Development of a bioresorbable self-expanding microstent for interventional applications – an innovative approach for stent-assisted coiling

Abstract

Objectives

Stent-assisted coiling prevents coil migration in broad-based intracranial aneurysms. So far, only permanent metal stents are approved for intracranial use. Bioresorbable stents allow a new therapeutic approach that may prevent the need for lifelong anticoagulation. We developed a neurovascular bioresorbable microstent (NBRS) and compared it in vitro to the commercial Neuroform EZ stent.

Materials and Methods

The self-expanding NBRS design is oriented on the Neuroform EZ stent. Poly L-lactic acid (PLLA) was used to manufacture semi-finished products in a dipping process. For the compensation of the inferior material properties of PLLA, design adjustments were made. The NBRS were cut by means of femtosecond (fs) laser and were morphologically and mechanically compared in vitro to the Neuroform EZ stent. In vitro implantation of an NBRS was performed using a complex patient-specific 3D-printed aneurysm model. In addition, an in vitro coiling procedure to assess the stent’s ability to support a coil package was conducted.

Results

The NBRS could be reproducibly manufactured and had high quality regarding surface morphology. The radial force at the indicated vessel diameter of 3.0 mm was slightly higher for the Neuroform EZ stent compared to the NBRS. The self-expansion ability of the NBRS could be proven. The kink behavior of the NBRS was comparable to that of the Neuroform EZ stent, so no vessel lumen size reduction is expected. The stents showed identical deformation under local compression of 25 % based on the initial diameter, resulting in maximum forces of 24 ± 5 mN (Neuroform EZ) and 8 ± 2 mN (NBRS). The implanted NBRS expanded uniformly, and proper vessel wall adaptation was observed. The NBRS has the ability to retain a coil package.

Conclusion

This study reported a reproducible manufacturing process for the developed NBRS as well as mechanical and morphological in vitro tests. Furthermore, successful NBRS implantation into a complex patient-specific vessel model was presented as proof of concept. The promising results of this study, also considering the commercial Neuroform EZ stent, support the idea of fully biodegradable microstents for intracranial aneurysm treatment.

Key Points

• High-performance polymer-based self-expanding neurovascular microstents were manufactured with good reproducibility.

• The bioresorbable microstent meets the requirements to pass through narrow radii.

• Implantability in a patient-specific and close-to-physiology vascular in vitro model was proven.

Citation Format

• Paetow H, Streckenbach F, Brandt-Wunderlich C et al. Development of a bioresorbable self-expanding microstent for interventional applications – an innovative approach for stent-assisted coiling. Fortschr Röntgenstr 2024; 196: 714 – 725

Zusammenfassung

Ziel

Stent-gestütztes Coiling verhindert die Coilmigration bei breitbasigen, intrakraniellen Aneurysmen. Bislang sind nur permanente Metallstents für intrakranielle Anwendungen zugelassen. Bioresorbierbare Stents ermöglichen einen neuen therapeutischen Ansatz, bei dem die Notwendigkeit einer lebenslangen Antikoagulation vermieden werden könnte. Wir haben einen neurovaskulären bioresorbierbaren Mikrostent (NBRS) entwickelt und in vitro mit dem kommerziellen Neuroform EZ-Stent verglichen.

Material und Methoden

Das mit computergestützter Design-Software erstellte selbstexpandierende NBRS-Design orientiert sich am Neuroform EZ. Zum Ausgleich unterlegener Materialeigenschaften wurden Designanpassungen vorgenommen. Poly L-Milchsäure (PLLA) wurde zur Herstellung von Halbzeugen im Tauchverfahren verwendet. Die NBRS wurden mittels Femtosekunden (fs)-Laser geschnitten. Darauf aufbauend erfolgten in vitro morphologische und mechanische Untersuchungen sowie ein Benchmark mit dem Neuroform EZ. Eine in vitro Implantation eines NBRS unter Verwendung eines komplexen patientenspezifischen 3D-gedruckten Aneurysma-Modells sowie eine in vitro Coiling-Prozedur zur Bewertung der Rückhaltefähigkeit des NBRS wurden durchgeführt.

