Artículo de método

Stents bifurcados impresos en 4D con estructuras inspiradas en kirigami

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DOI:

10.3791/59746

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25 de julio de 2019

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

En este artículo

Resumen

Usando una impresora 3D, un filamento de polímero de memoria de forma se extruye para formar una estructura tubular ramificada. La estructura está estampada y moldeada de tal forma que puede contraerse en una forma compacta una vez doblada y luego volver a su forma formada cuando se calienta.

Resumen

Los buques ramificados, normalmente en forma de la letra "Y", pueden estrecharse o bloquearse, lo que resulta en graves problemas de salud. Los stents bifurcados, que son huecos en el interior y de forma exterior a los vasos ramificados, insertados quirúrgicamente dentro de los vasos ramificados, actúan como una estructura de apoyo para que los fluidos corporales puedan viajar libremente a través del interior de los stents sin obstruidos por los vasos estrechos o bloqueados. Para que un stent bifurcado sea desplegado en el sitio de destino, debe ser inyectado dentro de la embarcación y viajar dentro de la embarcación para llegar al sitio de destino. El diámetro del recipiente es mucho menor que la esfera delimitadora del stent bifurcado; por lo tanto, se requiere una técnica para que el stent bifurcado siga siendo lo suficientemente pequeño como para viajar a través de la embarcación y se expanda en el buque ramificado objetivo. Estas dos condiciones conflictivas, es decir, lo suficientemente pequeñas como para pasar y lo suficientemente grandes como para soportar estructuralmente pasajes estrechos, son extremadamente difíciles de satisfacer simultáneamente. Utilizamos dos técnicas para cumplir con los requisitos anteriores. En primer lugar, en el lado del material, un polímero de memoria de forma (SMP) se utiliza para autoiniciar los cambios de forma de pequeño a grande, es decir, ser pequeño cuando se inserta y llegar a ser grande en el sitio de destino. En segundo lugar, en el lado del diseño, un patrón de kirigami se utiliza para doblar los tubos de ramificación en un solo tubo con un diámetro más pequeño. Las técnicas presentadas se pueden utilizar para diseñar estructuras que se pueden compactar durante el transporte y volver a su forma funcionalmente adepto cuando se activa. Aunque nuestro trabajo está dirigido a stents médicos, los problemas de biocompatibilidad deben resolverse antes del uso clínico real.

Introducción

Los stents se utilizan para ensanchar pasajes estrechos o estenosados en humanos, como vasos sanguíneos y vías respiratorias. Los stents son estructuras tubulares que se asemejan a los pasajes y apoyan mecánicamente los pasajes de colapsando más. Por lo general, los stents metálicos autoexpandibles (SEMS) son ampliamente adoptados. Estos stents están hechos de aleaciones compuestas de cobalto-cromo (acero inoxidable) y níquel-titanio (nitinol)1,2. La desventaja de los stents metálicos es que la necrosis por presión puede existir donde los cables metálicos del stent entran en contacto con los tejidos vivos y los stents se ven afectados. Además, los vasos del cuerpo pueden tener una forma irregular y son mucho más complejos que las estructuras tubulares simples. En particular, existen muchos procedimientos clínicos especializados para instalar stents en lúmenes ramificados. En un lumen en forma de Y, dos stentscilíndricos se insertan simultáneamente y se unen en una rama 3. Para cada rama adicional, se debe realizar un procedimiento quirúrgico adicional. El procedimiento requiere médicos especialmente capacitados, y la inserción es extremadamente difícil debido a las características salientes de los stents ramificados.

La complejidad de la forma de los stents bifurcados lo convierte en un objetivo muy adecuado para la impresión 3D. Los stents convencionales se producen en masa en tamaños y formas estandarizados. Utilizando la metodología de fabricación de impresión 3D, es posible personalizar la forma del stent para cada paciente. Debido a que las formas se hacen agregando repetidamente capa por capa de las formas seccionales del objeto de destino, en teoría, este método se puede utilizar para fabricar partes de cualquier forma y tamaño. Los stents convencionales son en su mayoría de forma cilíndrica. Sin embargo, los vasos humanos tienen ramas, y los diámetros cambian a lo largo de los tubos. Utilizando el enfoque propuesto, todas estas variaciones en las formas y tamaños se pueden acomodar. Además, aunque no se ha demostrado, los materiales usados también pueden cambiar dentro de un solo stent. Por ejemplo, podemos utilizar materiales más rígidos donde se necesita soporte y materiales más suaves donde se requiere más flexibilidad.

