Integrated strategies for improved bioresorbable stents with silk: characterization, fabrication, and composite integration

Abstract

ENG- This doctoral thesis explores the creation of next-generation bioresorbable stents (BRS) using an advanced manufacturing technology known as Direct Ink Writing (DIW). This technique enables the printing of a wide variety of biomaterials in the form of pastes or inks, offering high versatility and significant potential for developing medical devices for healthcare and tissue engineering.

The research begins with an analysis of current trends in additive manufacturing and a review of DIW technologies, highlighting the challenges that traditional BRS still face. In this context, the study investigates the use of innovative materials like silk fibroin (SF), a protein derived from the silk of the Bombyx mori silkworm. SF offers high mechanical properties and biocompatibility, being a natural polymer. The thesis delves into creating SF inks suitable for DIW, showing a way for manufacturing stents with natural materials that improve biocompatibility and can be absorbed by the body over time.

The study also examines the use of other materials, such as polyvinyl alcohol (PVA)-based inks, a polymer known for its flexibility and suitability for hydrogel manufacturing. Some of these hydrogels have already been successfully used in other medical devices, reinforcing the interest in developing a suitable environment for BRS using this material. Therefore, the thesis proposes the fabrication of multi-material stents combining PVA and SF to enhance the mechanical properties and biocompatibility of the device. These polymers work in a complementary manner: PVA provides flexibility and stability, while SF offers mechanical strength and biocompatibility.

Finally, the technique of electrospinning (ES) is incorporated, a method that creates micrometric-diameter polymer fibers. This approach enables the application of a coating to the stent with a drug-releasing layer. This coating facilitates a controlled release of medications, helping reduce the risk of complications after stent implantation. Additionally, the large number of fibers increases the drug's contact surface, improving efficiency compared to traditional methods, where the drug is encapsulated in the stent's core and released gradually as it degrades.

This thesis provides a relevant contribution to the field of medical devices by offering new alternatives for BRS fabrication with innovative and promising techniques, opening new possibilities for treating cardiovascular diseases

CAT- Aquesta tesi doctoral explora la creació de stents bioresorbibles de nova generació (BRS) mitjançant una tecnologia de fabricació avançada coneguda com a escriptura directa de tinta (DIW). Aquesta tècnica permet imprimir amb una amplia varietat de biomaterials en forma de pastes o tintes, destacant per la seva gran versatilitat i potencial en la creació de dispositius mèdics per a la cura de la salut i la enginyeria de teixits.

La recerca s'inicia amb una anàlisi de les tendències actuals en fabricació additiva i una revisió de les tecnologies DIW, ressaltant els reptes que encara presenten els BRS tradicionals. En aquest context, s'ha investigat l'ús de materials innovadors com la fibroïna de seda (FS), una proteïna derivada del cuc de seda (Bombyx mori), que ofereix elevades propietats mecàniques i una biocompatibilitat destacable, essent un polímer natural. La tesi aprofundeix en la creació de tintes de FS adequades per a DIW, fet que obre noves vies per fabricar stents amb materials naturals que millorin la biocompatibilitat i que es puguin reabsorbir amb el temps.

També s’analitza l'ús d'altres materials, com les tintes basades en alcohol polivinílic (PVA), un polímer que aporta flexibilitat i és adequat per a la fabricació d'hidrogels. Alguns d'aquests hidrogels ja han estat utilitzats amb èxit en altres dispositius mèdics, fet que reforça l’interès en crear un entorn adequat per a BRS amb aquest material. Així, es proposa la fabricació de stents multimaterials que combinen PVA i FS, amb l'objectiu de millorar les propietats mecàniques i la biocompatibilitat del dispositiu. Aquests polímers es complementen de manera òptima: el PVA ofereix flexibilitat i estabilitat, mentre que la FS proporciona resistència mecànica i biocompatibilitat.

Finalment, s'incorpora la tècnica de l’electrospinning (ES), un mètode que permet crear fibres de polímer de diàmetre micromètric. Aquesta tècnica possibilita l’aplicació d'un recobriment a l'stent amb una capa alliberadora de fàrmacs. Aquest recobriment facilita una alliberació controlada de medicaments, ajudant a reduir el risc de complicacions després de la implantació del stent. A més, la presència d’un gran nombre de fibres augmenta la superfície de contacte del fàrmac, millorant l'eficàcia respecte als mètodes tradicionals, on el fàrmac es troba encapsulat en el nucli del stent i depèn de la seva degradació per ser alliberat.

Aquesta tesi suposa una contribució rellevant al camp dels dispositius mèdics en oferir noves alternatives per a la fabricació de BRS amb tècniques innovadores i prometedores, obrint noves possibilitats en el tractament de les malalties cardiovasculars