12thAMME’

2 003

Charakterystyka stentów w aspekcie aplikacyjnym i materiałowym M. Kaczmarek, J. Tyrlik – Held, Z. Paszenda, J. Marciniak Instytut Materiałów In�ynierskich i Biomedycznych, Wydział Mechaniczny Technologiczny, Politechnika �l�ska, ul. Konarskiego 18a, 44-100 Gliwice W pracy scharakteryzowano podstawowe grupy stentów, w tym kardiologiczne, przełykowe, tchawicze oraz urologiczne. Przedstawiono zasadnicze problemy zwi�zane z ich aplikacj� oraz omówiono tworzywa metaliczne, z których s� wykonywane. 1. WPROWADZENIE Stosowanie stentów stało si� przyj�tym sposobem leczenia wielu schorze� powoduj�cych zw��enie narz�dów o kształcie rurowym w obr�bie układów: kr��enia, pokarmowego, oddechowego i moczowego. Pomijaj�c naczynia wie�cowe serca dotyczy to: • zw��e� du�ych t�tnic i aorty spowodowanych procesem mia�d�ycowym, • zw��e� przełyku spowodowanego procesem nowotworowym, bliznowatym lub

w sytuacjach wymagaj�cych ochrony (w przypadku rozdarcia przełyku), • zw��e� oskrzela i tchawicy zamykanych przez proces nowotworowy i bliznowaty, • zw��e� cewki moczowej i moczowodów w wyniku procesu nowotworowego

i bliznowatego lub w sytuacjach wymagaj�cych ochrony (w przypadku rozdarcia). Jakkolwiek rola ró�nych stentów jako implantów stanowi�cych wewn�trznaczyniowe lub wewn�trznarz�dowe cylindryczne rusztowanie jest podobna, to musz� one spełnia� specyficzne wymagania w zale�no�ci od cech �rodowiska tkanek oraz płynów fizjologicznych, z którymi pozostaj� w bezpo�rednim kontakcie. 2. CHARAKTERYSTYKA STOSOWANYCH STENTÓW STENTY KARDIOLOGICZNE Koncepcj� rozszerzenia �wiatła naczy� zastosował radiolog Charles Dotter. Wprowadził poj�cie transluminalnej angioplastyki polegaj�cej na rozszerzeniu naczy�, a nast�pnie wprowadzenia stentu ze stali austenitycznej. Zastosowanie stentów upowszechniono głównie w chirurgii naczy� i to nie tylko przy zmianach mia�d�ycowych naczy� wie�cowych, lecz równie� w leczeniu t�tniaków aorty lub zw��eniach innych obwodowych t�tnic [1-3]. W grupie stentów kardiologicznych najbardziej popularne i najszerzej stosowane s� stenty wie�cowe [4]. Stenty okazały si� bowiem znakomitym narz�dziem w leczeniu ostrych powikła� PTCA. Ich skuteczno�� w leczeniu ostrego zamkni�cia t�tnicy wie�cowej si�ga a� 97% [5]. Ogólnie kardiolodzy zgadzaj� si�, i� optymalny stent powinien by� elastyczny,

422 M. Kaczmarek, J. Tyrlik – Held, Z. Paszenda, J. Marciniak

łatwy do implantacji, nieprzepuszczaj�cy promieniowania oraz nie powodowa� zakrzepów. Stenty mog� zosta� sklasyfikowane w oparciu o cechy konstrukcyjne oraz u�ytkowe. Obecnie wyró�ni� mo�na nast�puj�ce rodzaje stentów – rys. 1: • siateczkowe (mesh stents), • rurkowe z naci�ciami (slotted-tube stents), • w kształcie zwoju (coil stents), • pier�cieniowe (ring stents).

a)

b)

c)

d)

Rys. 1. Rodzaje stentów wie�cowych: a) siateczkowe, b) rurkowe z naci�ciami, c) w kształcie zwoju, d) pier�cieniowe

�rednica stentów wie�cowych zmienia si� z zakresie od 2 do 5 mm, natomiast długo�� waha si� w granicach od 6 do 33 mm. Zdecydowana wi�kszo�� stentów kardiologicznych wykonana jest ze stali Cr-Ni-Mo. Niektóre rodzaje stentów wykonywane s� ze stopów Ni-Ti, wykazuj�cych efekt pami�ci kształtu i nadspr��ysto�ci. Obecnie w wielu o�rodkach in�ynierii biomedycznej na �wiecie badania skoncentrowane s� na pokrywaniu stentów warstwami przeciwdziałaj�cymi zakrzepom oraz zmniejszaj�cymi restenoz�. STENTY PRZEŁYKOWE Podstawowym wskazaniem do zastosowania stentu przełykowego s� nieoperacyjne nowotwory przełyku i jego łagodne zw��enia. Technika stentowania jest stosunkowo prosta, nie obci��a nadmiern� traumatyzacj� stanu ogólnego pacjenta oraz zapewnia natychmiastowy i trwały efekt terapeutyczny. Leczenie w nowotworach musi by� brane pod uwag� u 60%

