Ischemic heart disease is the result of reduced blood flow through thrombotic atherosclerotic coronary arteries. This disease is the leading cause of mortality in the world.
Today, the two most frequent procedures for patients, which do not reply appropriately to pharmacologic therapy, are percutaneous transluminal coronary angioplasty (PTCA) and coronary artery bypass grafting (CABG). The frequent failing of long-term efficacy of these techniques and the physical stress for the patient associated with major coronary surgery have encouraged the research on new technologies, including polymer stents and new ways for an efficient implantation.
The demand to understand and limit the most common mode of stenting failure - chronic restenosis - must include an understanding of the mechanical basis of arterial injury. Due to this problem, FEM simulations with ANSYS were made. Different levels of radial pressure were set upon a model of an artery with symmetric plaque and a polymer stent in the middle of the existing vessel. The aim was to gain better information about the mechanical situation in the vessel and the behavior of the stent during rising pressures caused by plaque. Symmetric debilitations with thin beams are the key facts for a successful usage of the polymer stents and a blood flow without turbulences.
Furthermore series of experiments were made on the shape-memory-effect of polymers. This effect plays a determining roll in the implantation of polymeric vascular implants. Varying different parameters leads to an improvement of the effect and to a better implantation. Regarding the outputs of the series, the shape-memory-effect has a lot of different parameters, which influence the effect in more or less important ways. Varying the number of material debilitations in the tested stents gave new insight on the effect. These debilitations should bring the samples to a more realistic shape.
Regarding the output of the series a successful programming of the temporary form could be realized and the reset to the original shape was almost completely possible. Debilitations are having influence on the memory effect due to the reduced alignment of molecules during the programming of the effect.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Stand der Technik
2.1 Stent Applikation und Stent Designs
2.1.1 Stent Applikation
2.1.2 Stent Herstellung: Ballonfaltung und Crimpen
2.1.3 Kategorisierung von Stents
2.2 Werkstoffe der Stents
2.2.1 Metalle und metallische Stents mit Polymerbeschichtungen
2.2.2 Kunststoffe
2.3 Shape Memory Effekt
2.3.1 Makromolekularer Zusammenhang
2.3.2 Programmierung des Shape Memory Effekts
2.4 Probleme der aktuellen Stentologie
3 Material und Methoden
3.1 Anforderungen an polymere Stents und geeignete Materialien
3.1.1 Anforderungen an Polymerstents
3.1.2 Kunststoffauswahl für thermoplastische Stents
3.2 Versuche zum Shape Memory Effekt
3.2.1 Ermittlung von Standardparametern
3.2.2 Konstruktion der Prüfapparatur
3.2.3 Versuchsbau des Probekörpers
3.2.4 Vorversuche
3.2.5 Versuchsdurchführung
3.3 FEM Simulation der arteriellen Belastung
3.3.1 Belastungssituation im Gefäß
3.3.2 Versuchsaufbau
3.3.3 Versuchsdurchführung
4 Ergebnisse
4.1 Resultate der FEM Simulation zur Belastung auf arterielles Gewebe
4.2 Ergebnisse der Optimierung des Stent Designs
4.3 Resultate der experimentellen Versuchsreihe
4.3.1 Einfluss der Temperatur auf die Rückstellung
4.3.2 Einfluss des Reckungsgrades auf die Durchmesseränderung
4.3.3 Einfluss von Schwächungen auf den Probekörper
4.3.4 Einfluss von uni- und biaxialen Schwächungen auf den Shape-Memory-Effekt
4.3.5 Einfluss der Schwächungen auf die dauerhaft plastische Verformung
4.3.6 Einfluss von Schwächungen auf das Spannungs-Dehnungs- Diagramm
5 Diskussion und Ausblick
5.1 Diskussion der Simulation
5.2 Diskussion der Versuchsreihen
6 Zusammenfassung
Zielsetzung & Themen
Die Arbeit untersucht den thermoplastischen Shape-Memory-Effekt bei Polymeren, um deren Eignung als vaskuläre Implantate (Stents) zu evaluieren. Ziel ist es, ein besseres Verständnis über die mechanische Belastungssituation in thrombotischen Arterien mittels FEM-Simulation zu gewinnen und experimentell zu erforschen, wie Materialschwächungen im Stent-Design den Formgedächtnis-Effekt beeinflussen, um eine problemfreie Implantation ohne mechanische Verletzungen der Gefäßwand zu ermöglichen.
- Untersuchung des Shape-Memory-Effekts (SME) bei thermoplastischen Polymeren.
- FEM-Simulation der mechanischen Belastungssituation in einer thrombotischen Arterie mittels ANSYS.
- Optimierung von Stent-Designs durch gezielte Materialschwächungen zur Verbesserung der Implantation.
- Experimentelle Bestimmung von Einflussfaktoren auf die Rückstellung und plastische Verformung.
Auszug aus dem Buch
3.3 FEM Simulation der arteriellen Belastung
Um die Auslegung von zukünftigen Stents aus Polymeren besser im Hinblick auf ihre mechanische und konstruktive Auslegung zu gestalten und die Kräfte in Stents besser zu verstehen, soll ein worst-case Szenario einer arteriellen Belastung im thrombotischen Bereich eines Gefäßes mit Hilfe der Software ANSYS WORKBENCH Version 14.5 (Ansys Inc., Canonsburg, PA, USA) simuliert werden. Das worst-case Szenario dient dazu, die maximalen Kräfte auf die thermoplastischen Stents zu ermitteln und damit die Stents durch das ermittelte Verformungsverhalten gegen den aufgebrachten radialen Druck im Hinblick auf Design und Stentdicke auszulegen.
