本研究展示了一种利用可牺牲夹具低成本制备小型化形状设定型镍钛诺丝材/框架的技术。该技术已成功应用于制造具有复杂形状的自扩张式框架，适用于微创植入物的制备。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
本文内容
摘要
摘要
NiTiNOL（通常称为镍钛诺或NiTi）丝材具有优异的形状记忆和超弹性特性，而定形过程通常成本较高。在定形步骤中 此过程需要通过高温热处理来实现定形。传统上，使用金属夹具来完成这一目的。 然而，其制造成本可能较高，这是不理想的 用于迭代原型。本研究展示了一种近期提出的方法，即使用铜管作为牺牲性夹具，从而无需昂贵的专用夹具。这些铜管能够实现复杂几何结构的成型，并为制造过程的各个阶段提供支撑框架。此外，采用过硫酸铵 用于选择性蚀刻铜，从而简化镍钛合金支架的生产。本研究结果证实了该技术的有效性。 演示 NiTi丝材成功定型为自扩张支架结构。该方法为未来研究铺平了道路，可实现NiTi丝材框架的快速原型制备，尤其适用于各类医疗装置的开发。
引言
NiTi 金属丝广泛应用于医疗植入物，但在器械制造过程中需要进行初始定形处理1。由 NiTi 制成的各种器械包括导管管材、导丝、取石篮、过滤器、针头、牙科锉以及其他外科手术器械2。NiTi 具有良好的生物相容性、超弹性以及抗疲劳性能，使其适用于这些应用领域。此外，它还在汽车和航空航天工业中具有应用3。
NiTi的使用 由于形状设定过程成本高昂且工艺复杂，其应用受到限制。在形状设定过程中，通常将NiTi结构在夹具中固定，同时暴露于高温（约500 °C）环境下4较高的温度以及定形过程中的应力要求夹具具有高机械强度，因此典型的夹具通常由金属制成。1因此，使用通常需要机械加工的金属夹具会增加成本，并为NiTi结构的快速原型制作和测试带来挑战。一种替代方法是使用由销钉和板件构成的可重构夹具。1，这简化了加工过程；然而，该方法在复杂几何形状的成形方面存在局限性。因此，对于需要对NiTi框架进行定形的研究而言，亟需一种采用低成本材料和制造工艺的低成本定形方法。
为满足镍钛合金快速原型制造的需求，我们近期提出了一种利用低成本3D打印部件和定制化制造工艺对镍钛合金丝进行定形的新方案5。该方法采用质量极小的牺牲性夹具，在镍钛合金丝的成形和定形（热处理）过程中有效固定金属丝。铜管被用作一种易获取且低成本的材料，既作为增强型牺牲夹具，又可兼容标准的金属丝弯曲技术，从而实现复杂结构的定形。实验观察表明，黄铜管亦可作为替代材料。在退火处理完成后，采用过硫酸铵进行选择性蚀刻以去除铜质夹具，最终释放出已完成定形的镍钛合金丝。该方法展示了牺牲结构作为间隔物的创新应用。当此方法与增材制造技术相结合时，可实现复杂几何形状的高效制备。
体外 释放测试是评估自膨式原型植入物可行性的一项基本测试，该植入物设计为通过导管进行输送。这些测试旨在评估自膨式植入物是否能够顺利通过具有规定尺寸的鞘管/导管。此类测试已广泛应用于多种经导管装置或植入物原型，例如左心耳封堵器。6,7软支架8，NiTi 血流导向装置9和镍钛合金支架10这些研究凸显了亟需一种能够快速制造具有复杂拓扑结构的NiTi支架的方法，该支架可通过导管自扩张，从而满足经导管植入物的初步要求。
本文旨在概述低成本且工艺精良的制造方法，提供每个步骤的详细操作指南。重点在于展示多种适用于植入物的自膨胀镍钛（NiTi）金属丝支架，并分析采用经济高效技术制备复杂拓扑结构所需的关键方法要素。本 文包括在模拟经房间隔植入物输送至房间隔的台式实验装置中，通过Fr-12导管对这些支架进行测试和释放。该测试类似于先前研究中采用的基础测试6,8。该方法验证了原型自膨胀支架在穿过导管后成功释放的能力。最终，该方法可帮助判断某种镍钛合金支架的拓扑结构/设计是否满足通过特定导管释放所需的初步力学性能要求。
尽管本研究 主要聚焦于 NiTi 支架原型的制备及其拓扑结构与贴合性的基本表征，但植入物的开发还需进行多种其他表征11以及监管安全测试12,13。这些表征包括表面特性/化学性质14、腐蚀性14、疲劳分析13、血液相容性13和生物相容性15的评估。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
方案