Charakterystyka stentów w aspekcie aplikacyjnym i materiałowym 423

chorych z rozpoznaniem raka przełyku. Obecnie zastosowanie znalazły dwa rodzaje stentów – rys. 2: • stenty konwencjonalne (polimerowe), • stenty metalowe wytwarzane ze stali Cr-Ni-Mo lub stopów z pami�ci� kształtu. Cech� charakterystyczn� stentów polimerowych jest konieczno�� wcze�niejszego poszerzenia �wiatła przełyku, gdy� �rednica stentu jest stała. Wad� tego typu stentów jest konieczno�� przeprowadzenia zabiegu w znieczuleniu ogólnym. Zalet� stentów metalowych w porównaniu z tradycyjnymi polimerowymi jest fakt, �e do ich zało�enia wymagana jest mniejsza �rednica wprowadzonego stentu. Dzi�ki temu nie jest wymagane znaczne poszerzenie miejsca zw��enia, przez co wydatnie redukuje si� ryzyko uszkodzenia �ciany przełyku. Ponadto mała �rednica pozwala na stosunkowo łatwe wprowadzenie stentu w miejsce zw��enia. Skuteczno�� typu paliatywnego takiego post�powania si�ga 90% odno�nie uzyskania dro�no�ci i blisko 100 % w odniesieniu do przetok przełykowych [6]. Jednak�e w grupie stentów samorozpr��alnych istniej� dwa zasadnicze problemy zwi�zane z ich stosowaniem. Po rozpr��eniu stentu niemo�liwe jest jego usuni�cie lub przemieszczenie. Tak wi�c w przypadku nieprawidłowego umiejscowienia stentu, w wielu wypadkach niemo�liwa jest jego repozycja. Drug� wad� jest mo�liwo�� przerastania przez �ciany stentu zmian nowotworowych, powoduj�ca nawrót zw��enia. W nowej generacji stentów efekt ten został wyeliminowany poprzez pokrycie metalowego szkieletu cienk� warstw� silikonu. Jednak�e skuteczno�� leczenia z wykorzystaniem metalowych stentów samorozpr��alnych została potwierdzona w wieloletnich badaniach klinicznych [7].

a)

c)

b)

d)

Rys. 2. Przykłady stentów przełykowych: a) Z-stent, b) Wallstent, c) Ultraflex, d) Esophacoil

424 M. Kaczmarek, J. Tyrlik – Held, Z. Paszenda, J. Marciniak

STENTY TCHAWICZE Niedro�no�� górnych dróg oddechowych z powodu łagodnego lub zło�liwego procesu nowotworowego jest bardzo cz�stym i powa�nym problemem zwi�zanym ze stosunkowo du�� �miertelno�ci�. Leczenie operacyjne przynosi zadowalaj�cy efekt tylko u niewielkiej liczby pacjentów. Istniej� anatomiczne ograniczenia dotycz�ce długo�ci odcinka tchawicy, który mo�e by� usuni�ty. W tych przypadkach jest rozpatrywane leczenie paliatywne z wykorzystaniem stentów. Upowszechnienie intensywnej terapii z wprowadzeniem przedłu�onej intubacji lub tracheotomii stwarza dodatkow�, do�� liczn� grup� pacjentów wymagaj�cych leczenia operacyjnego, wzgl�dnie zało�enia stentu w miejsce zw��enia pointubacyjnego lub potracheotomijnego. Najcz��ciej stosowanym typem stentów s� sztywne stenty silikonowe oraz metalowe samorozpr��alne, pokrywane silikonem lub poliuretanem o �rednicach 8-16 mm i długo�ci 26 – 49 mm – rys. 3. Hamuj� one jednak ruch rz�sek, daj�c zastój wydzieliny drzewa oskrzelowego w ich �wietle i post�puj�c� okluzj�. Wad� tych stentów jest tak�e ich skłonno�� do przemieszczania si�. Przewaga metalowych stentów samorozpr��alnych polega na: • łatwo�ci ich implantowania w znieczuleniu miejscowym, • nie upo�ledzaniu drena�u wydzieliny drzewa oskrzelowego, • mo�liwo�ci wentylacji nawet w przypadku zakrycia uj�cia innego oskrzela stentem, • elastyczno�ci umo�liwiaj�cej dostosowanie stentu do kształtu oskrzela, • dobrej tolerancji przez pacjentów, daj�cej zdecydowan� popraw� dro�no�ci dróg

oddechowych bezpo�rednio po implantacji si�gaj�cej 85 – 90 %.

