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受折纸结构启发的4D打印分叉支架

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DOI：

10.3791/59746

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2019年7月25日

 ,  , 
1School of Mechanical Engineering, Gwangju Institution of Science and Technology

本文内容

摘要

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。

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。

分叉支架的形状变化需求要求采用四维打印技术，即在三维打印的基础上增加时间维度的考量。使用特殊材料制成的三维打印结构可通过外部刺激（如热）被编程以实现形状改变。这种转变是自维持的，无需外部电源。一种适用于四维打印的特殊材料是形状记忆聚合物（SMP）4,5,6,7,8,9，该材料在暴露于特定材料的玻璃化转变温度触发条件时表现出形状记忆效应。在此温度下，材料片段变软，从而使结构恢复至其原始形状。在结构完成三维打印后，将其加热至略高于玻璃化转变温度的水平。此时结构变软，我们可通过施加外力来改变其形状。在保持外力的同时，将结构冷却，使其硬化并保持变形后的形状，即使撤除外力后仍能维持该形态。随后，在最终阶段，当结构需要恢复至其原始形状时（例如结构到达目标位置时），施加热量使其达到玻璃化转变温度。最终，结构恢复至其预设的原始形状。图1展示了上述各个阶段。SMP材料易于拉伸，且部分SMP材料具有生物相容性和可生物降解性9,10。SMP在医学领域具有广泛的应用9,10，支架11,12便是其中之一。

支架的图案和折叠设计遵循一种名为"kirigami"的日本剪纸艺术设计。该工艺类似于广为人知的折纸技术"origami"，但不同之处在于，kirigami 允许在设计中对纸张进行剪裁和折叠。这一技术已被应用于艺术领域，同时也被引入工程应用中2,3,13,14。简而言之，kirigami 可通过在特定设计位置施加外力，将平面结构转变为三维结构。根据我们的设计要求，支架在插入血管通路时需保持简单的圆柱形，而在到达目标分叉血管处时，该圆柱体应沿其长度方向分裂，每一半分别展开为完整的圆柱形。解决方案的关键在于，主血管和侧支血管被折叠成单一圆柱体结构，使得侧支在插入过程中不会与血管壁发生干涉。展开的触发信号来自于环境温度升高至形状记忆聚合物（SMP）的玻璃化转变温度以上。此外，折叠过程将在患者体外完成，即通过软化3D打印的分叉支架，并将侧支折叠进主血管内实现。

传统方法需要插入多个圆柱形支架，其数量与分支数目相等。由于侧支的凸起阻碍了通路管壁，无法将完整的分叉支架整体插入，因此不得不采用这种方法。通过采用剪纸结构（kirigami结构）和4D打印技术，上述问题可以得到解决。本方案还展示了利用仿照血管形状制造的硅胶血管模型来可视化该方法有效性的过程。通过此模型，可以观察到所提出发明在插入过程中的有效性以及未来新应用的潜在可能性。

本实验方案旨在清晰阐述使用熔融沉积成型（FDM）打印机打印形状记忆聚合物（SMP）的各个步骤。此外，还详细介绍了将打印出的分叉支架变形至折叠状态、将折叠后的分叉支架插入目标位置，以及通过刺激信号使其恢复至原始形状的展开过程。插入操作的演示使用了血管的硅胶模拟模型。本方案还提供了利用3D打印和模具成型技术制备该模拟模型的具体操作流程。

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方案

1. 演示用血管模型设计

  1. 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。
  2. 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

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。支架内部为空心结构，表面的管状网孔设计为可功能性折叠并恢复至完全展开的状态。

  1. 按照与传统支架类似的波浪形图案设计分叉支架的主干。将主干直径设为 22 mm，主干长度设为 38 mm。
  2. 将分叉支臂设计为圆柱形，如图 5B所示。将支臂直径设为 18 mm，支臂长度设为 34 mm。
  3. 将支架的总长度设为 72 mm。最终形状如图 6所示。

4. 使用 SMP 丝材进行 3D 打印

  1. 使用形状记忆聚合物（SMP）丝材在FDM 3D打印机上打印分叉支架。该丝材的主要成分为聚氨酯。商业供应商也以颗粒形式提供此类丝材，以便终端用户添加其他物质，从而定制材料特性（图7）。
  2. 使用切片软件对模型进行切片并控制3D打印机的参数设置。将挤出头温度设为230 °C，打印平台温度设为室温。将层高设为0.1 mm，以最小化阶梯效应。
  3. 将打印速度设为3,600 mm/min。内部填充比例设为80%。打印过程中需包含支撑结构，因为该结构内部为空心。图8展示了打印过程。

5. 平整表面

注意：由于粗糙表面可能通过摩擦损伤血管，因此需要执行以下步骤。

  1. 使用剪切工具移除支撑结构（图9A）。支撑结构连接在支架内侧。移除支架时需格外小心，避免撕裂支架。
  2. 将表面在砂纸上摩擦（图9B），以去除打印表面的层纹、条痕或瑕疵。在剪切工具移除支撑结构的区域，可能需要多次抛光处理。
  3. 在通风良好的场所使用喷雾进行表面喷涂，并佩戴个人防护口罩。喷涂前需清洁、打磨并干燥表面。通过多次喷涂薄层涂料，防止过量喷涂。使用黑色涂料可增强硅胶血管模型与支架之间的对比度（图9C）。

6. 变形分叉支架

  1. 将分叉支架置于温水中，使水温高于玻璃化转变温度。当支架变软后，将其中一半分支推入另一半分支内，使二者嵌套在一起，如图10A所示。
  2. 将两个分支折叠成一个单圆柱体，以便其可通过主血管。对另一分支执行相同的嵌套操作。随后，两个半圆柱体闭合为一个整体，如图10B所示。

7. 将分叉型支架插入血管

  1. 用温水注满水箱，将水温设定为 55–60 °C。将硅胶血管模型浸入水箱中，调整模型方向，使主血管位于上方，分支位于下方。
  2. 从上方将折叠的分叉支架插入硅胶血管模型的开口中，调整折叠分叉支架的方向，使其分支朝向开口。折叠的分叉支架将开始扩张，下部的分支会分开，使每个分支从 Y 形血管的分叉核心滑向对应的匹配通道（图 12）。

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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。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
Fortus380mcStratasysFortus 380mc用于打印血管模型的FDM 3D打印机
Moment1 3D打印机MomentMoment 1用于打印分叉支架的FDM 3D打印机
PC(白色)线材罐StratasysPC(白色)线材罐用于打印血管模型的PC线材
PLM软件NX 10.0SiemensNX 10.0三维CAD建模软件
砂纸DAESUNGCC-600CW用于打磨分叉支架表面 
形状记忆聚合物线材SMP Technologies IncMM-5520形状记忆聚合物线材
硅胶ShinetusKE-1606用于血管模型的硅胶
Simplify3DSimplify3DSimplify3D 4.0.1模型切片用切片软件 

参考文献

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