Development of a novel soft scratch test to investigate coating's mechanical stability of coated films and drug-coated balloons

Peripheral arterial disease (PAD) is a condition where lower limb arteries narrow, reducing blood flow and increasing the risk of cardiovascular events. Drug-coated balloons (DCBs) are preferred over stents for treating PAD, because they do not leave a permanent implant. Avoiding in-stent restenosis, they reduce the risk of late thrombosis, and promote more natural vessel healing. Despite their benefits, one of the primary challenges with DCBs is the uncontrolled release of the drug during tracking, mainly due to friction between the balloon and the vessel. This study aims to evaluate the mechanical stability of the balloon’s coating by perform ing a novel soft scratch test, employing a silicone tip instead of the traditional hard ones, to provide a more accurate replication of the interaction between the balloon and the arterial wall. To do this, an ad-hoc setup was developed, utilizing a micro-Biaxial Testing Machine to extract data for calculating the friction coefficient between the soft indenter (mimicking the artery) and the specimen (Pebax films and angioplasty balloons, either coated or uncoated). The test was coupled with a pre- and post-scratch surface analysis of the sample, performed with a confocal laser microscope. This methodology addresses a significant gap in literature, where, previously, the friction coefficients used in finite elements simulations were arbitrarily chosen, without any experimental validation. The results of the experiments highlighted key differences in between films and balloons: the latter exhibited, in the coated case, an increase in the friction coefficient with respect to the uncoated case and a sensible coating removal after scratching, absent in the films. These discrepancies are likely due to the different characteristics of the coatings. Besides, in silico tests were conducted, simulating scratch test over uncoated Pebax films. Overall, the obtained results are in accordance with the experimental findings. The established methodologies offer a strong foundation for exploring the mechanical behaviour of drug-coated balloons in managing PAD, thereby driving advancements in DCBs technology and their clinical applications.

La malattia arteriosa periferica (PAD) è una condizione in cui le arterie degli arti inferiori si restringono, riducendo il flusso sanguigno e aumentando il rischio di malattie cardiovas colari. I drug-coated balloons (DCB) sono usati al posto degli stent per il trattamento della PAD, in quanto non lasciano un impianto permanente. Evitando la ristenosi, riducono il rischio di trombosi tardiva e promuovono una migliore guarigione del vaso. Nonostante i loro benefici, uno dei principali limiti nell’uso dei DCB è il rilascio incontrollato di farmaco durante il tracking, dovuto prevalentemente all’attrito tra il palloncino e l’arteria. Questo studio propone di valutare la stabilità meccanica del coating del DCB eseguendo un nuovo test di soft scratch, utilizzando una punta in silicone al posto delle punte dure, tradizionalmente usate, per replicare più accuratamente l’interazione tra il palloncino e la parete arteriosa. Per fare ciò, è stato sviluppato un setup ad-hoc, utilizzando una macchina micro-biassiale per estrarre i dati al fine di calcolare il coefficiente d’attrito tra l’indentatore soffice (che simula l’arteria) e il campione (film di Pebax e palloncini per an gioplastica, rivestiti e non). Inoltre, è stata eseguita un’analisi di superficie, prima e dopo lo scratch, utilizzando un microscopio laser confocale. Questo esperimento punta a col mare una mancanza significativa in letteratura, dove in precedenza i coefficienti d’attrito impiegati nelle simulazioni agli elementi finiti venivano scelti arbitrariamente, senza al cuna validazione sperimentale. I risultati degli esperimenti hanno evidenziato importanti differenze tra film e palloni: questi ultimi hanno mostrato, nel caso di campioni rivestiti, un aumento del coefficiente d’attrito rispetto a quelli non rivestiti ed una rimozione visi bile del coating dopo lo scratch, assente nei film. Le differenze sono probabilmente legate alle diverse caratteristiche dei due coating. Inoltre, sono stati condotti dei test in silico, per simulare lo scratch test su film di Pebax non rivestiti. In generale, i risultati ottenuti sono in accordo con le osservazioni sperimentali. Le metodologie stabilite offrono una solida base per esplorare il comportamento mecca nico dei drug-coated balloons per il trattamento della PAD, rappresentando quindi un avanzamento della tecnologia dei DCB e nelle loro applicazioni cliniche.