Ферромагнитный Bare Metal Стент для эндотелиальных клеток Capture и удержания

Общая цель следующего эксперимента заключается в разработке ферромагнитного металлического стента без покрытия, способного захватывать и удерживать эндотелиальные клетки, меченные магнитными наночастицами. Это достигается путем проектирования стента из нержавеющей стали 2205 с использованием программного обеспечения для автоматизированного проектирования (CAD) и анализа методом конечных элементов (FEA), чтобы детально изучить механическое поведение материала и структуры стента при обжимке и расширении. Затем изготовленный стент подвергается механической обжимке и расширению для демонстрации его механической целостности, после чего изучается способность стента удерживать магнитное поле, что подтверждает его магнитные свойства.

Затем стенты имплантируют свиньям и вводят эндотелиальные клетки, меченные магнитными наночастицами, чтобы подтвердить захват и удержание клеток в коронарном кровотоке. Результаты гистологического анализа эксплантированных кровеносных сосудов из экспериментов in vivo показывают, что ферромагнитный стент, разработанный в данном исследовании, способен захватывать и удерживать магнитно меченные эндотелиальные клетки. Значение этого метода распространяется на разработку различных сердечно-сосудистых устройств, поскольку быстрая эндотелизация может стимулировать заживление и улучшить совместимость с кровью.

Как правило, специалисты, впервые применяющие данный метод, сталкиваются с трудностями из-за сложности процедур САПР и МКЭ, задействованных при проектировании стентов; также определенным вызовом для начинающих может стать культивирование клеток. Ввиду необходимости строгого соблюдения условий асептики, мы стремились улучшить процесс приживления клеток на стентах и предложили использовать магнитные силы для их прикрепления. Визуальная демонстрация данного метода имеет решающее значение, поскольку этапы разработки стента и заселения его клетками трудно освоить из-за сложности поведения материала при кримпировании и расширении, а также из-за новизны метода магнитного захвата клеток стентом.

Для начала с помощью программного обеспечения CAD создайте полый вытянутый цилиндр, выбрав функцию «Вытянутый бобышка-базис» (extruded boss base) с толщиной стенки, равной толщине стойки стента. Разработайте рисунок стента на другой плоскости эскиза, касательной к вытянутому цилиндру. Установите ширину плоского рисунка соответствующей длине окружности полого вытянутого цилиндра.

С помощью функции «Обертывание» (wrap) перенесите развертку конструкции на полую цилиндрическую поверхность. Сохраните деталь в исходном формате, а также в формате ACEs для последующего экспорта в программу МКЭ. Для проведения анализа методом конечных элементов импортируйте твердотельную геометрию, сохраненную в формате ACEs, в модуль деталей программного обеспечения МКЭ для дальнейшей обработки в конструкторе моделей. Смоделируйте два аналитических цилиндра коаксиально стенту. Дважды щелкните по элементу дерева экземпляров в конструкторе сборок, чтобы расположить детали относительно друг друга с помощью модуля сеток программного обеспечения МКЭ.

Задайте элемент, выбрав тип 20-узлового гексаэдрического элемента с сокращенным интегрированием. Укажите размер элемента и создайте сетку стента в свойствах взаимодействия (interaction properties) дерева модели. Задайте пары жесткого бесконтактного взаимодействия (frictionless rigid contact) между стентом и двумя цилиндрами соответственно.

Присвойте модели стента поведение при растяжении-сжатии 2205 нержавеющей стали на основе данных ELAs opl. Определите граничные условия для первоначального сжатия внешнего цилиндра до одного миллиметра, что имитирует процесс кримпирования. Удалите внешний цилиндр, чтобы смоделировать релаксацию сжатого стента.

Раздвиньте внутренний цилиндр до трех миллиметров для имитации расширения, и, наконец, удалите внутренний цилиндр для имитации отдачи стента. После завершения симуляции откройте файл с результатами и проведите их постобработку для изучения главных деформаций и итеративного улучшения конструкции стента, чтобы достичь главной деформации 20%, что ниже предела прочности материала.

После получения трубок из нержавеющей стали 2205 и вырезания стентов в соответствии с текстовым протоколом под вытяжным шкафом с использованием соответствующих средств индивидуальной защиты, проведите кислотное травление стентов для пассивации поверхности электрополированных изделий путем их погружения в 50% hydrochloric acid на 10 минут, с последующим погружением в 10% sodium bicarbonate еще на 10 минут для завершения процесса травления. Промойте стенты этанолом, а затем деионизированной водой. Затем, чтобы проверить стенты на сжимаемость, возьмите стент и трехслойный баллон.

С помощью ручного инструмента для кримпинга нажмите на рукоятку, чтобы деформировать стент и закрепить его на баллоне. После проверки кримпированного стента под микроскопом на предмет равномерности сжатия и наличия признаков повреждения, расширьте стент до расчетного диаметра 3 мм, используя воду для создания давления в трехскладном баллоне. Осмотрите расширенные стенты на наличие микроскопических трещин и равномерность расширения, используя мощный неодимовый магнит.

