Sviluppo di un setup in vitro per la valutazione del trasferimento di farmaco nei palloni da angioplastica medicati: progettazione, realizzazione e prove preliminari

Drug-coated balloons (DCBs) are medical devices used in angioplasty, introduced to prevent restenosis following plain balloon angioplasty or stent implantation. During inflation within the arterial lumen, these devices expand the vessel, restore blood flow, and deliver an antiproliferative drug through direct contact with the endothelial tissue. Previous studies have investigated the mechanisms of drug transfer, identifying contact pressure as a key parameter. Many works have characterized the coating or analysed the DCB–vessel interaction at the micro- and meso-scale using simplified in vitro setups to evaluate transfer efficiency, drug retention, and washout. Other studies more closely reproduce in vivo conditions, yet they rely on whole pig arteries, making them complex and difficult to reproduce. This thesis focuses on the design of a new setup developed to meet the need to study drug transfer on a larger scale while accounting for device’s expansion dynamics. The proposed system, manufactured by 3D printing, is simple, reproducible, low-cost, and allows direct comparison of the performance of similar devices under identical conditions. It is composed of two rigid supports on which pig aortic patches are mounted, with the DCB positioned between them and inflated to its nominal pressure. The transfer can then be observed through combined optical analyses on both the balloon and the arterial samples. The geometry enables simulation of different oversizing configurations within the same experiment, providing insight into the conditions that maximize drug transfer. Preliminary tests demonstrated the effectiveness of the proposed setup in evaluating drug transfer performance. In conclusion, the setup can be used as a reliable tool in the preclinical phase for the evaluation and comparison of drug-coated balloon performance; however, further studies and additional improvements can be developed to enhance its accuracy and applicability.

I palloni per angioplastica a rilascio di farmaco (DCB) sono dispositivi medici introdotti per prevenire la restenosi a seguito di angioplastica con palloncino semplice o impianto di stent. Durante l’espansione nel lume arterioso, questi dispositivi dilatano il vaso, ristabiliscono il flusso sanguigno e rilasciano un farmaco antiproliferativo tramite il contatto diretto con il tessuto endoteliale. Studi precedenti hanno indagato i meccanismi di trasferimento del farmaco, individuando nella pressione di contatto un parametro chiave. Numerosi lavori hanno caratterizzato il rivestimento o analizzato l’interazione tra DCB e vaso a scala micro e meso, utilizzando setup in vitro semplificati per valutare l’efficacia del trasferimento, la ritenzione del farmaco e la sua dispersione dopo la procedura. Altri studi riproducono più fedelmente le condizioni in vivo, ma si basano su vasi interi di origine animale, rendendo tali esperimenti complessi e difficili da riprodurre. La presente tesi è mirata alla progettazione di un nuovo setup, nato dall’esigenza di studiare il fenomeno del trasferimento di farmaco ad una scala più ampia considerando la dinamica di espansione del dispositivo. Il setup proposto e realizzato mediante stampa 3D additiva è semplice, riproducibile, a basso costo e consente un confronto diretto delle prestazioni di dispositivi simili in condizioni analoghe. Il sistema è composto da due supporti rigidi sui quali sono montati dei campioni di aorta suina; il dispositivo viene posizionato tra essi e gonfiato alla pressione nominale. Successivamente è possibile osservare il trasferimento mediante analisi ottiche combinate sul pallone e sui campioni di arteria. La geometria del setup permette di simulare differenti condizioni di oversizing all’interno dello stesso esperimento, fornendo informazioni sulle condizioni che massimizzano il trasferimento del farmaco. I test preliminari hanno dimostrato l’efficacia del setup proposto nella valutazione delle prestazioni di trasferimento del farmaco. In conclusione, il setup può essere utilizzato come strumento affidabile nella fase preclinica per la valutazione e il confronto delle prestazioni dei DCB; tuttavia, ulteriori studi e miglioramenti possono essere sviluppati per aumentarne l’accuratezza e l’applicabilità.