Radialkraft

In der Physik ist jede zum Mittelpunkt hin oder von ihm weg gerichtete Kraftkomponente eine Radialkraft, z. B. die Zentripetalkraft bei der Kreisbewegung.

Bei selbstexpandierenden Stents, meist aus Nitinol, unterscheidet man zwei Arten der Radialkraft:

• Chronic Outward Force (COF): die nach außen gerichtete Kraft, die der Stent nach der Freisetzung dauerhaft auf die Wand ausübt. Sie entsteht durch Oversizing, also einen Nenndurchmesser oberhalb des Gefäßdurchmessers, und nimmt zum Nenndurchmesser hin bis auf null ab.
• Radial Resistive Force (RRF): die Kraft, die der Stent einer radialen Kompression von außen entgegensetzt, etwa durch Recoil der Gefäßwand, verkalkte arteriosklerotische Plaques oder umliegende Strukturen.

COF und RRF sind zwei Äste derselben Kraft-Durchmesser-Kurve: Die COF folgt der Entlastungs-, die RRF der Belastungskurve. Wegen der Hysterese des superelastischen Nitinols ist die RRF bei gleichem Durchmesser höher als die COF („biased stiffness“). Der Stent drückt also nur mäßig gegen die Wand, widersetzt sich einer Kompression aber stark. Die absoluten Kräfte hängen von Strebengeometrie, Zelldesign, Oversizing und Materialeigenschaften ab.

Radialkraft eines selbstexpandierenden Stents: Die Chronic Outward Force (COF) ist die Kraft, mit der der überdimensionierte Stent dauerhaft gegen die Gefäßwand drückt, die Radial Resistive Force (RRF) die Kraft, mit der er einer radialen Kompression widersteht.

Ballonexpandierbare Stents haben meist eine hohe Radialfestigkeit (radial strength). Nach der Dilatation behalten sie weitgehend ihren Durchmesser und üben keine nennenswerte COF aus. Wird ihre Radialfestigkeit überschritten, verformen sie sich bleibend. An mechanisch von außen belasteten Stellen, z. B. an der zervikalen Arteria carotis, gelten sie daher als ungünstig. Nitinol-Stents nehmen dagegen innerhalb ihres superelastischen Verformungsbereichs nach einer Kompression weitgehend wieder ihre ursprüngliche Form an.

Bei selbstexpandierenden Stents werden COF und RRF meist mit einer segmentierten radialen Prüfvorrichtung (Irisblende) bestimmt. Der Stent wird über einen definierten Durchmesserbereich komprimiert und anschließend wieder expandiert. Dabei wird die Radiallast als Funktion des Stentdurchmessers aufgezeichnet. Der Belastungsast entspricht der RRF, der Entlastungsast der COF. Angegeben werden häufig die Werte an den Grenzen des vorgesehenen Gefäßdurchmesserbereichs, normiert auf die wirksame Stentlänge.^[1]

Die resultierende Kraft-Durchmesser-Kurve stellt das mechanische Verhalten über den gesamten Prüfbereich dar. Radiallasten können als Gesamtkraft in N oder längennormiert in N/mm bzw. mN/mm angegeben werden. Bei einer Normierung auf die Mantelfläche werden sie als Radialdruck in Pa oder kPa ausgedrückt; der Durchmesser wird üblicherweise in mm angegeben.^[2]

Bei ballonexpandierbaren Stents beschreibt die radiale Steifigkeit die Durchmesseränderung unter gleichmäßig aufgebrachtem Außendruck. Als Radialfestigkeit gilt die Belastung bzw. der Druck, bei dem eine definierte bleibende Verformung eintritt. Die Prüfung kann mittels Irisblende oder durch hydraulisch bzw. pneumatisch erzeugten Umfangsdruck erfolgen; letzterer erlaubt auch die Bestimmung des Kollapsdrucks. Parallelplatten- und lokale Kompressionsprüfungen erfassen dagegen die Crush-Resistenz und sind nicht unmittelbar mit einer gleichmäßig radialen Belastung vergleichbar.^[3]

Messwerte sind nur bei vergleichbarer Prüfvorrichtung, Belastungsart, Prüfgeschwindigkeit, Temperatur, Vorkonditionierung, Stentlänge und Durchmesserspanne sinnvoll vergleichbar. Auch die Längennormierung kann lokale Unterschiede eines Stentdesigns verdecken. Ergebnisse verschiedener Prüfmethoden oder von Stents mit abweichender Geometrie dürfen daher nicht ohne methodische Korrelation gleichgesetzt werden; zudem bilden In-vitro-Prüfungen das Verhalten in vivo nur näherungsweise ab.^[2]

Meist ist eine moderate COF bei hoher RRF erwünscht:

• Zu geringe Radialkraft: unzureichende Lumeneröffnung, Kompression des Stents von außen, Malapposition, Stentmigration
• Zu hohe Radialkraft, v. a. bei starkem Oversizing: Verletzung der Gefäßwand, im Tiermodell ausgeprägte Neointimaproliferation mit Lumeneinengung

Relevant ist die Radialkraft u. a. bei Karotis- und peripheren Gefäßstents, biliären Stents sowie bei Stent-Retrievern zur mechanischen Thrombektomie. Bei Letzteren begünstigt experimentell eine während des Rückzugs konstante Radialkraft den Wandkontakt und damit die Thrombusentfernung.

• Stoeckel D, Pelton A, Duerig T. Self-expanding nitinol stents: material and design considerations. Eur Radiol. 2004;14(2):292-301.
• Zhao HQ, Nikanorov A, Virmani R, Jones R, Pacheco E, Schwartz LB. Late stent expansion and neointimal proliferation of oversized Nitinol stents in peripheral arteries. Cardiovasc Intervent Radiol. 2009;32(4):720-726.
• Isayama H, Nakai Y, Toyokawa Y, et al. Measurement of radial and axial forces of biliary self-expandable metallic stents. Gastrointest Endosc. 2009;70(1):37-44.
• Machi P, Jourdan F, Ambard D, et al. Experimental evaluation of stent retrievers' mechanical properties and effectiveness. J Neurointerv Surg. 2017;9(3):257-263.
• Duerig TW, Tolomeo DE, Wholey M. An overview of superelastic stent design. Minim Invasive Ther Allied Technol. 2000;9(3-4):235-246.