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。
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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....
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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....
- 下载夹具/模板的一个 .STL 文件（https://osf.io/54rm3/files/osfstorage）。
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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).......
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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.......
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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。
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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 ti....
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重印与许可
