dc.contributor.advisor | Devine, Declan M. | |
dc.contributor.author | Engler, Leonardo Galli | |
dc.contributor.other | O`Cearbhaill, Eoin | |
dc.contributor.other | Geever, Luke | |
dc.contributor.other | Soares, Rosane Michele Duarte | |
dc.contributor.other | Ely, Mariana Roesch | |
dc.date.accessioned | 2025-03-25T19:28:05Z | |
dc.date.available | 2025-03-25T19:28:05Z | |
dc.date.issued | 2025-03-19 | |
dc.date.submitted | 2024-12-11 | |
dc.identifier.uri | https://repositorio.ucs.br/11338/14360 | |
dc.description | Mais de 1,5 milhão de stents ureterais são implantados globalmente a cada ano, entretanto, mais de 80% falham devido a complicações como refluxo ureterovesical, irritação tecidual e formação de biofilme cristalino infeccioso. Essas falhas resultam em dor e desconforto significativos para os pacientes, frequentemente exigindo reintervenções cirúrgicas, o que reduz ainda mais a qualidade de vida dos pacientes e aumenta os custos dos serviços de saúde. Embora a maioria dos stents comerciais seja fabricada a partir de polímeros não biodegradáveis (por exemplo, silicone ou poliuretano), períodos prolongados de permanência (superiores a quatro semanas) intensificam os riscos de incrustação mediada por biofilme, influenciada por fatores como o material do stent, comorbidades do paciente e composição da urina. Há uma necessidade crítica de desenvolver materiais biodegradáveis que mantenham o desempenho funcional durante o tratamento e se degradem de forma segura posteriormente, evitando assim procedimentos de remoção secundária e reduzindo complicações associadas ao biofilme.
Para enfrentar essas limitações, esta pesquisa teve como objetivo projetar, fabricar e caracterizar um novo stent urinário biodegradável utilizando misturas de ácido polilático (PLA), polihidroxibutirato (PHB) e policaprolactona (PCL), modificadas com aditivos funcionais para melhorar o desempenho. Os aditivos investigados incluíram nanotubos de haloisita para reforço mecânico, nanopartículas de ZnO/Ag e SiO2/Ag pelas suas propriedades antimicrobianas, além de polietilenoglicol (PEG) e óleo de soja epoxidado (ESO) para efeito compatibilizante. Esses aditivos foram incorporados para aprimorar a miscibilidade das misturas, a eficácia antimicrobiana e a citocompatibilidade. A extrusão por fusão a quente (HME) foi empregada para processar as misturas, priorizando testes mecânicos voltados para a flexibilidade do material, uma propriedade crítica para a funcionalidade dos stents ureterais. Embora muitas formulações tenham apresentado desempenho mecânico insuficiente ou citotoxicidade, as formulações otimizadas que demonstraram maior flexibilidade foram selecionadas para desenvolvimento adicional. Essas formulações foram processadas via Arburg Plastic Freeforming (APF), uma tecnologia de impressão 3D de alta precisão que exigiu otimização meticulosa de parâmetros (temperatura da rosca e do bico, altura da camada, razão de aspecto das gotas, ângulo de deposição, taxa de descarga, entre outros) para garantir a precisão dimensional e a integridade estrutural das peças impressas. Por meio da APF, um novo design de stent foi prototipado, divergindo do tradicional stent duplo J introduzido por Finney em 1978, que ainda apresenta limitações como desconforto ao paciente devido à rigidez e ao ajuste anatômico inadequado. Estudos de degradação in vitro demonstraram que o novo stent se biodegrada dentro de seis a oito semanas em urina artificial, alinhando-se aos períodos clínicos relevantes de permanência. Durante as oito semanas, os stents biodegradáveis apresentaram degradação controlada, com redução significativa da incrustação em comparação com os stents comerciais, que exibiram incrustação completa já na quarta semana. A caracterização analítica por microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de emissão óptica com plasma acoplado indutivamente (ICP-OES) confirmou que os depósitos de incrustação nos stents comerciais continham fosfato de cálcio, oxalato e estruvita. Em contrapartida, os stents biodegradáveis mantiveram alta viabilidade celular e biocompatibilidade, abordando diretamente as principais limitações dos modelos existentes. Testes comparativos contra stents comerciais de poliuretano demonstraram redução significativa na formação de biofilme e incrustação, validando seu potencial para mitigar complicações inerentes aos modelos atuais.