注意：有关本方案中使用的所有材料的详细信息，请参见材料表。图1A展示了铜/镍钛框架的一个示例。使用时请佩戴安全手套。
1. 镍钛框架/原型设计的迭代
- 将 NiTi 丝置于铜管内（或黄铜管内；图 2A）。
- 选择 NiTi 丝（0.008 英寸）和一根铜管（外径 1.00 mm × 400 mm）。
- 打开体视显微镜，在操作过程中通过显示器观察 NiTi 丝和铜管。将金属丝对准并插入管内，完全推入至管底。
- 准备 3D 打印夹具（图 2B–D）。
- 下载夹具/模板的一个 .STL 文件（https://osf.io/54rm3/files/osfstorage）。
注意：有关部分 .STL 文件示例，请参见此资料库（https://osf.io/54rm3/files/osfstorage）。 - 如需任何调整，请从同一资料库下载 .SDLRD 文件，在专用 CAD 软件中进行设计修改，然后导出为 .STL 文件。或者，可在开源 CAD 软件中创建模型并导出 .STL 文件。
注意：有关部分 .SDLRD 或 .FCSTD 设计示例，请参见此资料库（https://osf.io/54rm3/files/osfstorage）。 - 打开切片软件（例如 Elegoo Cura），导入 .STL 文件。选择要 3D 打印的对象，点击切片面板底部。保存为 gcode 文件，并将其保存至 micro-SD 卡中。取出 micro-SD 卡。
- 开启 FDM 3D 打印机，插入 micro-SD 卡。在屏幕上选择准备 | 预热 | PLA，然后选择返回 | 打印，选择 .gcode 文件后点击打印。
- 让设备自动完成该部件的 3D 打印。
- 3D 打印完成后，取下打印件，并使用钳子剪除所有支撑结构。
- 对存在粗糙边缘的部位进行锉修，并用记号笔标记出需要钻孔的区域。
- 使用手钻在 3D 打印件上钻孔（图 2B）。
警告：请佩戴安全手套和护目镜。 - 使用螺丝刀将螺钉穿过 3D 打印件上的孔（图 2C）。
- 下载夹具/模板的一个 .STL 文件（https://osf.io/54rm3/files/osfstorage）。
- 使用夹具和手动工具成型 Cu/NiTi 的三维结构。将金属丝依次穿过各孔，并逐步绕过螺钉进行弯折。如有需要，可使用手动工具对金属丝进行弯曲（图 2D、E）。
- 手持 NiTi/Cu 组件，将其穿过中心孔。随后使用镊子或钳子将铜管围绕所有螺钉折叠/弯曲，形成所需形状（图 2E）。
- 旋下螺钉。使用电烙铁加热，使第 1.2 步中的 3D 打印夹具软化。
- 使用剪刀剪开 3D 打印件，并用镊子或钳子移除不需要的部分（图 2F）。
- 对 NiTi/Cu 结构/框架进行热处理（图 2G）。
- 开启管式炉，并使用热电偶监测温度。当温度达到 500 °C 时，将 Cu/NiTi 框架放入炉中加热 3 分钟。
注意：请佩戴耐高温手套、实验服和面部防护罩。 - 将 K 型热电偶温度计置入管式炉中，持续监测温度。
- 3 分钟后，使用钩子取出 NiTi/Cu 框架（图 2H），并立即浸入去离子水中淬火。
- 开启管式炉，并使用热电偶监测温度。当温度达到 500 °C 时，将 Cu/NiTi 框架放入炉中加热 3 分钟。
- 蚀刻牺牲性铜管（图 2I）。
- 使用天平称取过硫酸铵，同时在玻璃容器中称取适量水。混合两者，使过硫酸铵的质量为水质量的 23%。
注意：该操作应在通风橱内进行，并穿戴实验服、护目镜和安全手套。 - 加入过硫酸铵，使其与水的质量比为 23%。使用玻璃搅拌棒搅拌溶液，直至过硫酸铵完全溶解。
注意：该操作应在通风橱内进行，并穿戴实验服、护目镜和安全手套。 - 将第 1.3 步得到的 NiTi/Cu 框架浸入溶液中约 8 小时，以蚀刻铜管（图 2I）。
注意：该操作应在通风橱内进行，并穿戴实验服、护目镜和安全手套。 - 目视监测铜的蚀刻情况。若未完全蚀除，应废弃原蚀刻液，重新配制新鲜蚀刻液（参见步骤 1.5.1 和 1.5.2），并将新溶液倒入容器中。
- 当铜完全被蚀除后，用镊子取出（图 2J），并将释放出的 NiTi 框架用去离子水冲洗三次。参见图 1B，了解完成上述步骤后释放的 NiTi 框架示例。
- 开启显微镜，将 NiTi 丝置于显微镜下，检查是否存在不期望的弯曲或尺寸偏差。