Als Grundlage für die Simulation der Belastung wird sich an die Promotion von Michael Wind der TU Kaiserslautern [56] und die drei DIN Normen für die Kräfte von endovaskulären Prothesen DIN EN 12006-3 und Gefäßstents DIN EN ISO 25539-1/2 angelehnt [30-32].
Ein Metallstent muss bei und nach der Applikation mehreren unterschiedlichen Belastungsfällen standhalten. Im Falle von ballonexpandierenden Stents, welche dem polymeren Stent im Hinblick auf Implantation und Expansion am nächsten kommt, sind das die folgenden Belastungsfälle [59]. Auch bei den thermoplastischen Stents muss die Gefäßstütze via Ballonkatheter eingebracht werden und anstatt mit Druck mit einer temperierten Flüssigkeit expandiert werden. Auch eine Kombination aus Druck und Temperatur wäre für die optimale Expansion des Polymerstents denkbar. Das Crimpen hingegen kann durch thermoplastische Stents umgangen werden.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Diese Einleitung erläutert die Problematik der Arteriosklerose sowie die Grenzen derzeitiger Stent-Technologien und motiviert die Erforschung polymerer Stents unter Nutzung des Shape-Memory-Effekts.
2 Stand der Technik: Dieses Kapitel gibt einen Überblick über Stent-Applikationsmethoden, Stent-Designs, gebräuchliche Werkstoffe und die physikalischen Grundlagen des Shape-Memory-Effekts sowie dessen Programmierung.
3 Material und Methoden: Es werden die Anforderungen an Stents definiert, geeignete Kunststoffe ausgewählt, das Design der Versuchsapparatur für die Materialuntersuchung erläutert und die methodische Vorgehensweise bei der FEM-Simulation der arteriellen Belastung beschrieben.
4 Ergebnisse: Dieser Abschnitt präsentiert die Resultate der FEM-Simulationen hinsichtlich der Belastbarkeit des Gewebes sowie die experimentellen Daten aus den Versuchsreihen zum Einfluss von Temperatur, Reckungsgrad und Materialschwächungen auf den Shape-Memory-Effekt.
5 Diskussion und Ausblick: Hier werden die Ergebnisse der Simulation und der Versuchsreihen kritisch analysiert, auf die Realisierbarkeit thermoplastischer Stents eingegangen und weiterführende Forschungsaspekte diskutiert.
6 Zusammenfassung: Die Zusammenfassung bündelt die wesentlichen Erkenntnisse der Arbeit, angefangen bei der Stent-Technologie bis hin zur praktischen Anwendbarkeit der erforschten Parameter für zukünftige Implantate.
Schlüsselwörter
Shape Memory Effekt, Formgedächtnis, thermoplastischer Stent, PCTA, Thrombose, Stenose, Arterie, Stent Design, Stent Applikation, Stent Delivery System, Drug Eluting Stent, thermoplastisches Polyurethan, Hämokompatibilität, Herzkatheter, FEM Simulation.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in der Arbeit grundsätzlich?
Die Bachelorarbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Untersuchung von thermoplastischen Stents für vaskuläre Anwendungen, wobei ein besonderer Fokus auf der Nutzung des Shape-Memory-Effekts liegt.
Was sind die zentralen Themenfelder?
Die zentralen Themen umfassen die Stent-Technologie, Materialwissenschaften (insbesondere Polymere wie TPU und PE), Biomechanik und Simulationstechnik zur Belastungsanalyse von Gefäßimplantaten.
Was ist das primäre Ziel der Arbeit?
Das primäre Ziel ist die Erforschung, wie Stents aus Polymeren durch den Shape-Memory-Effekt implantiert werden können und wie Materialoptimierungen (Schwächungen) die mechanische Integrität und die therapeutische Wirksamkeit im Körper verbessern können.
Welche wissenschaftliche Methode wird verwendet?
Die Arbeit kombiniert eine Literaturrecherche zum Stand der Technik mit einer Finite-Elemente-Methode (FEM)-Simulation (via ANSYS) und einer experimentellen Versuchsreihe zur Charakterisierung der Formgedächtnis-Eigenschaften von Probekörpern.
Was wird im Hauptteil behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in die methodische Beschreibung (Anforderungen, Kunststoffauswahl, Versuchsaufbau) und die detaillierte Präsentation und Diskussion der Ergebnisse aus Simulation und experimentellen Materialprüfungen.
Welche Schlüsselwörter charakterisieren die Arbeit?
Wichtige Begriffe sind Shape Memory Effekt, Stent Design, Hämokompatibilität, thermoplastisches Polyurethan (TPU) und FEM-Simulation.
Warum wird Polyethylen (LD-PE) für die Versuche verwendet?
Das LD-PE dient als kostengünstiges und einfach zu verarbeitendes Modellmaterial, um grundlegende Zusammenhänge des Shape-Memory-Effekts und den Einfluss von Materialschwächungen zu untersuchen.
Welche Rolle spielen die "Schwächungen" im Stent-Design?
Die Schwächungen (Aussparungen) dienen dazu, das Material flexibler zu gestalten, um die Implantation zu erleichtern, den Blutfluss zu verbessern und eine ungleichmäßige Belastung des Gefäßes zu minimieren.
- Quote paper
- Felix Briza (Author), 2014, Untersuchungen des thermoplastischen Shape-Memory-Effekts für die vaskuläre Anwendung, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/273683
