rivestiti di farmaco (drug-coated balloons, DCBs) sono una promettente opzione, in quanto riducono le complicanze associate alle restenosi intra-stent e alla trombosi tardiva dovuta all'impianto dello stent, fornendo un'elevata dose di farmaco direttamente al vaso. Tuttavia, il principale svantaggio degli attuali DCBs è il controllo inefficace della somministrazione del farmaco, dovuto spesso alla delaminazione del rivestimento durante la procedura. Per affrontare questo problema, è fondamentale valutare la risposta meccanica multi-assiale del pallone e del rivestimento di farmaco. Questa ricerca mira ad indagare le proprietà meccaniche dei substrati polimerici e valutare la risposta meccanica dello strato di eccipiente e del sistema eccipiente- farmaco sotto sforzo. Per raggiungere questi obiettivi, si utilizzano prove meccaniche in-situ uniassiali e multi-assiali (test di rigonfiamento). In primo luogo, lo studio fornisce un’analisi quantitativa del comportamento meccanico del substrato polimerico. In secondo luogo, l'integrità del rivestimento è indagata in relazione ai risultati ottenuti nella prima fase. Il test di rigonfiamento e l'uso concomitante del microscopio laser confocale consentono di estrarre gli spostamenti relativi al gonfiaggio dei campioni esaminati a vari livelli di pressione. Le proprietà meccaniche del substrato polimerico sono indagate sottoponendo i palloni in Nybax® e Nylon, così come i film in Pebax® a test di trazione uniassiali per determinare i parametri del materiale. Contrariamente, un sistema di gonfiaggio viene utilizzato per ottenere una sollecitazione multi-assiale che fornisce una correlazione tra la pressione applicata e la deflessione sperimentata dal campione. Infine, lo scenario sperimentale viene riprodotto attraverso un modello a elementi finiti. In questo modo, si identificano i parametri del modello analitico che descrivono accuratamente il comportamento del materiale. Poiché gli sforzi e le deformazioni non possono essere misurati sperimentalmente, si assume che le simulazioni forniscano informazioni sulla deformazione superficiale della membrana durante il gonfiaggio. Pertanto, l'integrità meccanica del rivestimento (polimerico e farmaco-polimerico) sui campioni di Pebax® è valutata attraverso il test di gonfiaggio e le simulazioni forniscono informazioni sulla deformazione critica che porta alla rottura del rivestimento.