Parametric Design and Mechanical Characterization of Bioresorbable Cardiovascular Stents

Cardiovascular diseases are a major global health concern, being the leading cause of death in the world. One treatment option are cardiovascular stents, tubular devices utilized to restore vessel patency. The use of polymeric based stents is a prominent future because of their biocompatibility, bioresorbable properties and because they promote vessel restoration instead of substitution. The mechanical limitations of current polymeric based designs, especially Poly-L-Lactic Acid (PLLA), still restrict their implantability and effectiveness. This study focuses on the design and mechanical optimization of bioresorbable vascular scaffolds (BVS) through geometric modifications. The stent geometry was designed using Bézier curves, which provide smooth and continuous control over curvature and enable the generation of complex ring and bridge configurations. Various design parameters were iteratively modified, including ring distance, stent thickness, bridge positioning, bridge curvature, and rotational symmetry, to assess their impact on mechanical behaviour. Finite Element Analysis (FEA) was employed to evaluate the mechanical response under tensile, crushing, and three-point bending tests with a material model of PLLA defined by an elastic–plastic bilinear hardening model based on experimental data from literature. Results show that stent thickness has the most significant effect on mechanical performances, with thicker walls providing higher crush resistance but reduced flexibility. Bridge configuration also plays a crucial role, by alternating bridge patterns axial compliance and overall flexibility were improved without compromising crushing resistance. The findings provide a comprehensive picture of the effects of geometrical parameters of stent structures, allowing researchers to further iterate designs and develop better future products.

Le malattie cardiovascolari rappresentano la principale causa di mortalità a livello mondiale e costituiscono una delle maggiori problematiche sanitarie globali. Tra le principali soluzioni terapeutiche per il trattamento delle patologie coronariche vi è l’impiego di stent cardiovascolari, dispositivi tubulari progettati per ripristinare e mantenere aperto il lume dei vasi sanguigni. Gli scaffold riassorbibili rappresentano una promettente evoluzione tecnologica grazie alla loro biocompatibilità, alla capacità di degradarsi progressivamente nel tempo e al migliore recupero fisiologico del vaso trattato. Le limitate proprietà meccaniche dei materiali polimerici attualmente impiegati, in particolare dell’acido L-polilattico (PLLA), ne riducono ancora l’efficacia clinica e ne limitano la diffusione. Il presente elaborato propone di analizzare e ottimizzare il comportamento meccanico di scaffold mediante modifiche geometriche della struttura dello stent. La geometria è stata sviluppata attraverso l’utilizzo di curve di Bézier, selezionate per la loro capacità di garantire continuità geometrica e controllo accurato della curvatura nella progettazione di anelli e ponti strutturali. Sono stati analizzati iterativamente differenti parametri geometrici, tra cui distanza tra anelli, spessore dello stent, posizione dei ponti, geometria dei ponti e simmetria rotazionale, al fine di valutarne l’influenza sul comportamento strutturale. L’analisi meccanica è stata condotta mediante simulazioni agli elementi finiti su piattaforma ANSYS utilizzando un modello costitutivo elasto-plastico bilineare con incrudimento, derivato da dati sperimentali presenti in letteratura, rappresentante il PLLA. Le configurazioni progettate sono state sottoposte a prove numeriche di trazione, schiacciamento radiale e flessione a tre punti per valutarne la risposta meccanica. I risultati evidenziano come lo spessore dello stent rappresenti il parametro con maggiore influenza sulle prestazioni strutturali, incrementando significativamente la resistenza allo schiacciamento ma riducendo la flessibilità del dispositivo. È inoltre emerso che configurazioni con ponti alternati migliorano la compliance assiale e la conformabilità dello stent senza compromettere la resistenza meccanica complessiva. Lo studio fornisce quindi una valutazione sistematica dell’influenza dei principali parametri geometrici sulle prestazioni meccaniche degli scaffold, offrendo indicazioni utili per future attività di ottimizzazione progettuale e sviluppo di dispositivi vascolari riassorbibili più efficienti.