- 使用天平称取过硫酸铵，同时在玻璃容器中称取适量水。混合两者，使过硫酸铵的质量为水质量的 23%。
2. 使用薄膜或织物覆盖框架的侧面
- 旋涂芳香族聚氨酯弹性体（可选用聚碳酸酯型聚氨酯作为替代，参见材料表；完整方案见其他文献6）。
- 将一片4英寸硅片放入氧气等离子体机中，进行2分钟的等离子体处理，随后取出硅片。
- 打开真空干燥器，向干燥器内的塑料容器中滴加数滴硅烷（C8H4Cl3F13Si；参见材料表）。
- 将硅片放入干燥器中，盖上盖子，并对干燥器抽真空。
- 关闭干燥器阀门，关闭真空泵。
- 静置干燥器2小时 后 取出硅片。
- 将硅片置于旋涂仪上并居中固定，在其中心位置滴加适量溶解于DMAc中的芳香族或脂肪族聚氨酯弹性体溶液（参见材料表）。
- 对硅片进行旋涂，随后取出并置于80 °C烘箱中，在通风橱内加热2小时。
- 2小时后取出硅片，用镊子剥离固化后的薄膜（必要时可用手指辅助）。
- 使用剪刀将剥离的薄膜裁剪成较小片状。
- 在NiTi支架上热压芳香族聚氨酯弹性体薄膜。
- 为热处理过程设计一个间隔垫片。
- 使用专有或开源的CAD软件设计该垫片，在环境中导出.STL文件，并对模型进行切片以生成gcode文件（参见步骤1.2.3）。或者，可下载并使用所提供的垫片设计（https://osf.io/54rm3/files/osfstorage）。
- 通过在切片软件（例如CHITUBOX）中打开.STL文件来启动3D打印；或者，可改用步骤1.2.4、1.2.5，而非2.2.4、2.2.5和2.2.6。
注：通过后续步骤制备的垫片具有更长的耐用性。 - 选择待打印对象，点击切片面板，并将文件以.CBT格式保存至U盘。
- 将U盘插入SLA 3D打印机，向打印机容器中倒入光敏树脂，开启3D打印机，选择“打印”并点击三角形按钮以启动3D打印过程。
- 3D打印完成后，从打印平台取下垫片，将其置于UV LED系统中照射10分钟，然后用水清洗，并保存以用于后续步骤。
- 打开热压机。
- 将聚氨酯弹性体薄膜层压在垫片上（图2K），并将NiTi丝/支架围绕垫片放置于薄膜上方，再在其上覆盖第二层薄膜。将温度设定为240 °F（如需要，可在两层之间 或在聚氨酯与垫片之间添加额外的弹性体层，以避免粘连）。
- 关闭热压机上盖并锁紧，保持60秒。
- 对NiTi丝支架和垫片的另一侧重复相同的热压过程。
- 用剪刀剪去粘合后薄膜的多余部分（图2L）。
- 作为热塑性材料粘合的替代方法，可通过缝合PET织物来包覆NiTi丝支架。
注：图3展示了由血液相容性聚合物多层包覆的支架结构，其中包含夹在中间的一层微图案化聚二甲基硅氧烷（PDMS）。
3. 测试框架部署
- 用手握住 FR 12 导管（图 4A），并将其穿过扩张器和针头（图 4B、C）。
- 将一段硅胶固定在支架上（图 4E）。
- 使用针头和扩张器，在硅胶段上打一个孔（图 4E）。
- 逐渐将导管穿过该孔（图 4F），然后撤出扩张器和针头。
- 折叠 NiTi 支架，并从导管近端将其推入导管内（图 4G）。
- 使用聚四氟乙烯（PTFE）推杆将支架向导管远端推进（图 4D）。
- 释放 NiTi 支架的第一侧（图 4I）。
- 回撤捕获器（图 4H），并在硅橡胶另一侧释放 NiTi 支架的第二侧（图 5）。
- 在显微镜下检查支架，观察是否存在任何类型的失效或非预期变形。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
结果
NiTi支架通过低成本的塑料夹具和手工工具被定型为多种拓扑结构（图1）。在方案步骤 1.1 至 1.4 中（图1A），NiTi/Cu框架被加工成复杂的拓扑结构。按照步骤1.5，通过蚀刻去除Cu，从而释放NiTi框架（图1B）。此处，铜制夹具被完全蚀刻去除，从而可使用低成本的3D打印夹具（步骤1.2）释放NiTi支架。在确认NiTi成功形成后，通过执行第2和第3部分的实验方案来测试其功能性。随后，采用具有血液相容性的聚氨酯薄膜16 (图3），按照第2节实验步骤，被施加到框架的两侧图3）。覆盖聚氨酯薄膜后的镍钛合金支架被评估为一种可在房间隔上锚定的封堵器。该功能性的测试按照第3节实验方案进行，评估镍钛合金支架在释放后拓扑结构的力学性能图3)...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