a) b) c) Rys. 3. Przykłady stentów tchwiczych: a) Z-stent, b) Flextent, c) Silky Stent

Charakterystyka stentów w aspekcie aplikacyjnym i materiałowym 425

STENTY UROLOGICZNE Zabieg zało�enia stentu do cewki moczowej, przy jej okluzji spowodowanej łagodnym przerostem stercza, opisał po raz pierwszy Fabian w 1980 roku. Aktualnie metoda ta znalazła szerokie zastosowanie w leczeniu zw��e� cewki moczowej, a jej skuteczno�� si�ga 95% [8]. Innym wskazaniem do implantacji stentu w urologii s� łagodne lub nowotworowe zw��enia moczowodów, zwłaszcza u pacjentów zakwalifikowanych z leczenia operacyjnego. Stenty do utrzymania dro�no�ci cewki moczowej dzieli si� na – rys. 4: • zakładane na stałe – o konstrukcji siatkowej, metalowe –wytwarzane ze stali Cr-Ni-Mo,

stopów z pami�ci� kształtu lub poliuretanowe. Implantacja stentu prowadzona jest pod kontrol� fluoroskopow� lub endoskopow�,

• zakładane czasowo – stanowi� najcz��ciej stosowan� grup�. Najpopularniejsze stenty w tej grupie to: Urocoil – wykonany ze stali, o �rednicy 26 – 32 Fr; Prostakath – �ródsterczowa spirala wykonana ze stali pokryta cienk� warstw� 24 karatowego złota, zmniejszaj�cego odczyny tkankowe.

Stenty wykorzystywane w zw��eniach moczowodowych wykonywane s� z tworzyw sztucznych lub stopów metali. Długo�� tych stentów waha si� w granicach 260 - 300 mm, natomiast �rednica zmienia si� w przedziale od 3 do 8 Fr.

a)

b) Rys. 4. Przykłady stentów urologicznych: a) UroLume, b) Memokath - wykonany ze stopu

