Materiales poliméricos y dispositivos para angioplastia coronaria

Por Eric R. George, Ph.D., de ERG Polymers LLC

Las enfermedades cardiovasculares son responsables de más de 15 millones de muertes en todo el mundo al año.1 La oclusión de vasos como las arterias coronarias o periféricas dificulta el flujo de sangre al corazón, lo que provoca ataques cardíacos (infarto de miocardio) y, a menudo, la muerte. La angioplastia coronaria transluminal percutánea (PTCA), un procedimiento endovascular mínimamente invasivo utilizado para ensanchar arterias estrechadas u obstruidas, es posible de muchas formas gracias a los materiales poliméricos.

En el primer artículo de esta serie, "Introducción a los materiales poliméricos para dispositivos médicos", analicé la química de polímeros, los requisitos clave para su uso en dispositivos médicos y el panorama de aplicaciones para la utilización exitosa de polímeros en dispositivos médicos.

Este artículo se centrará en la PTCA, también conocida como angioplastia con balón (consulte las referencias 2 a 4 para conocer la historia completa de este procedimiento). La PTCA fue posible gracias a las imágenes de rayos X del sistema cardiovascular a fines del siglo XIX.2 La primera evidencia experimental que finalmente condujo a los procedimientos modernos de hoy en día fue observada por Dotter en 1964 de que los catéteres de diagnóstico que pasaban a través de una lesión ilíaca comprimían la placa arterial, lo que conducía a una luz arterial más grande. En 1974, Gruentzig desarrolló el primer catéter de doble balón para la dilatación de estenosis vasculares.3

Los principios de la ingeniería mecánica y la física de los polímeros pueden contribuir significativamente a la comprensión de la expansión del catéter con balón. La optimización de los cables guía, los catéteres guía y con balón y los stents continúa contribuyendo a mejorar las tasas de éxito. Sus formas, tamaños, rigidez, flexibilidad y lubricidad interna y externa son factores críticos de éxito. En este artículo, analizo la liberación controlada de fármacos a partir de varios componentes y aplicaciones prospectivas, como catéteres y stents electrónicos y stents biorreabsorbibles e impresos en 3D.

Discutimos en orden el papel de los polímeros en los cables guía (GW), los catéteres guía (GC), los catéteres con balón, los stents y la administración de fármacos. Aquí se muestra una guía y un catéter con globo.

Imagen cortesía de Zeus.5

Los GW son el primer componente que se inserta en los lúmenes arteriales y, por lo general, son alambres metálicos recubiertos con polímeros lubricantes de baja fricción, como fluoropolímeros y siliconas.

Los GC en PTCA generalmente están diseñados para insertarse en la arteria femoral y poseen todos los requisitos para atravesar la luz de la arteria coronaria. Los catéteres con globo y los stents se administran a través del GC. Los requisitos incluyen funcionalidad como compuesto multicapa, biocompatibilidad y baja fricción/lubricidad en el interior y en la superficie, junto con la resistencia mecánica para la entrega de otros componentes en su interior. Aquí se muestra la construcción de tres capas de un catéter guía típico: el interior (gris) de PTFE, la malla de alambre y la cubierta exterior (azul).

Imagen cortesía de Zeus.5

La lubricidad interna del GC implicará primero la entrega funcional sobre el GW. La lubricidad es una función de una interacción de dos superficies. Si bien muchos lúmenes internos de GC están hechos de politetrafluoroetileno (PTFE), la opción de fricción más baja, se puede adaptar el revestimiento polimérico GW (fluoropolímeros, poliolefinas, poliamidas, siliconas, etc.) para tener una lubricidad adecuada y funcional con una superficie de lumen interno de GC determinada. . La capa interna seguirá teniendo éxito con los revestimientos de PTFE, pero las poliolefinas y otros polímeros (incluidos los copolímeros con PTFE) podrían exhibir baja fricción con propiedades mecánicas superiores al PTFE. Una discusión similar puede aplicarse a la entrega de catéteres con globo y catéteres con globo cargados con stent.

