המצאה של קטני קליבר סטנט-שתל שימוש Electrospinning ו בלון להרחבת Bare Metal סטנטים
Summary
In the protocol, we present a method to manufacture a small caliber stent-graft by sandwiching a balloon expandable stent between two electrospun nanofibrous polyurethane layers.
Abstract
Stent-grafts are widely used for the treatment of various conditions such as aortic lesions, aneurysms, emboli due to coronary intervention procedures and perforations in vasculature. Such stent-grafts are manufactured by covering a stent with a polymer membrane. An ideal stent-graft should have a biocompatible stent covered by a porous, thromboresistant, and biocompatible polymer membrane which mimics the extracellular matrix thereby promoting injury site healing. The goal of this protocol is to manufacture a small caliber stent-graft by encapsulating a balloon expandable stent within two layers of electrospun polyurethane nanofibers. Electrospinning of polyurethane has been shown to assist in healing by mimicking native extracellular matrix, thereby promoting endothelialization. Electrospinning polyurethane nanofibers on a slowly rotating mandrel enabled us to precisely control the thickness of the nanofibrous membrane, which is essential to achieve a small caliber balloon expandable stent-graft. Mechanical validation by crimping and expansion of the stent-graft has shown that the nanofibrous polyurethane membrane is sufficiently flexible to crimp and expand while staying patent without showing any signs of tearing or delamination. Furthermore, stent-grafts fabricated using the methods described here are capable of being implanted using a coronary intervention procedure using standard size guide catheters.
Introduction
נהלי התערבות כלילית לגרום לפגיעה בדפנות כלי דם משמעותית עקב שיבוש קיר רובד כלי. התוצאה restenosis, תסחיף היקפי שתלי וריד, וחוסר ההמשכיות של לומן כלילית 1-4. כדי למנוע סיבוכים אלה, אסטרטגיה מבטיחה תהיה לכסות את פני השטח של כלי הדם באתר אנגיופלסטיקה, אשר יהיה פוטנציאל לעכב restenosis, להקטין סיכונים מן הרציפות של לומן כלי, ולמנוע תסחיף היקפי. מחקרים קודמים לעומת סטנטים מתכת חשופים כדי סטנט-שתלי עם תוצאות חיוביות-שתל סטנט 5. החוקרים השתמשו כמה חומרים כדי לייצר ממברנות לכיסוי סטנטים. זה כולל חומרים סינטטיים כמו פוליאתילן tetraphthalate (PET), polytetrafluoroethylene (PTFE), פוליאוריטן (PU), סיליקון או רקמות כלים עצמיות לייצור סטנטים מכוסים 6-9. חומר שתל אידיאלי לכיסוי סטנט צריך להיות thromboresistant, הלא biodegradable, וצריך לשלב עם רקמה מקורית ללא התפשטות מוגזמת ודלקת 10. חומר השתל המשמש לכיסוי סטנט צריך גם לקדם את הריפוי של השתל-סטנט.
-שתל סטנט נמצא בשימוש נרחב לטיפול לקוארקטציה אב עורקים, מפרצות מדומה של עורק התרדמה, fistulae arteriovenous, הידרדר וריד שתלי, וגדול מפרצת מוחית ענקית. אבל את הפיתוח של שתלי סטנט קליבר קטנים הוא מוגבל על ידי היכולת לשמור על פרופיל נמוך וגמישות, אשר מסייע בפריסה של שתלי-סטנט 11-14. פו הוא פולימר אלסטומרי עם חוזק מכאני טוב שהנו תכונה רצויה להשגה על פרופיל נמוך וגמישות טובה 15,16. בנוסף בעל עבירות טובות, סטנט-שתלי צריך גם לקדם ריפוי endothelialization מהירים. PU מכוסה סטנט-שתלים הוכיחו biocompatibility הטוב ומשופרי endothelialization 17. יש חוקריםבעבר ניסה endothelialize PU מכוסה שתלי סטנט ידי זריעת אותם עם תאי אנדותל 17. Electrospinning של פו ליצור מטריצת nanofiber הוכח להיות טכניקה יקרה לייצור כלי דם שתלי 18,19. קיומו של nanofibers המחקה את הארכיטקטורה של מטריקס יליד ידוע גם כדי לקדם את התפשטות תאי אנדותל 20,21. Electrospinning גם מאפשר שליטה על עובי החומר 22. שתל כלי דם קליבר קטן עשויים PU נחקר לקדם ריפוי באמצעות שינויים כגון ציפוי פני שטח, קרישת דם, ואת מדכא את התפשטות תאים. כל השינויים הללו נועדו לתווך קבלת מארח ולקדם ריפוי שתל 23.