讨论
在本方案中，多个步骤需要细致操作，例如热处理（退火）、蚀刻以及3D打印夹具的设计。温度变化过大（超过500 °C17）或镍钛（NiTi）合金的退火时间不当，均可能损害NiTi丝的超弹性，并影响预期形状的获得18。热处理条件（温度和时间）不准确也可能导致超弹性性能的丧失19。蚀刻过程需要使用足量的过硫酸铵，以确保支架能够以正确的形状释放20。在蚀刻过程完成前过早拉出NiTi支架，可能导致NiTi支架发生不良变形。最后，3D打印夹具可辅助弯曲NiTi/金属丝支架，并提高支架在释放过程中的性能。通常需要经过多次迭代调整，以优化支架的柔顺性。
框架制备过程中一个重要的变量是热处理温度，该温度可能因所使用的炉型而异。在本实验中，采用的是Applied Test Systems Series 3210 Split Furnace。在此设备中，炉温升至500 °C后，对样品进行3分钟的热处理。然而，若使用不...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
披露
作者声明无利益冲突。
致谢
本研究由美国国立卫生研究院下属的国家生物医学成像与生物工程研究所通过资助编号R21EB030654支持。本内容仅由作者负责，不一定代表美国国立卫生研究院的官方观点。S. Alaie和J. Mata还感谢新墨西哥州立大学机械与航空航天工程系以及工程学院提供的支持。作者 感谢Oscar Lara和Angel de Jesus Zuniga Ramirez在生成图2及编辑参考文献方面所做的贡献。 作者还感谢Andrea Gonzalez Martinez和Jesus Armando Gil Parra在视频演示制作中的贡献。
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 |
|---|---|---|---|
| 304 不锈钢微型管 通用名称：针 | Tegra Medical | ||
| 用于测试的3D打印框架 通用名称：PLA 丝材 | R3D | ||
| 用于热压的3D打印聚合物部件 通用名称：PLA 丝材 | R3D | ||
| 过硫酸铵 通用名称：过硫酸铵 | Sigma-Aldrich | ||
| Chronoflex AR 22% 通用名称：聚氨酯 | AdvanSource 生物材料 | 芳香族聚碳酸酯聚氨酯弹性体 | |
| 铜网型电极（1.00 mm × 400 mm） 通用名称：铜管 | Holepop 电火花加工设备供应商 &电极 | ||
| 扩张器 通用名称：扩张器 | QOSINA | ||
| Ecoflex 00-30 通用名称：Ecoflex 00-30 | Smooth-on | 硅胶 | |
| Fr 12 或 13 导管 通用名称：鞘管 | QOSINA | ||
| 镍钛合金丝（0.008） 通用名称：NiTi 丝 | Malin 公司 | ||
| PTFE 聚四氟乙烯棒 1/8" 直径 × 36" 通用名称：聚四氟乙烯 | 斯特林密封 & Supply, Inc. (STCC) | ||
| Tecoflex 通用名称：热塑性聚氨酯 | Lubrizol | 脂肪族聚氨酯弹性体 | |
| 三氯(1H,1H,2H,2H-十三氟正辛基)硅烷 通用名称：C8H4Cl3F13是 | Sigma-Aldrich | ||
| 二甲基乙酰胺（DMAC） 通用名称：二甲基乙酰胺 | Sigma-Aldrich | ||
| SOLIDWORKS 通用名称：专有计算机辅助设计软件 | 达索系统è微米 | ||
| FreeCAD 通用名称：开源计算机辅助设计软件 | freecad.org | ||
| ABS类光敏聚合物树脂 通用名称：光敏聚合物树脂 | ELEGOO |
参考文献
- Smith, S., Hodgson, E. Shape setting nitinol. Proc of the Mater Process Med Devices Conf. , 266-270 (2004).