Este estudo avança no desenvolvimento de stents ureterais biodegradáveis ao integrar materiais biodegradáveis avançados, manufatura aditiva para prototipagem rápida e um design centrado no paciente. Ao abordar as limitações dos stents duplo J atuais, como desconforto e recorrência de complicações, esta pesquisa estabelece as bases para avanços na área de desenvolvimento de stents ureterais, com o objetivo final de melhorar a qualidade de vida dos pacientes. [resumo fornecido pelo autor] | pt_BR |
dc.description.abstract | Over 1.5 million ureteral stents are implanted globally each year, yet more than 80% are reported to fail due to complications such as ureterovesical reflux, tissue irritation, and infectious crystalline biofilm formation. These failures result in significant patient pain and discomfort, frequently necessitating surgical re-intervention, which further lessens patients' quality of life and escalates healthcare costs. While most commercial stents are fabricated from non-biodegradable polymers (e.g., silicone or polyurethane), prolonged indwelling periods (over four weeks) exacerbate risks of biofilm-mediated encrustation, influenced by factors such as stent material, patient comorbidities, and urine composition. There is a critical need for the development of biodegradable materials that maintain functional performance during treatment while biodegrading safely afterward, thereby avoiding secondary removal procedures and reducing biofilm-associated complications. To address these limitations, this research aimed to design, construct, and characterise a novel biodegradable ureteral stent using blends of polylactic acid (PLA), polyhydroxybutyrate (PHB), and polycaprolactone (PCL), modified with functional additives to enhance performance. Investigated additives included halloysite nanotubes for mechanical reinforcement, ZnO/Ag and SiO2/Ag nanoparticles for their antimicrobial properties, and polyethylene glycol (PEG) and epoxidised soybean oil (ESO) for their compatibilising effect. These were incorporated to improve blend miscibility, antimicrobial efficacy, and cytocompatibility. Hot melt extrusion (HME) was employed to process the blends, with mechanical testing prioritising material flexibility, a critical property for ureteral stent functionality. While many blends exhibited insufficient mechanical performance or cytotoxicity, optimised formulations achieving higher flexibility were selected for further development. These were processed via Arburg Plastic Freeforming (APF), a high-precision 3D printing technology requiring methodical parameter optimisation (screw and nozzle temperature, layer height, drop aspect ratio, deposition angle, discharge rate, etc.) to ensure dimensional accuracy and structural integrity in printed parts. Using APF, a novel stent design was prototyped, departing from the conventional double J stent design introduced in 1978 by Finney, which remains prone to patient discomfort due to rigidity and poor anatomical fit. In vitro degradation studies demonstrated that the novel stent biodegrades within six to eight weeks in artificial urine, aligning with clinically relevant indwelling periods. Over the eight-week period, the biodegradable stents demonstrated controlled degradation, with significantly reduced encrustation compared to commercial stents, which exhibited complete encrustation by week four. Analytical characterisation using scanning electron microscopy (SEM) and inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES) confirmed that encrustation deposits on commercial stents presented calcium phosphate, oxalate, and struvite. In contrast, the biodegradable stents maintained high cell viability and biocompatibility, directly addressing key limitations of existing models. Comparative testing against commercial polyurethane stents showed significantly reduced biofilm formation and encrustation, validating its potential to mitigate complications inherent to current models. This research study advances the development of biodegradable ureteral stents by integrating advanced biodegradable materials, additive manufacturing for fast prototyping, and patient-centric design. By addressing the limitations of current double J stents, such as patient discomfort and recurrent complications, this research lays the groundwork for advancements in the field of ureteral stents development, with the ultimate purpose of enhancing patient's quality of life. [resumo fornecido pelo autor] | en |
dc.language.iso | en | pt_BR |
dc.subject | Materiais biomédicos | pt_BR |
dc.subject | Stents (Cirurgia) | pt_BR |
dc.subject | Infecções urinárias | pt_BR |
dc.subject | Ciência dos materiais | pt_BR |
dc.subject | Biomedical materials | en |
dc.subject | Stents (Surgery) | en |
dc.subject | Urinary tract infections | en |
dc.subject | Materials science | en |
dc.title | Development of polymeric biodegradable materials with optimised mechanical properties for the freeforming plastic deposition of ureteral stents | en |
dc.type | Tese | pt_BR |
mtd2-br.advisor.instituation | Universidade de Caxias do Sul | pt_BR |
mtd2-br.advisor.lattes | http://lattes.cnpq.br/0561161841194344 | pt_BR |
mtd2-br.author.lattes | ENGLER, L. G. | pt_BR |
mtd2-br.program.name | Doutorado em Engenharia e Ciência dos Materiais | pt_BR |
mtd2-br.contributor.coorientador | Crespo, Janaina da Silva | |
mtd2-br.contributor.coorientador | Gately, Noel M. | |
mtd2-br.contributor.coorientador | Major, Ian | |
mtd2-br.campus | Campus Universitário de Caxias do Sul | pt_BR |
local.data.embargo | 2025-03-18 | |