Ergebnisse

Die NBRS konnten reproduzierbar und qualitativ hochwertig hergestellt werden. Der Neuroform EZ zeigte bei einem Einsatzdurchmesser von 3,0 mm eine leicht höhere Radialkraft als der NBRS. Die Selbstaufweitfähigkeit des NBRS wurde nachgewiesen. Das Knickverhalten des NBRS war vergleichbar mit dem Neuroform EZ, sodass keine Reduktion des Gefäßlumens zu erwarten ist. Die Stents zeigten eine identische Verformung unter 25 % lokaler Kompression, bezogen auf den ursprünglichen Durchmesser, was zu maximalen Kräften von 24 ± 5 mN (Neuroform EZ) und 8 ± 2 mN (NBRS) führte. Die Expansion des implantierten NBRS erfolgte gleichmäßig und es wurde eine vollständige Anpassung an die Gefäßwand beobachtet. Die Fähigkeit des NBRS, ein Coil-Paket zurückzuhalten, konnte bestätigt werden.

Schlussfolgerung

Diese Studie berichtet über einen reproduzierbaren Herstellungsprozess für die entwickelten NBRS sowie mechanische und morphologische in vitro Tests. Darüber hinaus wurde eine erfolgreiche NBRS-Implantation in ein komplexes patientenspezifisches Gefäßmodell als Konzeptnachweis vorgestellt. Die vielversprechenden Ergebnisse dieser Studie, unter Berücksichtigung des kommerziellen Neuroform EZ-Stents, stützen die Idee vollständig bioresorbierbarer Mikrostents für die Behandlung intrakranieller Aneurysmen.

Kernaussagen

• Leistungsfähige polymerbasierte, selbstexpandierende, neurovaskuläre Mikrostents konnten reproduzierbar hergestellt werden.

• Der resorbierbare Mikrostent erfüllt die Anforderungen, enge Radien zu passieren.

• Die Implantatierbarkeit in einem patientenspezifischen und physiologienahen in vitro Gefäßmodell wurde nachgewiesen.