z pami�ci� kształtu; stan pocz�tkowy i po rozpr��eniu

426 M. Kaczmarek, J. Tyrlik – Held, Z. Paszenda, J. Marciniak

3. CHARAKTERYSTYKA BIOMATERIAŁÓW METALOWYCH STOSOWANYCH NA STENTY Podstawowymi tworzywami metalicznymi do produkcji stentów s� stale Cr-Ni-Mo oraz stopy z pami�ci� kształtu (Ni-Ti), spełniaj�ce okre�lone normami kryteria przydatno�ci dla biomatriałów stosowanych na implanty chirurgiczne. Stale chromowo – niklowo – molibdenowe s� znanymi i powszechnie stosowanymi od wielu lat biomateriałami metalicznymi, z których wytwarzane s� implanty dla chirurgii rekonstrukcyjnej i zabiegowej. Korzysta z nich głównie chirurgia urazowo – ortopedyczna, szcz�kowo – twarzowa, torakochirurgia i kardiologia zabiegowa. Stale te dobrze spełniaj� wymagania dotycz�ce odporno�ci na korozj�, zwi�zan� �ci�le z biotolerancj� w tankach i płynach ustrojowych, nie wykazuj� działania toksycznego oraz reakcji immunologicznych i alergicznych [9, 10, 11]. Struktura chemiczna i fazowa tych stali pod wzgl�dem jako�ciowym i ilo�ciowym została ustalona na podstawie wieloletnich bada� z zakresu biomechaniki i biotolerancji, które prowadzone były w symulowanych warunkach laboratoryjnych, w tkankach zwierz�t do�wiadczalnych, jak równie� w wieloletnich obserwacjach klinicznych. Drobnoziarnisto�� (ziarno mniejsze ni� nr wzorca 4 wg ISO) oraz niski poziom zanieczyszcze� wtr�ceniami niemetalicznymi (maksymalny nr wzorca 1,5 wg ISO) zapewniaj� dobr� wytrzymało�� i ci�gliwo�� stali, a tak�e zmniejszaj� podatno�� na p�kanie, szczególnie w implantach o niewielkich przekrojach poprzecznych. Uwzgl�dniaj�c jednak fakt wyst�powania w niektórych rodzajach stentów szczególnie małych przekrojów poprzecznych wydaje si� konieczne skorygowanie dotychczas stosowanych wymaga� materiałowych. Dotyczy to przykładowo stentów wie�cowych, które wykonywane s� z drutów o �rednicy 0,12 mm lub cienko�ciennych rurek o grubo�ci ok. 0,09 – 0,15 mm. W tych przypadkach celowe wydaje si� zaostrzenie ogólnie stosowanych wymaga� dotycz�cych wielko�ci ziarna austenitu oraz stopnia zanieczyszczenia wtr�ceniami niemetalicznymi [12]. Szczególn� kwesti� w jako�ci implantów jest niedopuszczalna obecno�� w ich strukturze faz ferromagnetycznych, a wi�c martenzytu i ferrytu δ. Fazy te w �rodowisku tkankowym implantu, jako substancje o cechach ferromagnetycznych, nie pozostaj� bez wpływu na zachodz�ce w nim procesy elektromagnetyczne, szczególnie dla tych struktur, które wykazuj� magnetotropizm, np. płytki krwi. Wa�nym zagadnieniem w stosowaniu stentów jest ograniczenie zjawiska trombogenno�ci zwi�zanego z nadmiernym wykrzepianiem płytek krwi na powierzchni stentu. Wytwarzanie warstw powierzchniowych o korzystnej odporno�ci korozyjnej, lepszej biotolerancji i atrombogennych stanowi niew�tpliwy czynnik poprawiaj�cy jako�� tych implantów. W�ród wielu metod modyfikacji powierzchni stentów wymieni� nale�y nanoszenie powłok uwalniaj�cych leki, z radioaktywn� warstw�, ze złota, polimerowych oraz z silikonu. Niew�tpliwie pozytywne wyniki przynosi stosowanie warstw pasywno – w�glowych. Na tej problematyce skoncentrowane s� prace badawcze wielu czołowych o�rodków in�ynierii biomateriałów na �wiecie [13, 14, 15]. Stopy z pami�ci� kształtu i nadspr��ysto�ci� stanowi� porównywaln� ze stalami Cr-Ni-Mo pod wzgl�dem odporno�ci korozyjnej i biotolerancji grup� biomateriałów metalowych. Ich stosowanie wymaga takiego ukształtowania struktury chemicznej i fazowej, aby uzyska� powtarzalny zakres temperatur charakterystycznych przemian fazowych w przedziale u�ytecznym i bezpiecznym przy implantowaniu do tkanek.

Charakterystyka stentów w aspekcie aplikacyjnym i materiałowym 427

Badania nad doborem stopów z pami�ci� kształtu i nadspr��ysto�ci� przeznaczonych na stenty bazuj� na zało�eniu, �e implanty te b�d� odzyskiwa� swój kształt w wyniku ciepła ciała pacjenta w temperaturze zbli�onej do 37o C. W zwi�zku z tym, �e odkształcenie implantów przed operacj� musi zachodzi� w T<Mf, zatem b�dzie to temperatura poni�ej 0o C. Praktycznie korzystna jest niska temperatura Mf, gdy� wówczas wyst�puje du�a ró�nica Af – Mf, co wydłu�a czas nagrzewania stentu, umo�liwiaj�c jego poprawne wprowadzenie. Istotnym zagadnieniem zwi�zanym z zastosowaniem stopów NiTi na implanty jest niekorzystna biotolerancja z powodu du�ego st��enia niklu w stopie. Ukształtowanie korzystnej struktury chemicznej i fazowej na powierzchni stentów ze stopu NiTi mo�na osi�gn�� poprzez polerowanie i pasywacj� elektrochemiczn�. Powierzchnia spasywowanego stopu pokryta jest stabilnym dwutlenkiem tytanu TiO2 i niewielk� ilo�ci� tlenków niklu (NiO i Ni2O3) oraz metalicznego Ni [16]. Zalecany jest taki proces pasywacji, który zapewni uzyskanie amorficznej budowy warstwy TiO2. Wolna od defektów sieciowych takich jak, dyslokacje i granice ziarn warstwa amorficzna zwi�ksza swój elektrochemiczny potencjał przebicia. Implanty z warstwami amorficznymi wykazały najwy�sz� odporno�� korozyjn� w badaniach „in vitro” i najwy�szy potencjał przebicia [17]. Istotne wi�c mo�liwo�ci poprawy odporno�ci korozyjnej i biotolerancji wi�za� nale�y z wytworzeniem na powierzchni implantów ze stopu NiTi warstw pasywno-w�glowych o strukturze amorficznej, podatnych na odkształcenie. Zagadnienie to jest sygnalizowane w literaturze �wiatowej, lecz do tej pory nie rozpoznane w dostatecznym stopniu. W podsumowaniu nale�y podkre�li�, �e ró�norodno�� cech �rodowiska płynów ustrojowych pod działaniem którego pozostaj� stenty (np. krew, �rodowisko przełyku, mocz, wydzielina drzewa oskrzelowego) wymaga uwzgl�dnienia jego specyfiki w prowadzonych badaniach – szczególnie badaniach odporno�ci korozyjnej. Dobór optymalnych własno�ci mechanicznych biomateriałów metalowych oraz warstw powierzchniowych o własno�ciach fizykochemicznych dostosowanych do okre�lonej postaci funkcjonalnej stentów i stosowanej techniki implantacji stanowi kluczowy obszar zainteresowania wielu o�rodków in�ynierii biomedycznej na �wiecie. Praca realizowana jest w ramach projektu badawczego PBZ-KBN-082/T08/2002, finansowanego przez Komitet Bada� Naukowych.

