Fibrous braided stents with antibacterial properties

Abstract

Nowadays, cardiovascular diseases are reported as a major cause of death and disability in developed countries. Therefore, stents have emerged as a solution to overcome this problem. However, common commercialize stents, are metallic, which present several disadvantages as corrosion, higher risk of restenosis and infection. In order to minimize the disadvantages associated with these stents, new materials, like fibrous materials, have begun to be used as well as surface modifications of biomaterials begun to be applied, in order to avoid those drawbacks, especially infection. Therefore, the main objective of this work was the development of a fibrous stent, able to compete with the mechanical properties of the commercial ones, with the advantaged of being coated with an antibacterial agent, able to avoid infections. For this purpose, braided stents were produced by varying materials, structural and process parameters, such as monofilament type and diameter, braiding angle and mandrel diameter. The influence of these design parameters on mechanical behavior, as well as stent's porosity, was thoroughly investigated, and suitable parameters were selected for developing a stent with mechanical characteristics and porosity matching with the commercial stents. According to the experimental results, suitable performance was achieved with a polyester stent designed with: monofilament diameter of 270 µm, braiding angle of 35°; and mandrel diameter of 6 mm, providing similar properties to commercial Nitinol stents (porosity above 70%, unchanged diameter during bending tests above 75%, force for longitudinal compression between [0.16-5.28] N and force for radial compression between [1.13-2.90] N). After the stent’s development, silver and silver oxide thin films were deposited by non-reactive and reactive pulsed dc magnetron sputtering. The coatings were characterized chemical, physical and structurally. This first approach in stent’s functionalization revealed that silver thin film formed a continuous layer, while silver oxide layer was composed of islands with hundreds of nanometers surrounded by small nanoparticles with tens of nanometers. In order to verify the antibacterial behavior of the coatings, halo inhibition zone tests were realized for Staphylococcus epidermidis and Staphylococcus aureus. Silver coatings did not show antibacterial behavior, contrarily to silver oxide coatings, which presented antibacterial properties against the studied bacteria. The presence of silver oxide phase along with the development of different morphology were pointed as the main factors in the origin of the antibacterial effect found in silver oxide thin film. With the purpose of understand the influence of oxygen species in the physical, chemical and structural properties of thin films new silver and silver oxide thin films were deposited, by nonreactive and reactive pulsed dc magnetron sputtering, with the variation of oxygen content. The resulted coatings revealed that silver coating forms a continuous layer. The incorporation of oxygen leads to the formation of a mixture of Ag2O + AgO phases. However, with the increase of the oxygen fraction, the mixture of oxides disappear and the resultant thin film became only AgO. Cytotoxicity tests were performed, demonstrating that in the silver oxide coating no cytotoxicity was found, making this coating able to be used in stents applications. The antibacterial behavior of coatings was, quantitatively, tested against Staphylococcus epidermis, showing that AgxO unlike Ag coating presented antibacterial behavior. The presence of silver oxide is the main reason for the antibacterial effect, probably due to the increased production of reactive oxygen species (ROS). Finally, and in order to evaluate the coating’s behavior when subjected to mechanical forces, coated silver and silver oxide stents were, again, mechanically tested, and no loss of adhesion or delamination were observed, indicating that coatings will support, adequately, the mechanical forces and the dangerous of delivering parts of coating in blood current will not occur. In conclusion, fibrous stents coated with silver oxide, present a good mechanical behavior, when compared with nitinol commercial stents, possess antibacterial properties and are no cytotoxic, which made this stent a promising candidate as a biomaterial and a viable substitute to metallic stents.

