Feasibility and safety of a novel 3D-printed biodegradable biliary stent in an in vivo porcine model: a preliminary study

Abstract

Objectives: To assess the feasibility and safety of a novel 3D-printed biodegradable biliary stent using polycaprolactone (PCL) in an in vivo porcine model Methods: In this animal study using domestic pigs, biodegradable radiopaque biliary stents made of polycaprolactone (PCL) and barium sulfate were produced using 3D printing and surgically inserted into the common bile duct (CBD) of pigs (stent group, n=12). Another five pigs were allocated to the control group that only underwent resection and anastomosis of the CBD without stent insertion. To check the position and status of the stents and stent-related complications, follow-up computed tomography (CT) was performed every month. The pigs were sacrificed 1 or 3 months after surgery, and their excised CBD specimens were examined at both the macroscopic and microscopic levels. Results: Three pigs (one in the stent group and two in the control group) died within one day after surgery and were excluded from further analysis; the remaining 11 in the stent group and 3 in the control group survived the scheduled follow-up period (1 month, 5 and 1; and 3 months, 6 and 2 in stent and control groups, respectively). In all pigs, no clinical symptoms or radiologic evidence of biliary complications was observed. In the stent group (n=11), stent migration (n=1 at 3 months; n=2 at 1 month) and stent fracture (n=3 at 2 months) were detected on CT scans. Macroscopic evaluation of the stent indicated no significant change at 1 month (n=3) or fragmentation with discoloration at 3 months (n=5). On microscopic examination of CBD specimens, the tissue inflammation score was significantly higher in the stent group than in the control group (mean±standard deviation (SD), 5.63±2.07 vs. 2.00±1.73; P=0.039) and thickness of fibrosis of the CBD wall was significantly higher than that of the control group (0.46±0.12 mm vs. 0.21±0.05mm; P=0.012). Conclusion: Despite mild bile duct inflammation and fibrosis, 3D-printed biodegradable biliary stents showed good feasibility and safety in porcine bile ducts, suggesting their potential for use in the prevention of postoperative biliary strictures.

서론: 삼차원 프린터와 폴리카프로락톤 (PCL)을 이용한 새로운 생분해성 담도 스텐트의 타당성과 안정성을 돼지 모델에서 평가하기 위한 연구이다. 방법: 본 연구에서는 삼차원 프린터를 이용하여 PLC과 황산 바륨을 섞은 생분해성 방사선 불투과 담도 스텐트를 제작하고, 돼지의 총담관에 삽입 하였다 (스텐트 군, n =12). 또한, 다른 5마리의 돼지는 스텐트 삽입 없이 총담관의 절제 및 문합만을 시행한 대조군에 할당하였다. 스텐트의 위치와 상태, 스텐트 관련 합병증을 확인하기 위해 매월 추적 컴퓨터 단층촬영(CT)을 시행하였다. 돼지는 수술 후 1개월 혹은 3개월 후에 희생되었고, 절제된 총담관 표본은 병리과 전문의가 육안적, 현미경적으로 관찰 및 분석하였다. 결과: 3마리의 돼지(스텐트 군에서 1마리, 대조군 2마리)는 수술 후 하루 이내에 사망했으며 이후 분석에서 제외되었다; 나머지 스텐트 군 11마리와 대조군 3마리는 예정된 추적관찰 기간 (스텐트 군: 1개월 5마리, 3개월 6마리; 대조군: 1개월 1마리, 3개월 2마리) 동안 생존했다. 모든 돼지에서 담도 합병증의 임상 증상이나 영상의학적 증거는 관찰되지 않았다. 스텐트 군 (n = 11)에서는 추적관찰 CT에서 스텐트 이동 (3개월 째 1마리, 1개월 째 2마리)과 스텐트 골절 (2개월 째 3마리)이 관찰되었다. 스텐트의 육안 평가 결과 1개월 째 (n = 3)에는 유의한 변화가 없었고, 3개월 째 (n = 5)에 변색과 단편화가 관찰되었다. 총담관 표본의 현미경 검사에서 조직 염증 점수는 대조군보다 스텐트 군에서 유의하게 높았고 (mean±standard deviation, 5.63±2.07 vs. 2.00±1.73; P=0.039), 총담관 벽의 섬유화 두께도 대조군보다 스텐트 군에서 유의하게 두꺼웠다 (0.46±0.12 mm vs. 0.21±0.05mm; P=0.012). 결론: 경미한 담관 염증 및 섬유화에도 불구하고 삼차원 프린터로 만든 생분해성 담도 스텐트는 돼지 담관에서 좋은 타당성과 안정성을 보여, 추후 수술 후 담도 협착 예방에 사용할 수 있는 가능성을 보였다고 할 수 있겠다.