El GC será más rígido proximalmente que distalmente para atravesar la luz arterial de manera más efectiva. Esto se puede lograr a través de la GC que tiene un gradiente de flexibilidad. Para la capa exterior, los elastómeros termoplásticos (TPE) como la amida de bloque de poliéter (PEBA) y el TPE a base de olefina se pueden diseñar con diferentes módulos, resistencia y características de superficie para ayudar a lograr este gradiente funcional. Para el extremo proximal, se pueden elegir homopolímeros más rígidos, como los termoplásticos de ingeniería discutidos en mi primer artículo. La malla intermedia puede ser de varios diseños y materiales. Las mallas metálicas son funcionales, con una gran trayectoria de éxito con acero inoxidable y níquel titanio. Las fibras de Kevlar están demostrando ser una opción sólida para las mallas.

Los ejes del catéter con globo son materiales más rígidos hechos de termoplásticos de ingeniería, poliamidas (nylon) y poliésteres, por ejemplo. Para el segmento inflable de los catéteres con balón, se introduce el término "viscoelasticidad". Los polímeros exhiben características tanto de líquidos viscosos (que se alargan permanentemente más allá de una tensión crítica) como de sólidos elásticos (que retroceden parcialmente después de la liberación de la tensión), por lo que exhiben viscoelasticidad. Los TPE son una amalgama de componentes similares al caucho más blandos (visco) y componentes más rígidos (elásticos). Cuando se infla un globo, la cantidad de fuerza requerida para expandir el globo es proporcional a la relación y morfología de los dos componentes. La deformación es la longitud de la expansión. Una vez que se expande bajo presión, el TPE puede continuar expandiéndose (lo que se conoce como fluencia). La cantidad de fuerza (estrés) para mantener el globo expandido puede disminuir con el tiempo (relajación del estrés).

Los materiales del globo coronario deben exhibir la capacidad de expandirse a un diámetro objetivo de manera uniforme y precisa en el área de acumulación de placa a presiones de alrededor de 20 atm y mantener ese diámetro el tiempo suficiente para aumentar el flujo sanguíneo. La presión de explosión del globo debe exceder la presión de inflado. Los científicos de polímeros y los ingenieros mecánicos combinan sus habilidades para adaptar el comportamiento exacto de los globos para PTCA. El análisis de elementos finitos se puede utilizar para modelar el comportamiento de los polímeros viscoelásticos del catéter con balón.6

Algunos consideran que la PTCA es una de las contribuciones más impactantes a la salud humana en la historia. El futuro sigue siendo prometedor para una angioplastia coronaria aún más eficaz. Los esfuerzos actuales incluyen balones recubiertos de fármacos para inhibir la reestenosis,7 enfoques macromoleculares para prevenir la hiperplasia de la íntima después de la PTCA,8 avances recientes en stents liberadores de fármacos,9 y varios programas en etapa de descubrimiento en stents biorreabsorbibles, electrónicos, con memoria de forma e impresos en 3D .10,11

Se desarrollaron stents y balones liberadores de fármacos para ampliar la eficacia de la PTCA mediante la inhibición de la reestenosis, la hiperplasia de la íntima y la trombosis. Los primeros stents liberadores de fármacos mostraron resultados mixtos, ya que recubrir un stent tiene sus limitaciones. Un ejemplo de recubrir catéteres con balón con ingredientes activos farmacéuticos antiinflamatorios y antirestenóticos encapsulados en fosfolípidos y controlar las tasas de liberación es una opción sólida para avanzar. Los fármacos se liberan durante la angioplastia y se absorben en el endotelio de la luz arterial.7

Para los balones liberadores de fármacos (DEB), un globo poroso con infusión de fármacos es otra opción. Los balones porosos se pueden preparar con fluoropolímeros expandidos (PTFE, por ejemplo), polímeros espumados, geles de polímeros y polímeros con volúmenes libres inherentemente grandes. "El globo poroso tiene el beneficio adicional de que puede administrar precursores de hidrogel, o incluso revestimientos moleculares a la superficie dañada del vaso para formar revestimientos suaves antitrombóticos en la luz del vaso".8

Los avances recientes en stents incluyen stents liberadores de fármacos de liberación controlada (DES);9 stents biorreabsorbibles habilitados electrónicamente;10 y un stent con memoria de forma, electrónico, biorreabsorbible, impreso en 3D y potencialmente por excelencia.11 Hu et al.9 revisaron el progreso reciente en el tratamiento de reestenosis, reendotelización tardía o incompleta y trombosis tardía del stent. La tasa de liberación del fármaco a lo largo del tiempo es crítica para minimizar los eventos adversos relacionados con la PTCA y los autores determinaron que "los factores que afectan la tasa de liberación del fármaco incluyen el vehículo del fármaco, el fármaco, los métodos de recubrimiento, el almacenamiento del fármaco, la dirección de elución, el espesor del recubrimiento, el tamaño de los poros en el recubrimiento, condiciones de liberación (medio de liberación, valor de pH, temperatura) y hemodinámica después de la implantación del stent".