El requisito de cambio de forma de los stents bifurcados requiere la impresión 4D, a saber, la impresión 3D con la consideración adicional del tiempo. Las estructuras impresas en 3D formadas con materiales especializados se pueden programar para cambiar su forma mediante una estimulación externa, como el calor. La transformación es autosostenida y no requiere fuentes de energía externas. Un material especial que es adecuado para la impresión 4D es un SMP4,5,6,7,8,9, que exhibe efectos de memoria de forma cuando se expone a un temperatura de transición del vidrio de activación específico del material. A esta temperatura, los segmentos se vuelven suaves para que la estructura vuelva a su forma original. Después de que la estructura está impresa en 3D, se calienta a una temperatura ligeramente por encima de la temperatura de transición del vidrio. En este punto, la estructura se vuelve suave, y somos capaces de deformar la forma mediante la aplicación de fuerzas. Mientras se mantienen las fuerzas aplicadas, la estructura se enfría, se endurece y conserva su forma deformada, incluso después de que se eliminan las fuerzas aplicadas. Posteriormente, en la etapa final, cuando la estructura necesita volver a su forma original, como el momento en que la estructura llega al sitio de destino, se suministra calor para que la estructura alcance su temperatura de transición de vidrio. Finalmente, la estructura vuelve a su forma original memorizada. La Figura 1 ilustra las diversas etapas explicadas anteriormente. Las SMP se pueden estirar fácilmente, y hay algunas SMP que son biocompatibles y biodegradables9,10. Hay muchos usos para SMP en el campo de la medicina9,10, y stents11,12 son uno de ellos.

Los patrones de los stents y el diseño plegable siguen el diseño de corte de papel japonés llamado "kirigami". Este proceso se asemeja a la conocida técnica de plegado de papel llamada "origami", pero la diferencia es que además del plegado, el corte del papel también está permitido en el diseño. Esta técnica se ha utilizado en las artes y también se ha aplicado en aplicaciones de ingeniería2,3,13,14. En resumen, el kirigami se puede utilizar para transformar una estructura plana en una estructura tridimensional aplicando fuerzas en puntos diseñados específicamente. En nuestros requisitos de diseño, el stent debe ser una forma cilíndrica simple cuando se inserta en las vías, y el cilindro debe dividirse a lo largo de su longitud donde cada mitad debe desplegarse a una forma completamente cilíndrica en el recipiente ramificado objetivo. La solución radica en el hecho de que el recipiente principal y las ramas laterales se doblan en un solo cilindro de modo que las ramas laterales no interfieran con las paredes de los recipientes durante la inserción. La señal de comando de desdoblamiento proviene del aumento de la temperatura ambiente por encima de la temperatura de transición del vidrio del SMP. Además, el plegado se llevará a cabo fuera del cuerpo del paciente ablandando el stent bifurcado impreso en 3D y doblando la rama lateral en el recipiente principal.

Los métodos convencionales requerían la inserción de varios stents cilíndricos cuyo número es igual al número de ramas. Este método era inevitable porque las protuberancias de las ramas laterales obstaculizaban las paredes de los caminos e impedía insertar un stent bifurcado completo en su totalidad. Utilizando la estructura del kirigami y la impresión 4D, los problemas anteriores se pueden resolver. Este protocolo también muestra la visualización de la eficacia del método propuesto utilizando un modelo de vasos de silicona fabricado después de la forma de los vasos sanguíneos. A través de esta maqueta, se puede ver la eficacia de la invención propuesta durante el proceso de inserción y otras posibilidades de nuevas aplicaciones.

