Modellen bygger på en typ av topologisk analys som mäter komplexiteten i stentens geometri. Ju större komplexiteten är, desto mindre enhetliga spänningar kommer att upplevas över stenten när den implanteras.
"Vår modell kan förutsäga vilka geometriska strukturer som kommer att orsaka områden med stresskoncentration", säger Yongjie Jessica Zhang, biträdande professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Tech. "Med hjälp av denna information är det möjligt att omforma stentens geometri så att dessa spänningskoncentrationer elimineras, vilket minskar sannolikheten för utmattningsfel."
Forskningen rapporteras 1 juni 2022 i tidskriften Acta Biomaterialia. Den första författaren till artikeln är Jiahan Zhou, en Ph.D. student som arbetar med Zhang.
Metallstentar är vanliga medicinska apparater som används för att behandla arteriella och venösa sjukdomar. Den långsiktiga effektiviteten plågas dock av de komplikationer som är förknippade med deras strukturella misslyckanden, såsom trombos (blodproppar), restenos (blockerade artärer) och stentfrakturer.
Stentens geometri har identifierats som en kritisk faktor för att bestämma dess strukturella stabilitet och funktionalitet. Men att förutsäga hur en specifik stentgeometri kommer att påverka prestandan är en utmaning eftersom det kräver utvärdering av extremt komplexa strukturer.
"Utmaningen här är att geometrierna är väldigt komplicerade," sa Zhou. "Det traditionella sättet att analysera och förbättra dem har mestadels förlitat sig på försök och misstag. Detta är tidskrävande och kostsamt."
För att övervinna dessa utmaningar vände Zhang och Zhou till en geometrisk analysmetod som kallas "beständig homologi". Till skillnad från en typisk analys som bara tittar på den rumsliga geometrin, fångar persistent homologi inte bara geometrin utan också dess topologi, vilket hänvisar till väsentliga egenskaper som inte kan ändras genom deformation eller sträckning.
"Vi undersöker hur geometrin är arrangerad och hur dessa strukturella egenskaper påverkar spänningen över materialet," sa Zhang.
I denna studie använde teamet persistent homologianalys för att skapa en topologi-stresskarta över olika stentgeometrier. De tittade på 10 varianter av en allmänt använd självexpanderbar stent som kallas en Palmaz-Schatz-stent. Deras modeller förutspådde att ökande komplexiteten i stentens geometri ökade stresskoncentrationerna.
Teamet arbetar nu med att utveckla strategier för att minska spänningskoncentrationerna i stentens geometri. De tillämpar också den topologiska analysmetoden för att studera effekterna av artärväggens egenskaper på stentens prestanda.
