使用3D打印机，将形状记忆聚合物丝材挤出，形成一种分枝的管状结构。该结构经过图案化和塑形，使其在折叠后可收缩成紧凑形态，并在加热时恢复为预定形状。
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本文内容
摘要
摘要
分叉血管通常呈“"Y”形，可能变窄或阻塞，从而引发严重的健康问题。分叉支架内部中空，外部形状与分叉血管相匹配，通过手术植入分叉血管内，作为支撑结构，使体液能够自由流经支架内部，而不受狭窄或阻塞血管的影响。为了将分叉支架输送到目标位置，需要将其注入血管并在血管内输送至目标部位。血管的直径远小于分叉支架的外接球体直径；因此，必须采用一种技术，使分叉支架在输送过程中保持足够小的尺寸以通过血管，并在到达目标分叉血管处后扩张。这两个相互矛盾的要求——即输送时足够小以通过血管，植入后又足够大以支撑狭窄部位——极难同时满足。我们采用两种技术来满足上述要求。首先，在材料方面，使用形状记忆聚合物（SMP），使其能够自主实现从小尺寸到大尺寸的形状转变，即植入时保持小尺寸，在目标位置处扩张为大尺寸。其次，在设计方面，采用剪纸（kirigami）图案将分叉管折叠成单根直径更小的管状结构。所提出的技术可用于构建在运输过程中可压缩、激活后恢复为功能完备形状的结构。尽管本研究聚焦于医用支架，但在实际临床应用前，仍需解决生物相容性问题。
引言
支架用于扩张人体内狭窄或发生狭窄的通道，例如血管和气道。支架是管状结构，其形状与这些通道相似，能够对通道提供机械支撑，防止其进一步塌陷。通常，自扩张金属支架（SEMS）被广泛应用。这些支架由钴-铬（不锈钢）和镍-钛（镍钛诺）合金制成1,2。金属支架的缺点在于，当支架的金属丝与活体组织接触并受力时，可能产生压迫性坏死。此外，人体内的血管形态不规则，远比简单的管状结构复杂。特别是，在分支管腔中植入支架需要许多专门的临床操作。在Y形管腔中，需同时插入两个圆柱形支架，并在分支处连接3。每增加一个分支，就需要进行一次额外的手术操作。该操作需要经过特殊培训的医生完成，且由于分支支架存在突出结构，植入过程极具挑战性。
分叉支架形状的复杂性使其成为3D打印的理想目标。传统支架以标准化尺寸和形状进行大规模生产。采用3D打印制造方法，可以为每位患者定制支架的形状。由于该方法通过逐层叠加目标物体的截面形状来构建结构，理论上可用于制造任意形状和尺寸的部件。传统支架大多呈圆柱形，但人体血管具有分支，且管径沿长度方向变化。通过所提出的方法，可适应所有这些形状和尺寸的变化。此外，尽管本文未予演示，单个支架内部所用材料也可实现变化。例如，在需要支撑的部位可采用更坚硬的材料，而在需要更高柔韧性的部位则可使用较柔软的材料。
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方案
1. 演示用血管模型设计
- 将主血管近端的直径设置为 25 mm，远端主血管和侧支血管的直径均设置为 22 mm。将血管的总长度设置为 140 mm。将主血管近端、远端主血管和侧支血管的长度分别设置为 65 mm、75 mm 和 65 mm。完整的血管结构如图2和图3所示。
- 使用熔融沉积成型（FDM）3D 打印机打印该分叉血管的计算机模型，采用聚碳酸酯丝材。
2. 通过模具成型制备血管模型
- 制作一个用于容纳3D打印部件的盒状容器。将容器尺寸设为110 × 105 × 70 mm，并使用亚克力板材料。
- 将3D打印的分枝血管置于盒体中心后，缓慢将硅胶倒入容器内，以尽量减少气泡产生。将液态硅胶干燥并固化36~48小时。
- 将固化的硅胶从容器中取出，并沿中线切开以移除3D打印部件。随后在切面处将硅胶两部分重新拼接。所得拼接后的整体即为血管模型。最终结果如图4所示。
3. 基于剪纸工艺的分支部支架设计
注意：分支支架的尺寸设计为紧密贴合血管模型的 Y 形通路。支架内部为空心....