El propósito de este protocolo es describir claramente los pasos involucrados en la impresión de un SMP utilizando una impresora de modelado de deposición fusionada (FDM). Además, las técnicas involucradas en la deformación de los stents bifurcados impresos al estado plegado, la inserción de los stents bifurcados plegados en el sitio de destino, y la señalización y el desdoblamiento de la estructura a su forma original se dan en detalle. La demostración de la inserción utiliza una maqueta de silicona de los vasos sanguíneos. El protocolo también proporciona los procedimientos involucrados en la fabricación de esta maqueta utilizando una impresora 3D y molduras.

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Protocolo

1. Diseño de maqueta de vasos sanguíneos para la demostración

  1. Fije el diámetro del recipiente principal proximal a 25 mm, los diámetros del recipiente principal distal y la rama lateral igual a 22 mm. Fije la longitud total de los recipientes igual a 140 mm. Fije la longitud del recipiente principal proximal, el recipiente principal distal y la rama lateral a 6 5 mm, 75 mm y 65 mm, respectivamente. El vaso sanguíneo completo se muestra en la Figura 2 y la Figura 3.
  2. Imprima el modelo de ordenador del recipiente ramificado utilizando una impresora 3D FDM. Utilice un filamento de policarbonato.

2. Fabricación de maquetas de vasos sanguíneos por moldeo

  1. Cree un contenedor en forma de caja que albergará la pieza impresa en 3D. Establezca las dimensiones del contenedor en 110 x 105 x 70 mm y utilice una placa de acrílico.
  2. Con el recipiente ramificado impreso en 3D colocado en el centro de la caja, vierta suavemente la silicona dentro del recipiente para minimizar la formación de burbujas. Secar la silicona líquida y endurecerla durante 36 x 48 h.
  3. Retire la silicona solidificada del recipiente y córtela por la mitad para retirar la pieza impresa en 3D. Vuelva a unir la silicona dividida en el plano de corte. El cuerpo unido resultante es la maqueta de los vasos sanguíneos. El resultado final se muestra en la Figura4.

3. Diseño del stent ramificado basado en kirigami

NOTA: El tamaño del stent ramificado está hecho para acurrucarse dentro de la vía en forma de Y de la maqueta de los vasos sanguíneos. El interior está hecho hueco, y las mallas tubulares de superficie están diseñadas para plegarse funcionalmente y volver a la configuración completa desdoblada.

  1. Diseñe el tronco del stent bifurcado siguiendo patrones ondulados similares a los stents convencionales. Ajuste el diámetro del tronco a 22 mm y la longitud del tronco a 38 mm.
  2. Diseñe las ramas bifurcadas para que sean un cilindro, como se muestra en la Figura 5B. Ajuste el diámetro de la rama a 18 mm y la longitud de la rama a 34 mm.
  3. Establezca la longitud total del stent en 72 mm. La forma final se muestra en la Figura6.

4. Impresión 3D con filamentos SMP

  1. Imprima el stent bifurcado en una impresora 3D FDM utilizando un filamento SMP. La composición principal de este filamento es el poliuretano. El vendedor comercial también proporciona estos filamentos en forma de pellets para que el usuario final también pueda añadir sustancias adicionales para adaptar las características del material (Figura7).
  2. Utilice el software de corte para cortar el modelo y para controlar la configuración de la impresora 3D. Ajuste la temperatura del extrusor a 230 oC y la temperatura del lecho de la impresora a temperatura ambiente. Establezca la altura de la capa en 0,1 mm para minimizar el efecto de escalera.
  3. Establezca la velocidad de impresión en 3.600 mm/min. Establezca la cantidad de porcentaje de relleno interior en 80%. Incluir la formación de apoyo durante la impresión, que es necesario porque la estructura es hueca en el interior. La Figura 8 ilustra el proceso de impresión.

5. Suavizar la superficie

NOTA: Los siguientes pasos son necesarios porque las superficies rugosas pueden dañar los vasos por abrasión.

  1. Retire los apoyos mediante cortadoras (Figura9A). Los partidarios están unidos en el interior del stent. Al retirar los stents, tenga mucho cuidado para evitar rasgarlos.
  2. Frote la superficie contra el papel de lija (Figura9B)para eliminar las líneas de capa, estrías o imperfecciones en la superficie impresa. Es posible que sea necesario un pulido repetido cuando los apoyos sean retirados por las fresas.
  3. Pinta la superficie con un spray en un lugar bien ventilado y usa una máscara personal. Limpie, lijar y secar la superficie. Protéjase de rociar en exceso aplicando capas delgadas de pinturas repetidas. Utilice pinturas negras para mejorar el contraste entre la maqueta del recipiente de silicona y el stent (Figura9C).

