Ingénierie de stent instrumenté réalisée par impression 3d en stéréolithographie

Topic description

L'athérosclérose est une maladie due à l'accumulation progressive d'un noyau lipidique et de débris cellulaires au sein de la paroi artérielle, formant une plaque d'athérome. Ce processus inflammatoire mène à une sténose limitant l'apport en oxygène aux tissus, ou à une rupture de plaque déclenchant un événement thrombotique aigu. Afin de rétablir une hémodynamique normale, la restauration du flux sanguin repose historiquement sur l'angioplastie. Le principe consiste dans l’introduction d’un cathéter à ballonnet qui écrase la plaque pour élargir l'artère. Cependant, l'angioplastie seule présente des limites : l'artère subit souvent un recul élastique immédiat ou une resténose cicatricielle à moyen terme. Pour pallier ces échecs mécaniques, l'implantation d'un stent est devenue la norme.

Le stent est une prothèse tubulaire maillée, généralement métallique ou polymère biodégradable. Son épaisseur varie de 60 à 80 μm pour le métal, contre à μm pour les polymères biodégradables. Sa longueur varie de 10 à 30 mm pour les artères coronaires et peut atteindre 80 mm pour les artères périphériques. Son diamètre, quant à lui, s'échelonne de 1 à 5 mm pour le réseau coronaire et peut atteindre 12 mm en périphérie. Sertie sur le ballonnet du cathéter, la prothèse est déployée contre la paroi artérielle lors de l’inflation du ballonnet et y demeure apposée. Son rôle est de maintenir le diamètre de la lumière artérielle et de stabiliser la plaque d'athérome. Pour limiter la prolifération cellulaire responsable de la resténose, les stents sont souvent dotés d’un revêtement polymère actif libérant un médicament de manière contrôlée. Malgré ces avancées, les géométries actuelles imposent un compromis complexe entre propriétés mécaniques (flexibilité, force radiale, durabilité), conformabilité et biocompatibilité. La transition vers des matériaux polymères biocompatibles accentue ces défis structurels. C'est dans ce contexte que s'inscrit cette thèse, visant à explorer de nouvelles architectures basées sur des méta-structures polymères pour optimiser le comportement vasculaire des artères coronaires.

Dans cette étude, les stents seront produits par fabrication additive (stéréolithographie). Dans la première phase, la résine polymère sera sélectionnée, puis les protocoles d’impression et de fabrication seront validés. À cette fin, plusieurs types de résines seront testés sous forme d’éprouvettes de type dogbone. Celles-ci seront fabriquées selon différents angles d’impression (de 0° à 90°) [1] en faisant varier les paramètres du procédé (température de la résine, épaisseur de couche), ainsi que les étapes de nettoyage et de post-traitement (durée et température de l’insolation UV). L’objectif est de réaliser sur ces éprouvettes des essais de traction quasi-statique (monotones et cycles charge-décharge) et d’examiner leur réponse temporelle (essais de relaxation, fluage et/ou fatigue). Les résultats permettront d'identifier les paramètres élastiques (module de Young et coefficient de Poisson) et d’estimer l’anisotropie induite par l’orientation d’impression. Un modèle de comportement capable de décrire la réponse du matériau sous une large gamme de sollicitations sera proposé. Les choix du protocole final et du matériau reposeront sur la répétabilité des mesures et l’optimisation des performances mécaniques. Dans un second temps, l’étude portera sur la caractérisation de structures tubulaires minces qui représentent une étape cruciale au regard de l’application envisagée. Ainsi, plusieurs éprouvettes présentant différentes épaisseurs, longueurs et diamètres seront testées en compression (radiale et longitudinale), ainsi qu’en torsion. Ces essais seront réalisés en conditions quasi-statiques et en fatigue sur un grand nombre de cycles. Les résultats permettront d’enrichir le modèle de comportement établi lors de la première phase et de mesurer des grandeurs mécaniques supplémentaires telles que la rigidité en compression, le flambement et la résistance en torsion. Enfin, les essais de fatigue permettront de tracer les courbes de Wöhler afin de définir un critère de rupture. Cette caractérisation est impérative pour prévoir la durée de vie du stent, celui-ci étant soumis à des millions de cycles liés aux battements cardiaques.

Les résultats de cette campagne de caractérisation de la première phase de la thèse constitueront le socle de l’optimisation de la géométrie du stent. La deuxième phase s’articulera autour de l’étude numérique par éléments finis et de sa validation par un ensemble d’essais mécaniques. L’objectif sera d’évaluer l’impact des paramètres géométriques des cellules unitaires (taille, longueur, épaisseur), de leur densité (longitudinale et circonférentielle), ainsi que de leur agencement au sein de la structure finale. Cette démarche est cruciale, car l’épaisseur importante des stents polymères actuels perturbe l’écoulement sanguin, augmentant ainsi le risque de thrombose [2]. Le concept de méta-structure vise à relever ce défi via l’optimisation topologique des mailles. Cette conception doit concilier plusieurs impératifs mécaniques : i) le maintien d’une force radiale suffisante pour assurer l’ouverture du canal sanguin, ii) la résistance à la torsion et iii) la tenue en fatigue. Par ailleurs, la prédictibilité de l’expansion de la méta-structure lors du déploiement sera étudiée, ainsi que le retour élastique (recoil) radial et longitudinal, afin de prévenir toute lésion artérielle locale. Un aspect fondamental de l'étude portera également sur la flexibilité du dispositif : le stent doit pouvoir se positionner dans des artères coronaires souvent de géométrie compliquée, sans causer de traumatismes vasculaires. À cet égard, le choix de la résine polymère et la géométrie des mailles seront déterminants et seront optimisés par simulation numérique. Celles-ci seront validées par des essais mécaniques (compression, fatigue, torsion) sur des prototypes optimisés, produits par impression 3D. Une collaboration avec des cardiologues du CHU de Brest permettra de garantir une démarche réaliste en termes de stent pour des applications cliniques. Parallèlement, l'étude intègre une dimension multiphysique dédiée à la simulation de l’ensemble stent + paroi endothéliale interne. Cette approche requiert des compétences en fluidique et mécanique des milieux continus.

Dans la troisième phase, l'intégration d’une antenne et de capteurs MEMS permettra de documenter les anomalies mécaniques et de transmettre ces données en temps réel. L’enjeu est triple : garantir un compromis optimal entre biocompatibilité, conformabilité et résistance mécanique, tout en offrant, grâce à la connectivité, une médecine personnalisée qui renforce l'autonomie du patient.

[1] Z. Rui, X. Yang, L. Shiyi, H. Ping, H. Wenbin, H. Qingyuan et S. Chunlai, Isotropic and anisotropic elasticity and yielding of 3D printed material, Composites Part B, vol. 99,, .
[2] C. Brosseau, G. Nocchiero et J. Ville, The future of 3D printing in instrumented implantable polymer meta-stents, Annals of 3D Printed Medicine, vol. 19,, .

Starting date

-10-01

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Acquis