Son et al.10 "presentan diseños de nanomateriales y estrategias de integración para el stent electrónico biorreabsorbible con nanopartículas funcionalizadas infundidas con fármacos para permitir la detección de flujo, el control de la temperatura, el almacenamiento de datos, la transmisión inalámbrica de energía/datos, la supresión de la inflamación, la administración localizada de fármacos y la terapia de hipertermia ." Los stents electrónicos que combinan la detección del flujo sanguíneo y la temperatura a través de componentes electrónicos integrados podrían aumentar el tiempo de eficacia de la PTCA.

Yeazel et al.11 informan sobre el progreso hacia la impresión 3D de stents de polímeros con memoria de forma biorreabsorbibles. La impresión 3D puede proporcionar los medios para adaptar las dimensiones de los stents para un ajuste preciso a cada paciente individual. La tecnología de polímeros biorreabsorbibles avanza hacia polímeros que se descomponen para ser excretados sin efectos adversos en el paciente. La memoria de forma puede permitir la expansión de un stent a una expansión más precisa, minimizando el daño mecánico del lumen arterial. Los enfoques de memoria de forma eliminan la necesidad de desplegar stents con expansión de globo.

La tecnología de polímeros bioabsorbibles sigue avanzando. Una limitación clave es que los polímeros biorreabsorbibles tradicionales como la poli(L-lactida), la poli(D-lactida) y la poli(caprolactona) se reabsorben con demasiada lentitud y/o carecen de las propiedades mecánicas prolongadas para comprimir adecuadamente la placa de las luces arteriales estenóticas.

Los avances recientes en polímeros impresos fotoquímicamente, con memoria de forma y/o biorreabsorbibles incluyen poli (fumarato de propileno), poli (ortoéster) y poli termorreactivo (oligoetilenglicol-co-acetato de vinilo).11 Optimización del peso molecular del polímero, grado de cristalinidad y orientación (por recocido), y la distribución de las unidades de comonómero serán factores críticos para el éxito además de la constitución química de los polímeros utilizados.

La PTCA sigue siendo un tratamiento fundamental en la enfermedad de las arterias coronarias. El procedimiento es multifacético y los polímeros juegan un papel fundamental en la mayoría de los componentes del procedimiento: el primer cable guía insertado está recubierto con polímeros lubricantes como fluoropolímeros, el catéter guía es básicamente un compuesto de polímero de tres capas que a menudo consta de un lumen interno de PTFE, una malla de alambre de capa intermedia de polímero de cristal líquido o metal, y la capa exterior que consta de polímeros más rígidos como poliamidas de alto punto de fusión en el extremo proximal y polímeros de módulo más bajo como elastómeros termoplásticos en el extremo distal (poliéter-bloque-amidas, por ejemplo). Los stents metálicos pueden reemplazarse algún día con polímeros y materiales inorgánicos que pueden imprimirse en 3D y exhibir memoria de forma para adaptar las dimensiones exactas antes y después de la expansión para una eficacia mejorada centrada en el paciente. Los polímeros biorreabsorbibles habilitados electrónicamente que se pueden dejar en su lugar, brindan un flujo sanguíneo extendido por encima de los estándares actuales y se degradan y excretan sin eventos adversos para el paciente están progresando en muchos laboratorios de I + D en todo el mundo.

El Dr. Eric R. George tiene un Ph.D. en ciencia e ingeniería de polímeros de la Universidad de Massachusetts y una licenciatura en ciencia de polímeros de la Universidad del Sur de Mississippi. Su experiencia abarca la ingeniería de termoplásticos, polímeros biodegradables, dispositivos biomédicos y enfermedades oculares. Actualmente trabaja en ERG Polymers, LLC y anteriormente ocupó cargos en GE Plastics, Zeus Inc. y Johnson & Johnson (tanto Johnson & Johnson Vision como Janssen Pharmaceuticals). Posee 35 patentes estadounidenses, ha publicado 12 artículos de revistas arbitradas y es Six Sigma Black Belt certificado. Recibió el Premio al Alumno Sobresaliente 2017 de la Facultad de Ciencia y Tecnología de la Universidad del Sur de Mississippi.

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