6. Deformar el stent bifurcado

  1. Coloque los stents bifurcados en agua tibia de tal manera que la temperatura esté por encima de la temperatura de transición del vidrio. Cuando el stent se ablande, empuje la mitad de la rama contra la otra mitad. Anidar una mitad dentro de la otra mitad, como se muestra en la Figura 10A.
  2. Doblar las dos ramas en un solo cilindro para que pueda viajar a través de la nave principal. Realice el mismo proceso de anidamiento en la otra rama. Posteriormente, las dos mitades de los cilindros se cierran en una, como se muestra en la Figura 10B.

7. Inserción del stent bifurcado en los recipientes

  1. Llene un tanque con agua tibia. Ajuste la temperatura del agua a 55-60 oC. Sumerja la maqueta del recipiente de silicona dentro del tanque. Orientar la maqueta de tal manera que el buque principal está por encima y las ramas están por debajo.
  2. Inserte el stent bifurcado doblado en la abertura de la maqueta del recipiente de silicona desde arriba. Orientar el stent bifurcado doblado de tal forma que sus ramas estén hacia la abertura. El stent bifurcado doblado comenzará a expandirse, y las ramas inferiores se dividirán de tal manera que cada rama se deslizará hacia su camino de apareamiento desde el núcleo de bifurcación de los vasos en forma de Y (Figura12).

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Resultados

En este protocolo, mostramos los procedimientos necesarios para fabricar un stent bifurcado. El stent utiliza una estructura de kirigami para permitir que el stent bifurcado se doble en un tubo cilíndrico compacto, que es muy adecuado para deslizarse a través de las estrechas vías de los vasos sanguíneos. El SMP permite que la estructura plegada vuelva a su forma original cuando la temperatura alcanza la temperatura de transición del vidrio. La forma original, impresa en 3D con el material SMP, coincide estrechamente con...

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Discusión

Los stents se utilizan a menudo para limpiar las vías internas obstruidas, como los vasos sanguíneos y las vías respiratorias de los pacientes. El funcionamiento quirúrgico de la inserción de stents requiere la consideración cuidadosa de la enfermedad del paciente y las características anatómicas humanas. La forma del recipiente es compleja, y existen diversas condiciones de ramificación. Sin embargo, los procedimientos operativos de stent estándar se basan en stents producidos en masa con tamaños estándar. En este proto...

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Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Este trabajo fue apoyado por la subvención del Instituto de Planificación y Evaluación de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (IITP) financiada por el gobierno de Corea (MSIT) (núm. 2018-0-01290, el desarrollo de un conjunto de datos abierto y tecnología de procesamiento cognitivo para el reconocimiento de las características derivadas de los movimientos de los seres humanos no estructurados (oficiales de policía, oficiales de seguridad del tráfico, peatones, etc.) utilizados en automóviles autónomos) y la subvención del Instituto de Investigación SIGT (GRI) financiada por el GIST en 2019.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Fortus380mcStratasysFortus 380mcImpresora 3D FDM para la impresión de maquetas de vasos sanguíneos
Moment1 Impresora 3DMomentMoment 1FDM Impresora 3D FDM para la impresión de stents bifurcados
PC (blanco) Bote de filamentoStratasysPC (blanco) Bote de filamento FilamentoPC para imprimir maquetas de vasos sanguíneos
Software PLM NX 10.0SiemensNX 10.0software de modelado CAD 3D
Papel de lijaDAESUNGCC-600CWAplastando la superficie del stent bifurcado 
Filamento de polímero con memoria de formaSMP Technologies IncMM-5520Filamento de polímero con memoria
forma silicioShinetusKE-1606silicio para maqueta de vasos sanguíneos
Simplify3DSimplify3D Simplify3D 4.0.1Software de corte para corte de modelos 
de

Referencias

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