LITERATURA 1. Kim H.: Stenting therapy for stenosing airway diseases. Respirology 1998, 3(4), pp. 221-

228. 2. Martin E.C., Katzen B.T., Schwarten D.E., et. al.: Multicenter trial of the Wallstent.

Cardiovasc. Intervent. Radiol. 1994, 17, p.557. 3. Palmaz J.C., Laborde J.C., Rivera F.J. et al.: Stenting of the iliac arteries with the Palmaz

stent: experience from a multicenter trial. Cardiovasc. Intervent. Radiol. 1992, 15, pp. 291-297.

4. Sigwart V.: Endoluminal Stenting. W.B. Saunders Company Ltd., 1996. 5. George B.S., Voorhees W. D., Roubin G.S. et al.: Multicenter investigation of coronary

stenting to treat acute or threatened closure after percutaneous transluminal coronary angioplasty: clinical and angiographic outcomes. J. Am. Coll. Cardiol. 1993, 22: 135-143.

428 M. Kaczmarek, J. Tyrlik – Held, Z. Paszenda, J. Marciniak

6. Weigert N., Neuhaus H., Rosch T., Hoffmann W., Dittler H.J., Classen M.: Treatment of esophagorespiratory fistulas with silicone-coated self-expanding metal stents. Gastrointest. Endosc. 1995,41(5), pp. 490-496.

7. Kim JH, Yoo BM, Lee KJ, et al. Self-expanding coil stent with a long delivery system for palliation of unresectable malignant gastric outlet obstruction: a prospective study. Endoscopy. 2001;33:838-842.

8. Anjum M.I., Chari R., Shetty A., Keen M., Palmer J.H.: Long term clinical results and quality of life after insertion of a self-expanding flexible endourethal prothesis. Br.J.Urol., 1997, 80(6), pp. 885-888.

9. Winter G. D.: Tissue reactions to metallic wear and corrosion products in human patients. J. Biomed. Mater. Res. Symp., 5 (1974), 11-26.

10. Winter G. D.: Wear and corrosion products in tissues and the reactions they provoke. Williams D. F. (ed.). Biocompatibility of implant materials. London, 1976, 28-54.

11. Paszenda Z., Tyrlik – Held J., Marciniak J.: Zastosowanie biomateriałów metalicznych na implanty w kardiologii zabiegowej. Proceedings of the Scientific Conference „Materials, Mechanical & Manufacturing Engineering”, Gliwice 2000, s. 227.

12. Paszenda Z: Problematyka tworzyw metalowych stosowanych na implanty w kardiologii zabiegowej. In�ynieria Biomateriałów, 2001, 21, s. 3-9.

13. Ferguson Jr A. B., Laing P. G., Hodge E. S.: The ionization of metal implants in living tissues. J. Bone Jt. Surg. A, 42 (1960), 77-90.

14. Pohler O. E. M.: Degradation of metallic orthopaedic implants. Rubin L. R. (ed.). Biomaterials in reconstructive surgery. London: The C. V. Mosby Company, 1983, 196-197.

15. Paszenda Z., Tyrlik Held J.: Coronary stents with passive and carbon layers. Proceedings of the 17th European Conference on Biomaterials ESB 2002, Barcelona, P. 89.

16. Wever D.J., Veldhuizen A.G., de Vries J., Busscher H.J.: Electrochemical and surface characterization of nickel-titanium alloy. Biomaterials 1998, 19, pp.761-769.

17. Endo K., Sachdera R., Araki Y., Ohno H.: Corrosion behavior of Ni-Ti shape memory alloy in a cell culture medium. Proc. Of Conf. On Shape Memory and Superelastic Technologies. Pacific Grove C.A. 1995. pp. 197-201.

