Artículo de método

Formación y prueba rápidas de monturas de NiTi autoexpandibles con un factor de forma pequeño adecuado para implantes mínimamente invasivos

DOI:

10.3791/66573

⸱

7 de marzo de 2025

 ,  , 
1Department of Mechanical and Aerospace Engineering, New Mexico State University, 2Department of Mechanical and Aerospace Engineering, New Mexico State University, 3Department of Internal Medicine - Division of Cardiovascular Medicine, University of Arkansas for Medical Sciences

En este artículo

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Este trabajo ilustra una técnica de fabricación de bajo costo para establecer la forma de alambres/marcos de nitinol con un factor de forma pequeño utilizando accesorios de sacrificio. La técnica está demostrada para la fabricación de monturas autoexpandibles diseñadas para implantes mínimamente invasivos con formas complejas.

Resumen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Los alambres de NiTiNOL (comúnmente conocidos como nitinol o NiTi) cuentan con una memoria de forma excepcional y características superelásticas, mientras que el ajuste de forma suele ser un proceso costoso. Entre los pasos de este proceso, el tratamiento térmico requiere la exposición a altas temperaturas para el fraguado de la forma. Tradicionalmente, se utilizan accesorios metálicos para este propósito. Sin embargo, sus costos de fabricación pueden ser significativos, lo que no es ideal para iterar prototipos. Este trabajo demuestra un enfoque recientemente introducido que utiliza accesorios de sacrificio hechos de tubos de cobre, lo que elimina la necesidad de accesorios costosos. Estos tubos de cobre permiten la formación de geometrías complejas y ofrecen un andamio para varias fases del proceso de fabricación. Además, el persulfato de amonio se utiliza para el grabado selectivo de cobre, lo que simplifica la producción de marcos de NiTi. Los hallazgos de este trabajo confirman la efectividad de esta técnica y demuestran el éxito del ajuste de forma de los alambres de NiTi para marcos autoexpandibles. Esta metodología allana el camino para futuras investigaciones, permitiendo la creación rápida de prototipos de wireframes de NiTi para diversas aplicaciones, especialmente las de dispositivos médicos.

Introducción

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Los alambres de NiTi se usan ampliamente en implantes médicos, pero requieren un proceso inicial de ajuste de formadurante la fabricación del dispositivo. A partir de NiTi se fabrican varios dispositivos, como tubos de catéter, guías, cestas de extracción de cálculos, filtros, agujas, limas dentales y otros instrumentos quirúrgicos2. La biocompatibilidad, superelasticidad y resistencia a la fatiga del NiTi lo hacen adecuado para estas aplicaciones. Además, tiene aplicaciones en la industria automotriz y aeroespacial3.

El uso de NiTi es limitado debido a su alto costo y a los complejos procesos necesarios para el ajuste de formas. En el proceso de fraguado de forma, las estructuras de NiTi se exponen tradicionalmente a altas temperaturas (alrededor de 500 °C) mientras están confinadas en un accesorio4. Esta temperatura elevada, así como las tensiones durante el proceso de fraguado de la forma, requieren un accesorio con alta resistencia mecánica. Esta es la razón por la que los accesorios típicos generalmente están hechos de metales1. Como tal, el uso de accesorios metálicos que generalmente se mecanizan aumenta los costos y plantea desafíos para la creación rápida de prototipos y pruebas de estructuras de NiTi. Un enfoque alternativo implica el uso de accesorios reconfigurables construidos a partir de pasadores y placas1, lo que simplifica el proceso; Sin embargo, este proceso tiene limitaciones en la conformación de geometrías complejas. En consecuencia, un proceso de ajuste de forma de bajo costo que utilice materiales y fabricación de bajo costo es muy deseable para la investigación que requiere marcos de NiTi de ajuste de forma.

Para abordar la necesidad de creación rápida de prototipos de NiTi, recientemente introdujimos un protocolo que utiliza piezas impresas en 3D de bajo costo y fabricación artesanal para alambres de NiTi que fijan la forma5. Este método incorpora accesorios de sacrificio con una masa mínima. Se ha demostrado que el accesorio es beneficioso para asegurar el alambre de NiTi durante los procesos de formación de alambre y ajuste de forma (tratamiento térmico). Los tubos de cobre se emplearon como un material accesible y de bajo costo. Actúa como un accesorio de sacrificio de refuerzo y las técnicas estándar de doblado de alambre se pueden utilizar para establecer estructuras complejas de configuración. Se observó que los tubos de latón podrían utilizarse como alternativa. El persulfato de amonio se utilizó en la etapa final para el grabado selectivo del cobre, después del proceso de recocido. Este paso finalmente liberó los alambres de NiTi con forma fija. Este enfoque ilustra el uso innovador de las estructuras de sacrificio como espaciadores. Cuando este enfoque se combina con la fabricación aditiva, se puede lograr la fabricación de formas complejas.

La prueba de despliegue in vitro es una de las pruebas básicas para evaluar la viabilidad de un prototipo de implante autoexpandible, diseñado para ser desplegado a través de un catéter. Estas pruebas consisten en evaluar si un implante autoexpandible puede pasar con éxito a través de una vaina/catéter con la dimensión requerida. Dichas pruebas se han utilizado en diversos dispositivos transcatéter o prototipos de implantes; algunos ejemplos incluyen los oclusores de orejuela auricular izquierda 6,7, los stents blandos8, el desviador de flujo de NiTi9 y los stents de NiTi10. Estos trabajos ponen de manifiesto la necesidad de una metodología para fabricar rápidamente marcos de NiTi con topologías complejas, que pudieran autoexpandirse a través de catéteres, satisfaciendo así los requisitos preliminares para un implante transcatéter.