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结果
在本实验方案中，我们展示了制备分叉支架所需的步骤。该支架采用剪纸结构，使分叉支架能够折叠成紧凑的圆柱形管状，非常适合滑入血管的狭窄通道。形状记忆聚合物（SMP）可在温度达到玻璃化转变温度时，使折叠结构恢复至其原始形状。该原始形状使用 SMP 材料通过三维打印制成，与分叉血管的结构高度匹配。换句话说，支架的制造厚度使体液流动的分叉血管内表面向内偏移一定距离。在该内表面与偏移表面之间形成一个实体结构，该实体结构与血管完全贴合，可作为支架的模型。由于 SMP 具备恢复其记忆形状的能力，折叠结构在加热至玻璃化转变温度以上时，将恢复至预先变形的形状。利用剪纸结构，两个分叉支架可轻松形成半圆柱形管状结构。两个半圆柱体合并为一个完整的圆柱体，合并后的结构已证实可顺利滑入主血管并到达分叉区域。为使折叠结构恢复至原始形状，实验在60 °C的水中进行。结果表明，每个侧支均能分开，并分别进入分叉区域中对应的血管。分叉支架作为一个整体插入Y形血管，仅需一次操作即可完成，相比传统方法中需分别插入各个分支支架的方式，操作显著简化。这些结果表明，支架植入操作可简化为单次操作，而以往的支架手术中，侧支支架的插入次数需与侧支血管数量相同。
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讨论
支架常用于疏通患者阻塞的体内通道，例如血管和气道。植入支架的手术操作需要仔细考虑患者的病情及人体解剖特征。血管形态复杂，存在多种分支情况。然而，目前标准的支架操作流程依赖于标准化尺寸的大规模生产的支架。在本方案中，我们展示了如何根据血管的精确几何形状个性化定制支架的制备。为此，我们设计的支架内部为空心结构，其表面的管状网格在激活后能够折叠并恢复至完全展开的状态。我们重点针对分叉型支架进行了设计，这类支架通常在手术中需使用多个管状支架组合实现。我们的分叉型支架采用整体化设计，无论分支血管的结构多么复杂、分支数量多少，均只需一次操作即可完成。解决该问题的关键使能技术是形状记忆聚合物（SMP）。该结构具有恢复至原始形状的能力，可在扩张后的通道上施加作用力，防止其再次收缩。
另一个重要的概念是使用剪纸结构。最困难的部分在于如何将Y形分支收缩成一个紧凑的圆柱形管状结构。该问题已通过采用剪纸结构得以解决。每个分支被折叠成半圆柱形，然后合并在一起。
我们发现，220–230 °C 是记忆分叉支架形状的最佳温度。基于这一结果，挤出机温度设定为.......
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
这项工作由信息研究所资助 &由韩国政府（MSIT）资助的信息通信技术规划与评估院（IITP）项目（编号：2018-0-01290，自动驾驶汽车中用于识别非结构化人类（警察、交通协管员、行人等）动作特征的开放数据集与认知处理技术开发）以及2019年韩国科学技术院（GIST）资助的GIST研究院（GRI）项目。
....访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Fortus380mc | Stratasys | Fortus 380mc | 用于打印血管模型的FDM 3D打印机 |
| Moment1 3D打印机 | Moment | Moment 1 | 用于打印分叉支架的FDM 3D打印机 |
| PC(白色)线材罐 | Stratasys | PC(白色)线材罐 | 用于打印血管模型的PC线材 |
| PLM软件NX 10.0 | Siemens | NX 10.0 | 三维CAD建模软件 |
| 砂纸 | DAESUNG | CC-600CW | 用于打磨分叉支架表面 |
| 形状记忆聚合物线材 | SMP Technologies Inc | MM-5520 | 形状记忆聚合物线材 |
| 硅胶 | Shinetus | KE-1606 | 用于血管模型的硅胶 |
| Simplify3D | Simplify3D | Simplify3D 4.0.1 | 模型切片用切片软件 |
参考文献
- Migliavacca, F., et al. Stainless and shape memory alloy coronary stents: a computational study on the interaction with the vascular wall. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2 (4), 205-217 (2004).
- Kuribayashi, K., et al.
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