- Kapoor, D. Nitinol for medical applications: A brief introduction to the properties and processing of nickel titanium shape memory alloys and their use in stents. Johnson Matthey Tech Rev. 61 (1), 66-76 (2017).
- Viscuso, S., Gualandris, S., De Ceglia, G., Visentin, V. Shape memory alloys for space applications. Shape Mem Alloy Eng. , Elsevier. 609-623 (2021).
- Liu, X., Wang, Y., Yang, D., Qi, M. The effect of ageing treatment on shape-setting and superelasticity of a nitinol stent. Mater Charact. 59 (4), 402-406 (2008).
- Dulal, H., Swan, T., Al'aref, S. J., Alaie, S. Low-cost prototyping of nitinol wires/frames using polymeric cores and sacrificial fixtures with application in individualized frames anchoring through the atrial septum. Sci Rep. 13, 21853(2023).
- Alaie, S., Robinson, S. S., Amiri Moghadam, A. A., Auge, J. Advanced manufacturing of patient specific occluders for the left atrial appendage with minimally invasive delivery. Adv Eng Mate. 22, 1901074(2020).
- Robinson, S. S., et al. Patient-specific design of a soft occluder for the left atrial appendage. Nat Biomed Eng. 2, 8-16 (2018).
- Amiri Moghadam, A. A., et al. Toward development of inflatable stents with application in endovascular treatments. Adv Funct Mater. 28 (51), 9(2018).
- Chen, Y. Design, parameter optimization and in vitro evaluation of implantable medical devices. , University of Pittsburgh. (2018).
- Bernini, M., et al. Oversizing of self-expanding nitinol vascular stents-a biomechanical investigation in the superficial femoral artery. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 132, 105259(2022).
- Bernini, M., et al. Surface finishing of n itinol for implantable medical devices: A review. J Biomed Mater Res Part B Appl Biomater. 110 (12), 2763-2778 (2022).
- Funk, K. A., Hampshire, V. A., Schuh, J. C. Nonclinical safety evaluation of medical devices. Toxicol Pathol. , CRC Press. 95-152 (2018).
- U.S. Food and Drug Administration. Non-clinical engineering tests and recommended labeling for intravascular stents and associated delivery systems - Guidance for industry and FDA staff. U.S. Food and Drug Administration. , Available from: https://www.fda.gov/regulatory-information/search-fda-guidance-documents/non-clinical-engineering-tests-and-recommended-labeling-intravascular-stents-and-associated-delivery (2018).
- Rokicki, R., Hryniewicz, T., Pulletikurthi, C., Rokosz, K., Munroe, N. Towards a better corrosion resistance and biocompatibility improvement of nitinol medical devices. J Mat Eng Perform. 24, 1634-1640 (2015).
- Hryniewicz, T., Rokicki, R. Modification of nitinol biomaterial for medical applications. World Scientific News. (96), 35-58 (2018).
- Handa, H., et al. Hemocompatibility comparison of biomedical grade polymers using rabbit thrombogenicity model for preparing nonthrombogenic nitric oxide releasing surfaces. J Mater Chem B. 2 (8), 1059-1067 (2014).
- Li, P., Wang, Y., Meng, F., Cao, L., He, Z. Effect of heat treatment temperature on martensitic transformation and superelasticity of the Ti49Ni51 shape memory alloy. Materials. 12 (19), 2539(2019).
- Duerig, T., Pelton, A., Stöckel, D. An overview of nitinol medical applications. Mat Sci and Eng: A. 273, 149-160 (1999).
- Kwok, D., Schulz, M., Hu, T., Chu, C., Chu, P. Surface treatments of nearly equiatomic niti alloy (nitinol) for surgical implants, biomedical engineering. Trends in Mater Sci. , 269-282 (2011).
- Williams, K. R., Gupta, K., Wasilik, M. Etch rates for micromachining processing-part ii. II. J of Microelectromech Syst. 12 (6), 761-778 (2003).
- Yip, M. C., et al. Low-cost and rapid shaping of nitinol for medical device prototyping. ASME Open J of Eng. 2, 021027(2023).
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
重印与许可
