In silico and in vitro investigation of drug transfer from drug-coated balloons to different substrates at the meso-/micro-scale

In the last decades, drug-coated balloons (DCBs) have emerged as promising therapeutic option for the treatment of peripheral artery diseases (PADs). However, their main limitation lies in the poor drug transfer onto the arterial vessel during ballon inflation. In this context, previous studies revealed the key role of contact pressures (CPs): at this purpose, this project aims to evaluate the correlation between contact pressure generated at the interface and drug delivery. This work offers a combined computational and experimental pipeline in order to study the stamping procedure, which represents the in vitro replica of the balloon inflation phase during the surgical act. To better understand the phenomenon, meso-scale and micro-scale investigations were integrated in order to quantify drug transfer onto healthy and pathological vessels and to study the micromechanics governing this process. Initially, numerical simulations were carried out to construct the response surface model, which identifies the proper value of force to develop a target contact pressure depending on the substrate’s characteristics. Subsequently, an experimental campaign was performed in order to evaluate through optical analysis the percentage of drug transferred, allowing a comparison of the phenomenon between different substrates. To interpret the previous results, a further investigation focused on the microstructure of drug coating, enabling the evaluation at the micro-scale of the balloon-vessel interaction. In conclusion, this work provides a robust and novel approach to study the drug transfer mechanism not only on atherosclerotic plaques but also on other pathological tissues. Moreover, a comprehensive research including balloon tracking and wash-out phase must be performed to achieve fully comprehension of the mechanism of action of drug-coated balloons.

Negli ultimi decenni i palloni a rilascio di farmaco (drug-coated balloons, DCBs) sono emersi come una promettente opzione terapeutica per il trattamento di malattie nelle arterie periferiche. Tuttavia, il loro limite principale risiede nel ridotto trasferimento di farmaco alla parete arteriosa durante la fase di gonfiaggio del pallone. In questo contesto, studi precedenti hanno evidenziato il ruolo chiave della pressione di contatto: a questo proposito, questo progetto mira a valutare la correlazione tra la pressione di contatto generata all’interfaccia e il trasferimento del farmaco. Questo lavoro offre un protocollo combinato computazionale-sperimentale per studiare la procedura di stamping, che rappresenta la replica in vitro della fase di gonfiaggio del pallone durante l’intervento chirurgico. Per comprendere meglio il fenomeno, sono state integrate analisi alla meso-scala e alla micro-scala, al fine di quantificare il trasferimento del farmaco su tessuti arteriosi sani e patologici e di studiare la micromeccanica che governa questo processo. Inizialmente, sono state eseguite simulazioni numeriche per costruire il modello di response surface, che identifica il valore di forza necessario per generare una pressione di contatto target in base alle caratteristiche del substrato. Successivamente, è stata condotta una campagna sperimentale per valutare tramite analisi ottiche la percentuale di farmaco trasferito, consentendo un confronto del fenomeno tra diversi substrati. Per interpretare i precedenti risultati, un’ulteriore indagine si è focalizzata sulla microstruttura del rivestimento farmacologico, che ha permesso la valutazione alla micro-scala dell’interazione tra pallone e parete vascolare. In conclusione, questo lavoro propone un approccio robusto e innovativo per lo studio del meccanismo di trasferimento di farmaco non solo su placche aterosclerotiche, ma anche su altri tessuti patologici. Inoltre, sarà necessario condurre ulteriori ricerche che includano il posizionamento del pallone e la fase di wash-out per ottenere una comprensione completa del meccanismo d’azione dei palloni a rilascio di farmaco.