Evaluation of biocompatibility of intra-arterial poly-L-lactic acid stent by tantalum ion implantation

Abstract

Objective Biodegradable poly-L-lactic acid (PLLA) with a highly biocompatible surface via tantalum (Ta) ion implantation can be an innovative solution for the problems associated with current biodegradable stents. The purpose of this study is to develop a Ta-implanted PLLA stent for clinical use and to investigate its biological performance capabilities.

Methods The effectiveness of tantalum ion implantation on PLLA materials was evaluated by histological examinations, immunohistochemistry, and in vitro tests. The re-endothelialization ability and thrombogenicity were examined through in vitro endothelial cell and platelet adhesion tests. An in vivo swine model was used to evaluate the effects of Ta ion implantation on subacute restenosis and thrombosis. Nitinol self-expandable stents were also deployed for comparison. Angiographic and histologic evaluations were conducted at one, two and three months post-treatment. All parent artery diameters were measured to evaluate the effects of this parameter on the experimental results.

Results The Ta-implanted PLLA stent was successfully fabricated, exhibiting a smooth surface morphology and modified layer integration. After Ta ion implantation, the surface properties were more favorable for rapid endothelialization and for less platelet attachment compared to the bare PLLA stent. In an in vivo animal test, follow-up angiography showed no evidence of in-stent stenosis in either group. In a microscopic histologic examination, luminal thrombus formation was significantly suppressed in the Ta-implanted PLLA stent group according to the two-month follow-up assessment (21.2% versus 63.9%, p=0.005). A large parent artery diameter was related to less thrombogenicity (p=0.015 at two months) and neointimal hyperplasia (p=0.020 at one month). However, less thrombogenicity at two months appeared to be more related to Ta ion implantation (p=0.066) than a large parent artery diameter (p=0.204). The Nitinol self-expandable stent was superior in terms of neointimal hyperplasia, inflammation and thrombogenicity compared to the PLLA stent groups.

Conclusion The Ta-implant PLLA stents appear to be advantageous in terms of re-endothelialization and anti-thrombogenicity compared to the bare PLLA stents.

목적 탄탈럼(Ta) 이온 주입을 통해 생체 적합성이 높은 표면을 가지게 된 생분해성 폴리-L-젖산(PLLA)은 현재 생분해성 스텐트가 가진 문제에 대한 혁신적인 해결 방안이 될 수 있다. 이 연구의 목적은 임상용 Ta-주입 PLLA 스텐트를 개발하고 생물학적 성능을 조사하는 것이다.

방법 PLLA 재료에 대한 Ta 이온 주입의 효과를 조직학적 검사, 면역조직화학 및 체외 실험들을 통해 평가하였다. 체외 환경에서 내피세포 및 혈소판 접착 테스트를 통해 재내피화 능력과 혈전형성도를 실험하였다. 체내 환경에서 Ta 이온 주입이 아급성 재협착 및 혈전형성에 미치는 영향을 평가하기 위해 돼지 모델을 사용하였다. 비교를 위해 Nitinol 자체 확장형 스텐트도 삽입되었다. 혈관 조영술 및 조직학적 평가는 시술 후 1, 2, 3개월에서 이루어졌다. 실험 결과에 미치는 영향을 평가하기 위해 모든 모동맥의 크기가 측정되었다.

결과 Ta-주입 PLLA 스텐트가 성공적으로 제작되었다. 스텐트의 매끄러운 표면 형태와 Ta주입을 통해 수정된 층이 잘 결합되어 있음을 확인하였다. Ta 이온 주입 후, 스텐트의 표면 특성은 생 PLLA 스텐트에 비해 빠른 내피화 및 혈소판이 덜 부착하는 성질을 보였다. 체내 동물 실험에서, 추적 혈관 조영술은 두 그룹 모두에서 스텐트내 협착의 증거를 보여주지 않았다. 스텐트 삽입 두 달 후 시행한 현미경 조직학적 검사에서 Ta-주입 PLLA 스텐트 그룹에서 혈관내 혈전 형성이 유의하게 억제되었다(21.2% 대 63.9% p=0.005). 큰 모동맥 직경은 혈전 형성 억제 (p=0.015, 2개월 추적 관찰) 및 신내막증식 억제 (p=0.020, 1개월 추적 관찰)와 연관이 있었다. 그러나 2개월째 나타난 혈전 형성 억제는 큰 모동맥 직경 (p=0.204)보다 Ta 이온 주입 (p=0.066)과 더 관련이 있는 것으로 나타났다. Nitinol 자체 확장형 스텐트는 PLLA 스텐트 그룹에 비해 신생내막 증식, 염증 및 혈전 형성 측면에서 우수했다.

결론 Ta-주입 PLLA 스텐트는 생 PLLA 스텐트에 비해 재내피화 및 항혈전능력 측면에서 유리한 것으로 보인다.