Biomechanical optimization and design for manufacturing of magnesium alloy stents produced by ultrasonic-microcasting

Abstract

Coronary Heart Diseases are, nowadays, the major cause of death in the world, being associated with the blockage of the blood vessels by the deposition of fatty substances along the walls. Due to this fact, the treatment of such pathologies is an imperious question of global health and several studies and techniques are being developed to mitigate this problem. One of the most popular treatments is the deployment of a biomedical device, named stent, whose expansion inside the blood vessel promotes its reopening, restoring the normal blood flow. The aim of this work is the development and presentation of a finite element-based methodology for optimization of biodegradable stents built in Magnesium alloy, for manufacturing by ultrasonic-microcasting. The use of the aforementioned manufacturing process imposes a set of geometric constraints, most of all associated with the difficulty in obtaining thin-walled parts whose thickness is as low as the commonly used in stents manufacturing. In this scope, an optimization strategy based on the use of parameterized geometric models is drawn, which allows reaching a design that ensures the commitment between the required stent performance and the manufacturing process’ restrictions. The achievement of the stated aim was preceded by a review on the state-of-the-art, which allowed the identification of the window of opportunity that motivated the elaboration of the present work. Then, a methodology for both analysis and evaluation of biodegradable stents behavior during the expansion phase was defined, regarding performance metrics such as required expansion pressure, dogboning, foreshortening and recoil. In this stage, two different stent models were analysed and the influence of the geometry on its behavior and performance was confirmed. This conclusion promoted the development of an optimization process focused on stent’s shape. The defined optimization strategy allowed the re-design of two stent models, being achieved the minimization of the cost function, defined by the aforementioned metrics, respecting the limiting values of the manufacturing process and, therefore, making possible the fabrication of stents by the proposed technique.

As doenças coronárias são, atualmente, a principal causa de morte no mundo, estando associadas ao bloqueio dos vasos sanguíneos devido à deposição de substâncias lipídicas ao longo das suas paredes. Perante este facto, o tratamento destas patologias é uma questão premente de saúde global e diversos estudos e técnicas estão a ser desenvolvidos no sentido de mitigar este problema. Um dos tratamentos mais populares é a implantação de um dispositivo biomédico designado stent, cuja expansão no interior do vaso sanguíneo promove a sua reabertura e o restabelecimento do normal fluxo sanguíneo. O objetivo do presente trabalho é o desenvolvimento e apresentação de uma metodologia de otimização de stents biodegradáveis produzidos em liga de Magnésio para fabrico por microfundição assistida por ultrassom, com recurso ao método dos elementos finitos. A utilização deste processo de fabrico implica um conjunto de restrições geométricas, as quais se prendem, essencialmente, com a dificuldade de obtenção de estruturas de paredes finas de dimensão tão reduzida quanto a comummente utilizada na manufatura destes dispositivos. Neste sentido, é apresentado um procedimento de otimização baseado na parametrização dos modelos geométricos de stents, que permite alcançar uma geometria que assegura o compromisso entre o seu desempenho e as limitações associadas ao processo de fabrico. A concretização do objetivo exposto foi precedida pela elaboração de uma revisão do estado da arte, de modo a identificar a janela de oportunidade que motivou o desenvolvimento do presente trabalho. Posteriormente, uma metodologia de análise e avaliação do comportamento do stent durante a fase de expansão foi desenvolvida, permitindo obter informação relativamente a parâmetros de desempenho, tais como pressão de expansão requerida, dogboning, foreshortening e recoil. Nesta etapa, duas geometrias distintas de stents foram analisadas, tendo sido confirmada a influência da geometria do dispositivo no seu comportamento e, consequentemente, no seu desempenho. A conclusão retirada do referido estudo fomentou o desenvolvimento de um processo de otimização focado na geometria do stent. A estratégia de otimização definida permitiu o redimensionamento de dois modelos de stent, tendo sido cumprido o objetivo de minimização da função-custo definida pelos parâmetros de desempenho supracitados, respeitando os limites associados ao processo de manufatura, viabilizando, portanto, o seu fabrico através da técnica sugerida.