Pattantyús-Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola 

BME Gépészmérnöki Kar, Anyagtudomány és Technológia Tanszék

Témavezető: Dr. Dobránszky János

Sztentek mechanikai és korróziós károsodásának vizsgálata

A kutatási téma néhány soros bemutatása

Évente kb. 27 000 sztentet ültetnek be hazánkban, ez a szám pedig az elmúlt években folyamatosan emelkedő tendenciát mutatott. A koszorúérsztentek piacán többféle anyagminőségből készített és különböző bevonatokkal ellátott termékek találhatók, viszont a gyártók által végzett összehasonlításokon kívül kevés olyan forrás fellelhető, amely ezeket az eszközöket azok mechanikai és korróziós tönkrementeleit vizsgálva hasonlítja össze. A kutatásom célja az, hogy többféle módszerrel tanulmányozzam a sztentek és a sztenten található bevonat tágítás közbeni károsodásait, a bevonat hatását a korróziós tulajdonságokra, valamint az elhunytakból explantált mintákon a laborkörnyezeti méréseken túl, valós körülmények közötti károsodásokat. A sztentgyártás területén is megjelentek a műszaki területen egyre nagyobb teret hódító additív gyártási eljárások, így – a nemzetközi trendekhez igazodva – az eredetileg hagyományosan gyártott eszközökre fókuszáló kutatásomba bevontam az additívan gyártott eszközök vizsgálatát is.

A kutatóhely rövid bemutatása

A kutatásaimat elsődlegesen a BME Anyagtudomány és Technológia Tanszékén végzem. Az additívan gyártott sztentekkel kapcsolatos kutatásaimat DAAD-ösztöndíjprogram keretein belül a regensburgi Ostbayerische Technische Hochschulén végzem. A kutatómunka során szoros együttműködés alakult ki korróziós területen a Pécsi Tudományegyetem Általános és Fizikai Kémiai Tanszékének munkatársaival, valamint a kassai PROMATECH laboratóriummal is.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A szív- és érrendszeri megbetegedések vezető halálozási oknak számítanak hazánkban, viszont sem a megelőzés, sem a kezelés fontossága nem kap kellő hangsúlyt. Az Anyagtudomány és Technológia Tanszék húsz éves múltra visszatekintő orvostechnikai kutatásainak célja, hogy a jelenleg alkalmazott implantátumokat továbbfejlesszék, növelve azok hatékonyságát. A szív- és érrendszeri megbetegedéseken belül az érszűkület az egyik legveszélyesebb és leggyakrabban előforduló betegség, amely leghatékonyabban egy hálószerű fémes eszköz, ún. sztent beültetésével kezelhető. A műtét során a combnyaki vagy a csuklói artérián keresztül vezetődrót és ballonkatéter segítségével a szűkült érszakaszhoz juttatják a sztentet, ahol azt feltágítják. A sikeres implantációt követően a sztent a páciens élete végéig az érben marad, így kiemelkedően fontos annak tanulmányozása, hogy pontosan milyen igénybevételek is érik az implantátumot annak teljes élettartama alatt, és ezek milyen hatást gyakorolnak a sztent teljesítőképességére. Ilyen igénybevétel lehet a beültetési folyamat maga, az érmozgásból adódó mechanikai igénybevételek, valamint a vér okozta korrózió. A sztentekkel kapcsolatos kutatásaimat 2015-ben kezdtem explantált sztentek vizsgálatával, majd korróziós mérésekkel. Hallgatóként TDK keretében több kutatást is végeztem a témakörben, a doktori kutatásaim során pedig a korábbi eredményeimre és megfigyeléseimre alapozva mélyedtem el a károsodásvizsgálat témakörében.

 

 

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

A kutatómunka célja az, hogy valós képet adjon a sztentek és sztentbevonatok leromlási folyamatairól, a kutatási eredményekkel összehasonlíthatóvá váljanak a különböző anyagú és gyártási technológiával készített implantátumok. Az egyik legfontosabb tématerület a bevonatok hatásának vizsgálata, annak megválaszolása, hogy az implantátum életciklusa során mikor és milyen mértékű károsodást szenved a bevonat, és ez hogyan befolyásolja a korrózióval szembeni ellenállást. Korábbi kutatásaimban is megfigyeltem már, hogy a bevonat leválik a fém felületéről, így a jelenlegi célkitűzéseim között szerepel annak megválaszolása, hogy miként lehetne javítani a bevonat tapadását. A sztentek a legintenzívebb igénybevételnek a pozícionálás és a feltágítás közben vannak kitéve, ezért a kutatásaim célja annak megismerése, hogy a tágítási nyomás növelése hogyan befolyásolja a sztentek funkcionális tulajdonságait. A tágításnál néha olyan speciális eset is fennáll, hogy egy korábban már betágított sztentbe tágítanak bele egy másik sztentet, ami további kérdéseket vet fel azzal kapcsolatosan, hogy a két sztent mennyire koptatja egymást, és korróziós szempontból is milyen folyamatok játszódnak le az esetenként két különböző ötvözet között. A kutatás nem hagyhatja figyelmen kívül a fémek mellett a műanyag sztenteket sem, mivel a lebomló implantátumokra egyre nagyobb igény van, és a tudomány jelenlegi állása szerint a PLLA-alapanyagú sztentek felelnek meg a leginkább erre a célra.

