3D-printed polymeric bioresorbable stents for cardiovascular applications

Abstract

(English) Bioresorbable stents (BRS) have been envisioned as a revolution in the treatment of coronary heart disease. Ideally, stents would initially retain sufficient radial strength after implantation to prevent vessel recoil while degrading and ultimately being resorbed, thus leaving the vessel with a healthy endothelium. Still, the main challenge of BRS lies in simultaneously providing enough mechanical support to prevent recoil in the first months while controlling the degradation rate, minimizing strut thickness and improving BRS hemocompatibility and tissue integration. The main aim of the present PhD Thesis is the design and development of tunable novel polymeric bioresorbable stents manufactured by means of solvent-cast direct-writing (SC-DW) with reinforced mechanical properties, suitable degradation timeframe, drug release capability and enhanced biointegration. First, a novel versatile additive manufacturing fabrication strategy for BRS production by using polymeric inks and SC-DW onto a rotating cylinder is presented. Initially, poly-L-lactic acid (PLLA) was used to manufacture and characterize a variety of designs with different mesh patterns. In a second step, poly(L-lactic-co-caprolactone) (PLCL) was introduced, and inks were further modified with the addition of iodine, triiodobenzoic acid (TIBA) and barium sulfate (BaSO4) in order to produce radiopaque BRS. Microcomputed tomography was used to assess stents' radiopacity, showing that TIBA and BaSO4-containing stents presented high X-Ray attenuation values, maintained over 3 months incubation time. With the aim to gain further insight into PLLA and PLCL stents degradation, a complete study was performed by comparing chemical vs thermal accelerated degradation assays. The results showed that under alkaline conditions, stents underwent surface erosion, whereas stents immersed at 50 ºC experienced bulk degradation. Molecular weight decrease was accurately described by the autocatalyzed kinetic model, with PLCL showing a degradation rate 1.5 times higher than PLLA. Regarding sterilization, whereas EtO-sterilized stents remained structurally unaltered, ¿-irradiated stents presented severe deterioration as a result of extensive chain scission. In the following, a combination of SC-DW and electrospinning (ES) was proposed as a new approach to generate everolimus-eluting BRS for cardiovascular applications. A Design of Experiment was conducted to determine the parameters necessary for optimal homogeneous coating with high specific surface. Drug loading was achieved either encapsulated in the struts of the stent or in an electrospun PLCL membrane covering the stent. When encapsulated, everolimus release was found to be insufficient, whereas release from PLCL-coated 3D-printed stents would match the dose and timeframe required for in vivo applications. Finally, functionalization of 3D-printed PLLA and PLCL BRS with endothelial cell (EC) adhesive peptides was explored. Solid phase peptide synthesis was used to synthesize linear RGDS and YIGSR sequences, as well as a dual peptidic platform (PF) containing both motifs in a single biomolecule. Endothelial cell adhesion assays evidenced significantly increased cell number and spreading onto functionalized films with respect to control samples. Stents' hemocompatibility was evaluated upon a blood perfusion assay, with PLCL showing pronouncedly diminished platelet adhesion with reference to PLLA. In addition, functionalization with RGDS, YIGSR and the PF rendered BRS stents displaying even further reduced platelet adhesion.

(Català) Els stents bioabsorbibles (BRS) s'han plantejat com una revolució en el tractament de la malaltia de les artèries coronàries. Idealment, els stents conservarien inicialment la força radial després de la implantació per evitar el retrocés del vas sanguini mentre es degraden i finalment es reabsorbeixen, deixant així l'artèria amb un endoteli sa. Tot i així, el principal repte dels BRS rau a proporcionar prou suport mecànic per evitar el retrocés durant els primers mesos, alhora que es minimitza el gruix de filament per millorar-ne l'hemocompatibilitat i la integració en el teixit. L'objectiu principal de la present tesi doctoral és el disseny i desenvolupament d'stents bioabsorbibles polimèrics fabricats mitjançant escriptura directa amb dissolvent (SC-DW) amb propietats mecàniques reforçades, període de degradació adequat i biointegració millorada. En primer lloc, es presenta una nova estratègia versàtil de fabricació additiva per a la producció de BRS mitjançant l'ús de tintes polimèriques i SC-DW en un cilindre giratori. Inicialment, l'àcid poli-L-làctic (PLLA) s'ha utilitzat per fabricar i caracteritzar una varietat de dissenys amb diferents patrons de malla. En un segon pas, s'ha introduït el copolímer poli(L-làctic-co-caprolactona) (PLCL) i s'han modificat les tintes amb l'addició de iode, àcid triiodobenzoic (TIBA) i sulfat de bari (BaSO4) per tal de produir BRS radioopacs. S'ha utilitzat la microtomografia computada per avaluar la radiopacitat dels stents, mostrant que els stents que contenien TIBA i BaSO4 presenten valors alts d'atenuació de raigs X, mantinguts durant 3 mesos de temps d'incubació. Amb l'objectiu d'obtenir més informació sobre la degradació dels stents de PLLA i PLCL, s'ha realitzat un estudi complet tot comparant assaigs de degradació accelerada química i tèrmica. Els resultats han mostrat que en condicions alcalines els stents van patir erosió superficial, mentre que els stents immersos a 50 ºC van experimentar una degradació en massa. La disminució del pes molecular ha estat descrita amb precisió pel model cinètic autocatalitzat, amb el copolímer PLCL mostrant una taxa de degradació 1,5 vegades superior a la del PLLA. Pel que fa a l’esterilització, els stents esterilitzats amb EtO no han presentat canvis estructurals, els stents irradiats amb raigs ¿ han sofert un greu deteriorament com a resultat d'escissió de la cadena generalitzada. A continuació, es proposa una combinació de SC-DW i electrofilat (ES) com a nou enfocament per generar BRS amb everolimus per a aplicacions cardiovasculars. La càrrega de fàrmacs s'ha aconseguit o bé encapsulada en els filaments de l'stent o en una membrana electrofilada de PLCL que recobreix l'stent. En el cas encapsulat, s'ha trobat que l'alliberament d'everolimus és insuficient, mentre que l'alliberament dels stents impresos en 3D recoberts de PLCL coincidiria amb la dosi i el període de temps necessaris per a aplicacions in vivo. Finalment, s'ha explorat la funcionalització d'stents de PLLA i PLCL impresos en 3D amb pèptids adhesius de cèl·lules endotelials (ECs). La síntesi de pèptids en fase sòlida s'ha utilitzat per sintetitzar les seqüències lineals RGDS i YIGSR, així com una plataforma peptídica dual que conté tots dos motius en una sola biomolècula. Els assajos d'adhesió de cèl·lules endotelials han evidenciat un augment significatiu del nombre i extensió de cèl·lules en mostres funcionalitzades. L'hemocompatibilitat dels stents s'ha avaluat mitjançant un assaig de perfusió de sang, obtenint una disminució marcada en termes d'adhesió plaquetària en stents de PLCL respecte als de PLLA, i encara més en estar funcionalitzats.