Keywords

self-expanding stent - neurovascular - performance testing - bioresorbable

Publikationsverlauf

Eingereicht: 01. März 2023

Angenommen: 09. November 2023

Artikel online veröffentlicht:
13. Dezember 2023

• References

• 1 Henkes H, Bose A, Felber S. et al. Endovascular Coil Occlusion of Intracranial Aneurysms Assisted by a Novel Self-Expandable Nitinol Microstent (Neuroform). Interv Neuroradiol 2002; 8: 107-119
• 2 Wan J, Gu W, Zhang X. et al. Endovascular coil embolization of aneurysm neck for the treatment of ruptured intracranial aneurysm with bleb formation. Med Sci Monit 2014; 12: 31-39
• 3 Cai Z-Q, Chai S-H, Wei X-L. et al. Comparison of postsurgical clinical sequences between completely embolized and incompletely embolized patients with wide nicked intracranial aneurysms treated with stent assisted coil embolization technique. Medicine (Baltimore) 2018; 97: e10987
• 4 Cho S, Jo W, Jo Y. et al. Bench-top Comparison of Physical Properties of 4 Commercially-Available Self-Expanding Intracranial Stents. Korean J Intern Med 2017; 12: 31-39
• 5 Mangubat EZ, Johnson AK, Keigher KM. et al. Initial Experience with Neuroform EZ in the Treatment of Wide-neck Cerebral Aneurysms. Korean J Intern Med 2012; 7: 34-39
• 6 Yoon NK, Awad AW, Yashar M. et al. Stent technology in ischemic stroke. Neurosurg Focus 2017; 42: E11
• 7 Li M, Jiang M, Gao Y. et al. Current status and outlook of biodegradable metals in neuroscience and their potential applications as cerebral vascular stent materials. Bioact Mater 2022; 11: 140-153
• 8 Liu Y, Zheng Y, Chen X. et al. Fundamental Theory of Biodegradable Metals – Definition, Criteria, and Design. Adv Funct Mater 2019; 29: 1805402
• 9 Grüter BE, Täschler D, Strange F. et al. Testing bioresorbable stent feasibility in a rat aneurysm model. J Neurointerv Surg 2019; 11: 1050-1054
• 10 Indolfi C, Mongiardo A, Spaccarotella C. et al. Neointimal Proliferation Is Associated With Clinical Restenosis 2 Years After Fully Bioresorbable Vascular Scaffold Implantation. Circ Cardiovasc Imaging 2014; 7: 755-757
• 11 von Zur MühlenC, Reiss S, Krafft AJ. et al. Coronary magnetic resonance imaging after routine implantation of bioresorbable vascular scaffolds allows non-invasive evaluation of vascular patency. PLoS One 2018; 13: e0191413
• 12 Siewert S, Falke K, Luderer F. et al. Development of a biodegradable flow resisting polymer membrane for a novel glaucoma microstent. Biomed Microdevices 2017; 19: 78
• 13 ISO 25539-2:2020, Cardiovascular implants – Endovascular devices – Part 2: Vascular stents, 2020.
• 14 Kuang T, Chen F, Chang L. et al. Facile preparation of open-cellular porous poly (l-lactic acid) scaffold by supercritical carbon dioxide foaming for potential tissue engineering applications. J Chem Eng 2017; 307: 1017-1025
• 15 Conti M, De Beule M, Mortier P. et al. Nitinol Embolic Protection Filters: Design Investigation by Finite Element Analysis. J Mater Eng Perform 2009; 18: 787-792
• 16 Brandt-Wunderlich C, Schwerdt C, Behrens P. et al. A method to determine the kink resistance of stents and stent delivery systems according to international standards. Curr Dir Biomed Eng 2016; 2: 289-292
• 17 Cantré D, Langner S, Kaule S. et al. Three-dimensional imaging and three-dimensional printing for plastic preparation of medical interventions. Radiologe 2020; 60: 70-79
• 18 Kemmling A. (Hrsg.) FLOWMODDA Flow Models for Device Deployment Tests in Aneurysms. Lübeck: Institut für Neuroradiologie UKSH Lübeck; 2016: 1-9
• 19 Huang H, Zheng HY, Lim GC. Femtosecond laser machining characteristics of Nitinol. Appl Surf Sci 2004; 228: 201-206
• 20 Foin N, Gutiérrez-Chico JL, Nakatani S. et al. Incomplete stent apposition causes high shear flow disturbances and delay in neointimal coverage as a function of strut to wall detachment distance: implications for the management of incomplete stent apposition. Circ Cardiovasc Interv 2014; 7: 180-189
• 21 Kuchulakanti PK, Chu WW, Torguson R. et al. Correlates and Long-Term Outcomes of Angiographically Proven Stent Thrombosis With Sirolimus- and Paclitaxel-Eluting Stents. Circulation 2006; 113: 1108-1113
• 22 Cockerill I, See CW, Young ML. et al. Designing Better Cardiovascular Stent Materials – A Learning Curve. Adv Funct Mater 2020; 31: 2005361
• 23 Ormiston JA, Serruys PW, Regar E. et al. A bioabsorbable everolimus-eluting coronary stent system for patients with single de-novo coronary artery lesions (ABSORB): a prospective open-label trial. Lancet 2008; 371: 899-907
• 24 Räber L, Brugaletta S, Yamaji K. et al. Very late scaffold thrombosis: intracoronary imaging and histopathological and spectroscopic findings. J Am Coll Cardiol 2015; 66: 1901-1914
• 25 Zhengjun H, Wenhua Y. et al. Lactic acid-mediated endothelial to mesenchymal transition through TGF-β1 contributes to in-stent stenosis in poly-L-lactic acid stent. Int J Biol Macromol 2020; 155: 1589-1598
• 26 Schmidt W, Behrens P, Brandt-Wunderlich C. et al. In vitro performance investigation of bioresorbable scaffolds – standard tests for vascular stents and beyond. Cardiovasc Revasc Med 2016; 17: 375-383
• 27 Schmidt W, Wissgott C, Andresen R. et al. Performance characteristics of modern self-expanding nitinol stents indicated for SFA. Fortschr Röntgenstr 2011; 183: 818-825