Módszerek

Az in vivo károsodott sztentek sérüléseit pásztázó elektronmikroszkóppal (SEM) vizsgálom, az anyagösszetétel változását pedig energiadiszperzív röntgenspektrometriával (EDS) elemzem. A sztent alapanyagából és mintázatából megállapítható, hogy melyik gyártó termékét ültették be a páciensbe, így a katalógusadatokkal összevetve a mérési eredményeimet, választ kaphatok arra, hogy az allergén fémek (nikkel, króm) közül oldódott-e ki valamelyik jelentősen a környező szövetekbe.

Az in vitro, azaz laboratóriumi vizsgálatokhoz az egyes kutatási céloknak megfelelő vizsgálati módszereket dolgozok ki. A tágítás hatására bekövetkező károsodásokat sztereomikroszkóppal és SEM-mel vizsgálom. A tágítás folyamatát olyan érmodellben végzem el, amely a fiziológiás viszonyokat megfelelően adja vissza, ugyanis számos in vitro kutatás során a levegőben vagy folyadékban tágítják fel a sztentet, viszont ilyenkor mellőzik az érfal hatását, ami véleményem szerint nem elhanyagolható. A különböző nyomásértékkel feltágított sztenteken megfigyelem a bevonatkárosodás mértékét, a radiális visszarugózás, a tágulási rövidülés, a radiális terhelhetőség és több más funkcionális tulajdonság változását. A bevonat vizsgálatát egy korábbi kutatásom során fejlesztett befogó- és forgatóberendezéssel, pásztázó elektronmikroszkóppal tudom elvégezni. Az Anyagtudomány és Technológia Tanszéken található Zeiss EVO MA 10 típusú berendezés képes ún. kisvákuumú üzemmódban dolgozni, ami lehetővé teszi műanyag minták vizsgálatát oly módon, hogy azok nem töltődnek. Visszaszórtelektron-detektálási üzemmódban, a rendszámkontrasztos képet képelemző szoftverrel elemezve, számszerűsíthető értéket kaphatunk a bevonatkárosodás mértékéről.

A bevonattapadás javítására már korábban is végeztem kutatásokat, a jövőbeli kutatásomban viszont kibővíteném az eddig alkalmazott felületkezelési eljárásokat, valamint a bevonat előállítására a hagyományos bemerítéses technikán túl az elektromos szálképzési (angolul: electrospinning) eljárást is vizsgálnám.

Az egymásba tágított sztenteken végzett fárasztóvizsgálattal megfigyelhető, hogy az egymáshoz érintkező sztentbordák hogyan koptatják egymást, és foszfát pufferoldatban vagy egyéb, a fiziológiáshoz hasonló oldatban áztatva a korróziós hatás is megfigyelhető.

Additívan gyártott, PLLA-alapanyagú, sztent jellegű struktúrákon, szimulált testnedvfolyadékban való áztatással a lebomlási folyamat összetett vizsgálatát valósítom meg. A mintákon nemcsak a degradációs folyamatot figyelem meg, hanem azt is vizsgálom, hogy az áztatási idő előrehaladtával hogyan változnak a sztenttulajdonságok, például a radiális terhelhetőség.

Eddigi eredmények

Korábbi kutatásaim során megfigyeltem, hogy az elhunytakból eltávolított minták felületén a bevonatok nagymértékben károsodtak. A károsodás keletkezési idejének megállapítása céljából végzett fizikai sztentbeültetés-szimulációval megfigyeltem, hogy a bevonat már a tágítás során felszakadozott vagy akár le is vált a sztent felületéről, ami a tágítási nyomás növelésével tovább fokozódott.