הקבוצה שלנו פיתחה סטנט מתכת חשופה בלון להרחבה אשר ניתן לפרוס במודלים של בעלי חיים 24-26. השילוב של רשת פוליאוריטן electrospun וכדורoon סטנט להרחבה אפשר לנו ליצור סטנט-שתלי להרחבת בלון קליבר הקטן. רוב סטנט-שהתלי הזמין כרגע הציגו דרך עורק הירך בעת ביצוע הליך התערבותית, אך רק מעטי סטנטים מסחריים מכוסים ניתן הציגו 1 גודל צרפתי גדול יותר מזו הנדרשת בלון בלתי מנופח 27. במחקר זה פיתחנו סטנט-שתל וסקולרית קטן קליבר ידי encapsulating סטנט בלון להרחבה בין שתי שכבות של פו electrospun אשר ניתן יהיה להעביר את עורק כלילי באמצעות קטטר מדריך לצרפתית רגילה 8-9 בהליך התערבותית מלעורית.
Protocol
Representative Results
Discussion
We have developed a fabrication technique for a small caliber stent-graft which can be deployed using a standard percutaneous coronary intervention (PCI) procedure. Stent-grafts currently available are limited in their ability to maintain a low profile and flexibility for deployment. Bare metal stents developed by our group in our previous studies have proven to assist in rapid healing of the stented artery24,26. Various polymers have been electrospun by other groups and polyurethane has been proven biostable …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We would like to thank the Division of Engineering, Mayo Clinic for their technical support. This study was financially supported by European Regional Development Fund – FNUSA-ICRC (No. CZ.1.05/1.100/02.0123), National Institutes of Health (T32 HL007111), American Heart Association Scientist Development Grant (AHA #06-35185N), and The Grainger Innovation Fund – Grainger Foundation.
Materials
| Glass syringe | Air Tite | 7.140-33 | Syringe for spinneret |
| Graduated cylinder 5 mL | Fisher Scientific | 08-552-4G | 5 mL pyrex graduated cylinder about 9mm diameter and 11 cm long |
| High voltage generator | Bertan Accociates, Inc. | 205A-30P | Used to apply voltage difference across spinneret and collector |
| Laboratory mixer with rpm control | Scilogex | SCI-84010201 | Available from various laboratory equipment suppliers |
| Polyurethane | DSM | BioSpan SPU | Biospan Segmented Polyurethane |
| Rubber sheet | McMaster Carr | 1370N11 | Used to insulate syringe during electrospinning |
| Stainless steel mandrel | N/A | N/A | Manufactured |
| Stainless steel needle | Hamilton | 91018 | Used as spinneret in electrospinning |
| Support material | EnvisionTec | B04-HT-DEMOMAT | Biocompatible water soluble material |
| Syringe Pump | Harvard Apparatus | 55-3333 |
Referências
- Elsner, M., et al. Coronary stent grafts covered by a polytetrafluoroethylene membrane. Am. J. Cardiol. 84 (3), 335-338 (1999).
- Störger, H., Haase, J. Polytetrafluoroethylene-Covered Stents: Indications, Advantages, and Limitations. J. Interv. Cardiol. 12 (6), 451-456 (1999).
- Moreno, P. R., et al. Macrophage infiltration predicts restenosis after coronary intervention in patients with unstable angina. Circulation. 94 (12), 3098-3102 (1996).
- Briguori, C., Sarais, C., Colombo, A. The polytetrafluoroethylene-covered stent: a device with multiple potential advantages. Int. J. Cardiovasc. Interv. 4 (3), 145-149 (2001).
- Qureshi, M. A., Martin, Z., Greenberg, R. K. Endovascular management of patients with Takayasu arteritis: stents versus stent grafts. Semin. Vasc. Surg. 24 (1), 44-52 (2011).
- Ahmadi, R., Schillinger, M., Maca, T., Minar, E. Femoropopliteal arteries: immediate and long-term results with a Dacron-covered stent-graft. Radiology. 223 (2), 345-350 (2002).
- Geremia, G., et al. Experimental arteriovenous fistulas: treatment with silicone-covered metallic stents. AJNR. Am. J. Neuroradiol. 18 (2), 271-277 (1997).