Atualmente, as doenças cardiovasculares são consideradas a principal causa de morte e incapacidade nos países desenvolvidos. Os stents surgiram como uma solução para este problema, contudo, os que se encontram no mercado são metálicos, pelo que apresentam várias desvantagens como: corrosão, maior risco de reestenose e infeção. A fim de minimizar as desvantagens associadas a estes stents, novos materiais, como materiais fibrosos, começaram a ser utilizados, assim como, a modificação da superfície dos biomateriais, de forma a evitar a infeção. Consequentemente, o principal objetivo deste trabalho foi o desenvolvimento de um stent fibroso, capaz de competir com as propriedades mecânicas dos stents comerciais, com a vantagem de ser revestido com um agente antibacteriano, evitando, deste modo, a possibilidade de infeção. Para este efeito, foram produzidos diferentes stents entrançados, através da variação dos materiais, parâmetros estruturais e de processo, tais como: o tipo de monofilamento e o seu diâmetro, ângulo de entrançamento e diâmetro do mandril. A influência destes parâmetros no comportamento mecânico, bem como a porosidade dos stents foram estudadas detalhadamente. Para o desenvolvimento do stent foram selecionados os parâmetros adequados com o objetivo de obter caraterísticas mecânicas e porosidade compatíveis com os stents comerciais. De acordo com os resultados experimentais, a melhor performance foi obtida com um stent de poliéster com diâmetro de monofilamento de 270 µm, ângulo de entrançamento de 35° e o diâmetro do mandril de 6 mm, proporcionando propriedades semelhantes ao stents comerciais de nitinol (porosidade acima de70%, diâmetro inalterado durante os testes de dobragem acima de 75%, força de compressão longitudinal compreendida entre [0.16-5.28] N e força de compressão radial compreendida entre [1.13-2.90] N). Após a produção do stent, foram depositados filmes finos de prata e óxidos de prata, através da pulverização catódica pulsada em magnetrão, em regime não-reativo e reativo. Os revestimentos foram caracterizados química, física e estruturalmente. Esta primeira abordagem na funcionalização do stent revelou que o revestimento de prata formou um filme contínuo, enquanto o filme de óxido de prata era composto de ilhas, com centenas de nanómetros rodeadas por nanopartículas com dezenas de nanómetros. A fim de verificar o comportamento antibacteriano dos revestimentos, foram realizados testes de halo para Staphylococcus epidermidis e Staphylococcus aureus. Como resultado, o revestimento de prata não apresentou comportamento antibacteriano, ao contrário do revestimento de óxido de prata, que apresentou propriedades antibacterianas contra as bactérias estudadas. A presença da fase de óxido de prata juntamente com o desenvolvimento de morfologias diferentes foram apontados como os principais fatores na origem do efeito antibacteriano encontrado no revestimento de óxido de prata. Com o propósito de compreender a influência das espécies de oxigênio nas propriedades físicas, químicas e estruturais dos filmes finos, foram depositados novos revestimentos de prata e óxido de prata, por pulverização catódica em magnetrão, em regime não-reativo e reativo, com variação do teor de oxigénio. Os revestimentos resultantes revelaram que os revestimentos de prata formaram uma camada contínua. A incorporação do oxigénio levou à formação de uma mistura de fases de Ag2O + AgO. Contudo, com o aumento da fração de oxigénio, a mistura de óxidos desapareceu e os filmes finos resultantes apresentaram apenas a fase de AgO. Foram realizados ensaios de citotoxicidade, demonstrando que o revestimento de óxido de prata escolhido não é tóxico, tornando-o adequado para ser aplicado em stents. O comportamento antibacteriano dos revestimentos foi, quantitativamente, testado contra Staphylococcus epidermis, revelando que os revestimentos de AgxO, ao contrário dos revestimentos de Ag, apresentam um comportamento antibacteriano. A presença do óxido de prata é um dos principais fatores para o efeito antibacteriano, provavelmente, devido ao aumento da produção de espécies reativas de oxigénio (ROS). Finalmente, e de modo a avaliar o comportamento do revestimento quando submetido a forças mecânicas, os stents revestidos com prata e óxido de prata foram, novamente, testados mecanicamente, e não se observou perda de adesão ou a delaminação do filme. Estes resultados indicam que os revestimentos conseguem suportar, de forma adequada, as forças mecânicas e que não haverá risco de perda de revestimento para a corrente sanguínea. Em conclusão, os stents fibrosos revestidos com óxido de prata, apresentam um bom comportamento mecânico, quando comparado com os stents comerciais de nitinol, além de apresentarem propriedades antibacterianas e não serem citotóxicos, o que torna este stent um candidato promissor como substituto para os stents metálicos atuais.