 

A sztenttartó berendezés prototípusa

 

Az általam vizsgált, kereskedelmi forgalomban kapható sztentek közül a Fe-Pt-Cr alapanyagú sztentek korrózióval szembeni ellenállása a legjobb, ezt követi a 316L jelű ausztenites korrózióálló acél, majd az L605 jelű kobalt-króm ötvözet. A bevonat korrózióra gyakorolt hatását vizsgálva megfigyeltem, hogy a Fe-Pt-Cr alapanyagú sztentek korrózióval szembeni ellenállását a PVDF-HFP műanyag bevonat javította, az amorf szilícium-karbid rontotta. A műanyag kötőréteg nélküli gyógyszeres bevonat nincs jelentős hatással az anyag korróziós viselkedésére. ±2,5 V feszültségtartományon, 0,9 %-os sóoldatban végzett potenciodinamikus méréseket végezve a Fe-Pt-Cr sztenteken nem figyelhető meg korróziós károsodás. A kobalt-króm ötvözetekre az általános, teljes felületre kiterjedő korrózió jellemző, a 316L jelű ausztenites korrózióálló acélsztentekre pedig a lyukkorrózió.

Az additívan gyártott, 316L-alapanyagú, sztent jellegű struktúrákon tömegcsökkenés figyelhető meg a fárasztóvizsgálat elvégzése után. Ez a jelenség a hagyományosan gyártott implantátumokra nem jellemző. A tömegcsökkenés mérséklődött az elektropolírozás és a hőkezelés hatására. A tömegcsökkenést a felülethez csak lazán kötődő porszemcsék leválása okozta. Az additívan gyártott, sztentjellegű struktúrák radiális terhelhetősége nagyobb, mint az azonos geometriájú, lézersugárral vágott sztenteké. Az additívan gyártott, sztentjellegű struktúrák fárasztás hatására veszítenek radiális terhelhetőségükből.

Várható hatás, további kutatás

A kutatási eredményeim az egészségipari mérnökök mellett különösen az orvosok számára hordoznak fontos információt, ugyanis a hangzatos marketinganyagokon túl nehezen jutnak el valós összehasonlító mérési eredmények a klinikai szakemberekhez. Az eredményeim hozzásegítik az orvosokat ahhoz, hogy hatékony kezelést nyújtsanak a betegeknek. A kutatómunka nem csak hazai, hanem külföldi partnerek bevonásával zajlik, így az általunk elért eredmények nem csak hazánkban, hanem nemzetközi szinten is kiemelkedők lesznek. A jövőbeni kutatások során az újfajta gyártási technológiák alkalmazhatóságának vizsgálatán túl a lebomló fémes eszközök kutatása is ígéretes lehet. Mivel a lakosság egészségtelen életvitele miatt az érszűkület marad továbbra is az egyik vezető halálok (függetlenül attól, hogy milyen vírusok pusztítanak épp a Földön), remélhetőleg a sztentekkel kapcsolatos kutatások életben tartása a Műegyetemen mindig is fontos és kiemelten támogatandó terület lesz.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

https://m2.mtmt.hu/gui2/?type=authors&mode=browse&sel=10061328

Asztalos L, Horicsányi K: Examination of Coatings of Drug-Eluting Coronary Stents. Acta Materialia Transylvanica 2 (2019) 73–78. oldal

Károly D, Asztalos L, Fazakas É: Corrosion test of overlapping coronary artery stents made of different materials. Materials Today: Proceedings 5/13 (2018) 26648–26653. oldal

Horicsányi K, Asztalos L, Károly D, Fazakas É: Effect of expansion pressure on the drug eluting coating and the corrosion characteristics of coronary stents; Acta Materialia Transylvanica 1/1. (2018) 37–40. oldal

Károly D, Asztalos L, Micsík T, Szabó P. J: Non-Destructive Analysis of Explanted Coronary Artery Stents. Acta Polytechnica Hungarica, 14 (2017) 171-181. oldal

Asztalos L, Schultheiss U, Lulla P, Noster U: Effect of heat and surface treatment on weight loss and fatigue crack initiation of additively manufactured stent-like structures. 11th European Symposium on Vascular Biomaterials. Strasbourg, Franciaország, 2019. október 17–19. (poszter, rövid előadás, absztrakt)

Asztalos L, Asserghine A, Nagy G, Dobránszky J: A bevonat hatása különböző alapanyagú sztentek korróziós tulajdonságaira. XII. Országos Anyagtudományi Konferencia. Balatonkenese, Magyarország, 2019. október 13–15. (poszter, rövid előadás, absztrakt)

Asztalos L, Dobránszky J: Hatóanyag-kibocsátó sztentek bevonatának vizsgálata. Tavaszi Szél Konferencia 2019 Absztraktkötet (szerk. Németh Katalin) 450. Oldal, Debrecen, 2019. május 3–5.

Asztalos L, Dobránszky J: Hatóanyag-kibocsátó sztentek bevonatának vizsgálata. XXIV. Fiatal Műszakiak Tudományos Ülésszaka, Kolozsvár, 2019. 03. 28–29. (előadás)

Horicsányi K, Asztalos L: Sztentbevonatok károsodása in vitro környezetben; IX. Anyagvizsgálat a gyakorlatban konferencia. Székesfehérvár, 2018. 06. 06–08. (poszter)