- Saatci, I., et al. Treatment of internal carotid artery aneurysms with a covered stent: experience in 24 patients with mid-term follow-up results. AJNR. Am. J. Neuroradiol. 25 (10), 1742-1749 (2004).
- Stefanadis, C., et al. Stents Wrapped in Autologous Vein: An Experimental Study1. J. Am. Coll. Cardiol. 28 (4), 1039-1046 (1996).
- Palmaz, J. C. Review of polymeric graft materials for endovascular applications. J. Vasc. Interv. Radiol. 9, 7-13 (1998).
- Bruckheimer, E., Dagan, T., Amir, G., Birk, E. Covered Cheatham-Platinum stents for serial dilation of severe native aortic coarctation. Catheter Cardiovasc. Interv. 74 (1), 117-123 (2009).
- Tzifa, A., et al. Covered Cheatham-platinum stents for aortic coarctation: early and intermediate-term results. J. Am. Coll. Cardiol. 47 (7), 1457-1463 (2006).
- Kuraishi, K., et al. Development of nanofiber-covered stents using electrospinning: in vitro and acute phase in vivo experiments. J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater. 88 (1), 230-239 (2009).
- Pant, S., Bressloff, N. W., Limbert, G. Geometry parameterization and multidisciplinary constrained optimization of coronary stents. Biomech. Model Mechanobiol. 11 (1-2), 61-82 (2012).
- Muller-Hulsbeck, S., et al. Experience on endothelial cell adhesion on vascular stents and stent-grafts: first in vitro results. Invest. Radiol. 37 (6), 314-320 (2002).
- Sarkar, S., Salacinski, H. J., Hamilton, G., Seifalian, A. M. The mechanical properties of infrainguinal vascular bypass grafts: their role in influencing patency. Eur. J. Vasc. Endovasc. Surg. 31 (6), 627-636 (2006).
- Shirota, T., Yasui, H., Shimokawa, H., Matsuda, T. Fabrication of endothelial progenitor cell (EPC)-seeded intravascular stent devices and in vitro endothelialization on hybrid vascular tissue. Biomaterials. 24 (13), 2295-2302 (2003).
- Grasl, C., et al. Electrospun polyurethane vascular grafts: in vitro mechanical behavior and endothelial adhesion molecule expression. J. Biomed. Mater. Res. A. 93 (2), 716-723 (2010).
- Kidoaki, S., Kwon, I. K., Matsuda, T. Structural features and mechanical properties of in situ-bonded meshes of segmented polyurethane electrospun from mixed solvents. J. Biomed. Mater. Res. Part B Appl. Biomater. 76 (1), 219-229 (2006).
- Stegemann, J. P., Kaszuba, S. N., Rowe, S. L. Review: advances in vascular tissue engineering using protein-based biomaterials. Tissue Eng. 13 (11), 2601-2613 (2007).
- Sankaran, K. K., Subramanian, A., Krishnan, U. M., Sethuraman, S. Nanoarchitecture of scaffolds and endothelial cells in engineering small diameter vascular grafts. Biotechnol. J. 10 (1), 96-108 (2015).
- Gibson, P., Schreuder-Gibson, H., Rivin, D. Transport properties of porous membranes based on electrospun nanofibers. Colloid Surf., A. 187, 469-481 (2001).
- Zdrahala, R. J. Small caliber vascular grafts. Part II: Polyurethanes revisited. J. Biomater. Appl. 11 (1), 37-61 (1996).
- Uthamaraj, S., et al. Design and validation of a novel ferromagnetic bare metal stent capable of capturing and retaining endothelial cells. Ann. Biomed. Eng. 42 (12), 2416-2424 (2014).
- Tefft, B. J., et al. Cell Labeling and Targeting with Superparamagnetic Iron Oxide Nanoparticles. J. Vis. Exp. (105), e53099 (2015).
- Uthamaraj, S., et al. Ferromagnetic Bare Metal Stent for Endothelial Cell Capture and Retention. J. Vis. Exp. (103), e53100 (2015).
- de Giovanni, J. V. Covered stents in the treatment of aortic coarctation. J. Interv. Cardiol. 14 (2), 187-190 (2001).
- Hans, F. J., et al. Treatment of wide-necked aneurysms with balloon-expandable polyurethane-covered stentgrafts: experience in an animal model. Acta. Neurochir. (Wien). 147 (8), 871-876 (2005).
- Hasan, A., et al. Electrospun scaffolds for tissue engineering of vascular grafts. Acta. Biomater. 10 (1), 11-25 (2014).
