Development of an in vitro and in silico methodological approach for replication of plain and drug-coated angioplasty balloon expansion and interaction with idealized vessels

Drug-Coated Balloons (DCBs) represent an emerging technology that offers a promising alternative to drug-eluting stents and traditional treatments by combining the mechanics of angioplasty with the targeted release of antiproliferative drugs. However, their use is limited by the poor ability to effectively deliver the drug to the pathological site. This limitation has led to the idea of investigating, through computational models, the factors that may influence drug release. The primary aim of this thesis was to develop a method for creating a digital model of a DCB or angioplasty balloon by combining in vitro and in silico activities, and subsequently, to use these models to perform interaction analyses with an idealized artery. The first part of the thesis encompasses the development of experimental methodologies to validate the folding and unfolding of the balloon, and the creation of numerical models that replicate the device and its unfolding. In particular, the cross-sections of the folded balloon were obtained experimentally through simple perpendicular cuts. Cross sections during unfolding were obtained by injecting a hardening resin into each device and making transverse cuts. To demonstrate that the resulting configurations do not depend on the fluid used for inflation, an additional balloon inflation test was conducted using water with hardening resin applied externally. The second part of the thesis involved an attempt to validate the developed models by evaluating the configurations obtained during the inflation of a device inside a rigid tube, both in vitro and in silico. In the final part of this work, it was demonstrated how it is possible to approximate the behaviour of the central zone of a 3D balloon model through a simplified 3D model, making the analysis easier and faster. Finally, these 3D simplified models were employed in a series of numerical inflations in idealized vessels to predict the interactions between the DCB and the vessel. Each applied methodology was validated and proven effective and reliable and may serve as a foundation for the development of future models capable of replicating the entire surgical procedure in the presence of pathological arteries.

I DCB rappresentano una tecnologia emergente che offre un’alternativa promettente agli stent medicati e ai trattamenti tradizionali, combinando la meccanica dell’angioplastica con il rilascio mirato di farmaci antiproliferativi. Tuttavia, il loro utilizzo è limitato dalla scarsa capacità di rilasciare farmaco nel sito patologico. Da qui nasce l’idea di investigare, tramite modelli computazionali, quali fattori possano influenzare il rilascio di farmaco. Lo scopo primario di questa tesi è stato quello di sviluppare un metodo per costruire un modello digitale di DCB o palloncino per angioplastica combinando attività in vitro e in silico e, successivamente, utilizzare tali modelli per svolgere analisi di interazione con un un’arteria idealizzata. La prima parte della tesi racchiude lo sviluppo di metodologie sperimentali per validare il folding e l’unfolding del palloncino e lo sviluppo di modelli numerici che replichino il dispositivo e il suo unfolding. In particolare, le sezioni trasversali del palloncino foldato sono state ottenute sperimentalmente tramite semplice taglio perpendicolare. Le sezioni durante l’unfolding sono state ottenute, invece, iniettando una resina indurente all’interno di ciascun dispositivo e tagliando trasversalmente. Per dimostrare che le configurazioni risultanti non dipendono dal fluido utilizzato per il gonfiaggio, è stato condotto un ulteriore test gonfiando il palloncino con acqua in presenza di resina indurente applicata esternamente. La seconda parte della tesi ha rappresentato il tentativo di validare i modelli sviluppati tramite la valutazione delle configurazioni ottenute durante il gonfiaggio di un dispositivo all’interno di un tubo rigido sia in vitro che in silico. Nella parte finale di questo lavoro, è stata dimostrata la possibilità di approssimare il comportamento della porzione centrale di un modello 3D del palloncino con un modello 3D semplificato, rendendo l’analisi più semplice e veloce. Infine, questi modelli 3D semplificati sono stati impiegati in una serie di inflation numeriche in vasi idealizzati per predire le interazioni tra DCB e vaso. Ciascuna metodologia applicata è stata validata e si è dimostrata efficace e affidabile e potrà costituire una base per lo sviluppo di modelli futuri che possano replicare l’intera procedura chirurgica in presenza di arterie patologiche.