Development and evaluation of cardiovascular stent designs considering mechanic and implantation parameters

The increasing incidence of cardiovascular diseases and the development of the angioplasty procedure has lead to many researches focused on stent development. Stent is a metallic tube with milimetric dimensions, expandable and mesh shaped, usually made of metal. Its application, in a minimally invasive procedure, restore the flow in the obstructed blood vessel. The aim of this study was to develop new stent designs and evaluate, using finite elements simulation, the following procedures: mounting of stents at the catheter/balloon (crimping) and stent expansion inside the artery. Simulations were done using Stampack®, a commercial finite elements software with a dynamic explicit formulation. In addition to crimping and expansion, we also simulated a process that is done before the stent implantation, which consists in a balloon expansion (without a stent) inside the blood vessel partially obstructed. We analyzed three different stent designs and for the one with the best performance the whole process was evaluated: crimping, expansions with and without the balloon and expansion inside the artery without the balloon. The material of the stent was stainless steel 316 L with an elastic-plastic behavior, the balloon was taken as linear elastic and isotropic and the artery was simulated as a hyperelastic material, according to data and properties found in the literature. At the end of each simulation, the following parameters were evaluated for the stent models developed: diameter, regions under risk of failure, plastic deformation and deformation in the thickness direction. The design with best performance, model SNG3, was the one that required less pressure to achieve the final desired diameter, with deformations inside the safe limit. SNG3 model also presented the lower values of effective plastic strain, variation at the relative thickness of the tensile and compressive regions during the whole process, showing reliable safety performance and the potential of this stent design for future use to treat arterial coronary diseasesConselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível SuperiorFundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas GeraisTese (Doutorado)O crescente aumento da incidência de doenças cardiovasculares e o desenvolvimento da técnica de angioplastia têm feito com que muitas pesquisas sejam realizadas como o objetivo de desenvolver as endopróteses vasculares (stents). O stent é um tubo de dimensões milimétricas, expansível, em forma de malha, geralmente confeccionado em metal; sua aplicação, por meio de um procedimento minimamente invasivo, restaura o fluxo no vaso sanguíneo obstruído. Os objetivos dessa pesquisa foram desenvolver novas geometrias de stent e avaliar, usando simulações em elementos finitos, os processos de montagem dos stents no conjunto cateter/balão (crimpagem) e a sua expansão no interior de uma artéria. As simulações foram feitas usando o Stampack®, um programa comercial de elementos finitos com formulação dinâmico-explícita. Além das simulações do processo de crimpagem e expansão, foi simulado também o processo que antecede a implantação do stent, o qual consiste na expansão de um balão (sem stent) dentro da artéria semiobstruídas. Foram analisadas três geometrias diferentes de stents, e para aquela com melhor desempenho foi analisado todo o processo: crimpagem, expansões com e sem o balão, e expansão dentro da artéria sem balão. O material do stent foi o aço inoxidável 316 L com comportamento elastoplástico; o balão foi considerado como elástico-linear e isotrópico, já a artéria foi simulada com um comportamento de material hiperelástico, de acordo com dados e propriedades encontrados na literatura. Ao final de cada simulação, avaliamos os seguintes parâmetros para os modelos de stents desenvolvidos: diâmetro, zonas com risco de falha, deformação plástica e deformação na direção da espessura do material. A geometria com melhor desempenho, modelo SNG3, necessitou de menos pressão para atingir o diâmetro final desejado, com deformações dentro de um limite seguro. O modelo SNG3 também apresentou os menores valores de deformação plástica efetiva e variação da espessura relativa na região de tração e compressão durante todo o processo. Esta geometria exibiu um desempenho geral seguro, com resultados que mostram o potencial de sua utilização futura em tratamentos de doenças arteriais coronarianas