Stents bioabsorvíveis para tratamento de coarctação da aorta em crianças: simulação numérica utilizando elementos finitos

Abstract

Stents vêm sendo utilizados para o tratamento de Coarctação da Aorta (CoA), que é uma estricção da artéria, impedindo parcialmente a passagem do sangue. Sua correção é geralmente feita através de cirurgia ou com a utilização de stents metálicos, os quais se tornam um problema em crianças, pois, devido ao seu crescimento, novas cirurgias ou novas dilatações do stent se fazem necessárias. Novas cirurgias trazem novos riscos à criança e a dilatação do stent só é possível até um determinado diâmetro. Assim, a utilização de stents bioabsorvíveis surge como uma possibilidade para o tratamento de CoA, visto que estes dispositivos permanecem temporariamente no corpo do paciente e depois são degradados. Por se tratar de materiais geralmente poliméricos com baixa rigidez, baixo módulo de elasticidade, e da artéria aorta com grande diâmetro, a simulação numérica e computacional através de elementos finitos envolve grandes deformações e alto grau de não-linearidade, o que torna a simulação bastante complexa. Esta pesquisa teve como objetivo desenvolver um modelo em elementos finitos para avaliar a performance de três geometrias propostas pela Fundação Adib Jatene, associada ao Instituto Dante Pazzanese de Cardiologia utilizando-se um material bioabsorvível polimérico, PLLA (PLLA: Poly-L-Lactide Acid). Foram desenvolvidos ao todo cinco modelos principais em elementos finitos e foi apresentado um método inovador para validar as simulações realizadas, através de testes customizados de ensaio de tração. Pôde-se constatar que o encurtamento, foreshortening, das geometrias dos stents apresentaram resultados muito promissores, abaixo de 3%, enquanto o recuo elástico, recoil, apresentou resultados elevados. Apesar disso, verificou-se que o recoil diminui a medida em que o diâmetro máximo alcançado pelo stent aumenta. Foi realizado a simulação do ensaio de dobramento em três pontos para as geometrias finais e verificou-se que as diferentes geometrias obtiveram curvas força versus deflexão diferentes. Também foi verificado que o processo de crimpagem possui pouca influência no padrão de distribuição de tensões no stent e na aorta. No trabalho foram avaliados dois modelos hiperelásticos da aorta disponíveis na literatura, um modelo de Mooney-Rivlin e outro de Yeoh. Foi visto que os dois modelos apresentaram rigidezes diferentes, que influenciaram a performance do stent em termos de recoil. Por fim, conclui-se que o método de elementos finitos é uma ferramenta poderosa para avaliar virtualmente as geometrias propostas do stent, poupando tempo e recursos.

Stents have been used to treat Coarctation of the Aorta (CoA), which is a narrowing of the artery, partially blocking the passage of blood. Its correction is usually done through surgery or with the use of met allic stents, which become a problem in children, because, due to their growth, new surgeries or new stent dilatations are necessary. New surgeries bring new risks to the child and stent dilation is only possible up to a certain diameter. Thus, the use of bioabsorbable stents appears as a possibility for the treatment of CoA, since these devices temporarily remain in the patient's body and then are degraded. As these are generally polymeric materials with low rigidity, low modulus of elasticity, and the aorta artery with a large diameter, numerical and computational simulation through finite elements involves large deformations and a high degree of non-linearity, which makes the simulation very complex. This research aimed to develop a model using finite element method to evaluate the performance of three geometries proposed by the Adib Jatene Foundation, associated with the Dante Pazzanese Institute of Cardiology, using a polymeric bioabsorbable material, PLLA (PLLA: Poly-L-Lactide Acid). A total of five main finite element models were developed and an innovative method was presented to validate the simulations carried out, through customized tensile tests. It was possible to verify that the foreshortening of the stent geometries presented very promising results, below 3%, while the elastic recoil presented high results. Despite this, it was found that the recoil decreases as the maximum diameter reached by the stent increases. A simulation of the three-point bending test was carried out for the final geometries and it was verified that the different geometries obtained different force versus deflection curves. It was also verified that the crimping process has little influence on the pattern of stress distribution in the stent and aorta. In the work, two hyperelastic models of the aorta available in the literature were evaluated, one by Mooney-Rivlin and another by Yeoh. It was seen that the two models had different stiffness, which influenced the performance of the stent in terms of recoil. Finally, it is concluded that the finite element method is a powerful tool to virtually evaluate the proposed stent geometries, saving time and resources.