Выполните диаметральное намагничивание стентов, зафиксировав стент одной из плоских граней так, чтобы его диаметр был направлен вдоль линий магнитного поля. В качестве альтернативы можно выполнить осевое намагничивание стентов, расположив стент рядом с цилиндрической поверхностью так, чтобы его ось была направлена вдоль линий магнитного поля. Держите стент вблизи сильного магнита примерно одну минуту.

Для намагничивания individually установите стенты на стеклянные стержни-мандарины, а затем закрепите стеклянные стержни в прецизионном патроне установки для магнитного зондирования. С помощью X, Y, Z-перемещений установки для магнитного зондирования точно расположите зонд магнитного микросенсора рядом со стентом, не касаясь его поверхности. Измерьте базовый показатель магнитного микросенсора вдали от стента, а затем с помощью X, Y, Z-перемещений позиционируйте зонд и измерьте остаточное магнитное поле на поверхности стержня.

После получения эндотелиальных клеток выроста (EOCs) из периферической крови свиньи, согласно описанному в текстовом протоколе методу культивирования, выращивайте клетки в колбе T 75 до достижения примерно 80% конфлюэнтности. После синтеза суперпарамагнитных наночастиц оксида железа (pyon) добавьте pyon к EOCs в культуральную среду в концентрации 200 µg/mL. Инкубируйте при 37 °C в течение 16 часов.

Осторожно аспирируйте культуральную среду и добавьте в колбу 10 milliliters PBS. Затем аккуратно покачайте колбу и снова проведите аспирацию. Добавьте 5 µg/mL флуоресцентного красителя, такого как CM DAI, в 10 milliliters культуральной среды для окрашивания клеток согласно инструкциям производителя и инкубируйте при 37 °C в течение 30 минут.

Аккуратно промойте клетки раствором PBS, как и ранее, затем добавьте 0,25% раствор трипсина-ЭДТА и инкубируйте при 37 °C в течение пяти минут, чтобы открепить клетки от стенки флакона. Перенесите клеточную суспензию в коническую пробирку объемом 15 мл. Дополните объем раствором PBS и центрифугируйте при 500 G в течение пяти минут для осаждения клеток, после чего слейте супернатант.

Используйте PBS для ресуспендирования клеток до концентрации от 1 до 2 миллионов клеток на мл. Для исследований клеток in vitro спроектируйте и изготовьте простое приспособление для фиксации стента непосредственно над поверхностью стеклянного покровного стекла. Используйте электромагнитный размагничиватель для размагничивания стента или сильный неодимовый магнит для диаметрального или осевого намагничивания стента; затем с помощью пипетки внесите меченые клетки, суспендированные в PBS, в чашку, содержащую осево намагниченные, диаметрально намагниченные или ненамагниченные контрольные стенты.

Затем с помощью инвертированного флуоресцентного микроскопа визуализируют стенты с EOC в суспензии PBS. Для проведения имплантации стентов четырем здоровым йоркским свиньям вводят антиагрегантные препараты и проводят анестезию согласно текстовому протоколу; используя стандартную методику катетеризации сердца, один намагниченный и один ненамагниченный стент имплантируют в правую коронарную артерию (RCA). После продвижения баллона и стента с помощью проводника и баллона типа «over-the-wire» перекрывают кровоток в RCA проксимальнее имплантированных стентов. Затем в течение двух минут через центральный катетер вводят примерно 2 миллиона аутологичных EOC, маркированных s scions в 4 мл PBS; после еще двух минут окклюзии восстанавливают кровоток в RCA, извлекают стент и проводят гистологический анализ. Согласно текстовому протоколу, представленному здесь, итеративный дизайн стента на основе FEA позволил создать стент, который может сжиматься и расширяться при главной деформации 20%, что меньше предельной деформации 30%.

Лазерно-вырезанный, электрополированный стент, установленный на баллонный катетер Trifle и расширенный до трех миллиметров с помощью баллона Trifle, не проявил признаков разрыва. Изображения деформированного стента продемонстрировали хорошее соответствие деформации, рассчитанной методом КЭА, а микроскопические снимки, как и ожидалось из измерений остаточного магнитного поля, не выявили разрывов. SPY на меченых клетках преимущественно притягивались к сегментам Бена в аксиально намагниченных стентах и более равномерно распределялись по прямым сегментам.

На гистологических срезах стентов с диаметральным намагничиванием наблюдалось окрашивание на железо вблизи стоек стента, что подтверждает притяжение и удержание EOC на стенте в течение семидневного периода имплантации. При выполнении данной процедуры важно понимать принципы FEA и CAD, поскольку некорректные входные параметры могут привести к ошибкам в конструкции стента, в результате чего он получится либо слишком жестким, либо склонным к разрыву.

После выполнения данной процедуры можно провести другие исследования, такие как ускоренные испытания на усталость и тесты на токсичность, чтобы ответить на дополнительные вопросы, например, какова долгосрочная износостойкость и биосовместимость стентов? Спустя несколько лет разработки мы получили функционирующую технологию, которая была валидирована на модели свиньи.

После просмотра этого видео вы должны получить четкое представление о том, как разработать ферромагнитный стент и провести тестирование захвата и удержания магнитно-меченных и артериальных клеток.