El objetivo de este documento es describir métodos de fabricación rentables y bien elaborados, proporcionando una guía detallada paso a paso a través de cada proceso. Se centra en la demostración de una variedad de marcos de alambre de NiTi autoexpandibles adecuados para implantes y analiza aspectos clave del método necesario para producir topologías complejas utilizando técnicas asequibles y eficientes. Este documento incluye la prueba de estos marcos y su despliegue a través de un catéter Fr-12 en una configuración de sobremesa que simula la entrega del implante transeptal al tabique auricular. Esta prueba es similar a las pruebas básicas, empleadas por trabajos previos 6,8. Este método demostró la capacidad de despliegue de un prototipo de marco autoexpandible después de pasar a través de un catéter. En última instancia, esta metodología puede ayudar a determinar si una determinada topología/diseño para un marco de NiTi puede cumplir con los requisitos mecánicos preliminares para el despliegue a través de un catéter específico.

Si bien este trabajo se centra en la fabricación de prototipos de marcos de NiTi y la caracterización básica de su topología y conformidad, para el desarrollo de los implantes son necesarias otras caracterizaciones11 y pruebas de seguridad reglamentarias 12,13. Algunas caracterizaciones incluyen la caracterización de las propiedades de la superficie/química14, la corrosión14, el análisis de fatiga13, la hemocompatibilidad13 y la biocompatibilidad15.

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Protocolo

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NOTA: Consulte la Tabla de materiales para obtener detalles relacionados con todos los materiales utilizados en este protocolo. La Figura 1A muestra un ejemplo de la trama de cobre/NiTi. Use guantes de seguridad.

1. Iteración de un diseño de un cuadro/prototipo de NiTi

  1. Alinee el alambre de NiTi dentro de tubos de cobre (o tubos de latón; Figura 2A).
    1. Seleccione alambre de NiTi (0,008 pulgadas) y un tubo de cobre (diámetro exterior 1,00 mm x 400 mm).
    2. Encienda el estereoscopio y observe visualmente el NiTi en el monitor y el cobre mientras los manipula. Alinee el cable dentro del tubo. Empuje el alambre completamente dentro del tubo.
  2. Prepare los accesorios impresos en 3D (Figura 2B-D).
    1. Descargue uno . STL para el accesorio/plantilla (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
      NOTA: Para algunos . Ejemplos de archivos STL, consulte este repositorio (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
    2. Si es necesario realizar algún ajuste, descargue el archivo . SDLRD del mismo repositorio, realice ajustes de diseño en el software CAD propietario y, a continuación, expórtelo como un archivo . Archivo STL. Alternativamente, cree un modelo en un software CAD de código abierto y exporte un archivo . Archivo STL.
      NOTA: Para algunos . SDLRD o . Ejemplos de diseño de FCSTD, consulte este repositorio (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
    3. Abra el software de corte (por ejemplo, Elegoo Cura) e importe el archivo . Archivo STL. Seleccione el objeto que desea imprimir en 3D y haga clic en la parte inferior del panel de corte. Guarde el archivo. gcode y guárdelo en una tarjeta micro-SD. Saca la tarjeta micro-SD.
    4. Encienda la impresora 3D FDM. Coloque la tarjeta micro-SD. En la pantalla, seleccione preparar | precalentar | PLA. Seleccione Atrás | imprimir. Seleccione el archivo .gcode y luego toque imprimir.
    5. Deja que la máquina imprima la pieza en 3D.
    6. Una vez finalizada la impresión 3D, retire la pieza impresa y corte cualquier pieza de soporte con unos alicates.
    7. Lime la pieza, donde haya bordes gruesos, y marque las áreas que se van a perforar con un marcador.
    8. Taladre agujeros en la geometría impresa en 3D con un taladro manual (Figura 2B).
      PRECAUCIÓN: Utilice guantes de seguridad y gafas de seguridad.
    9. Pase los tornillos a través de los orificios de la pieza impresa en 3D con un destornillador (Figura 2C).
  3. Forme la estructura 3D del Cu/NiTi utilizando el accesorio y las herramientas manuales. Pase el cable a través de los agujeros y dóblelo sobre los tornillos paso a paso. Si es necesario, doble el alambre con herramientas manuales (Figura 2D, E).
    1. Sostenga NiTi/Cu y páselo por el orificio central. A continuación, doble/doble el tubo de Cu con pinzas o alicates alrededor de todos los tornillos para formar la forma deseada (Figura 2E).
    2. Desatornille los tornillos. Calentar para ablandar el accesorio impreso en 3D (desde el paso 1.2) con una pistola de soldar.
    3. Usa unas tijeras para cortar la pieza impresa en 3D. Retire la pieza 3D no deseada con pinzas o alicates (Figura 2F).
  4. Trate térmicamente la estructura/marco de NiTi/Cu (Figura 2G).
    1. Encienda el tubo del horno y controle la temperatura con un termopar. Cuando la temperatura alcance los 500 °C, coloque el marco de Cu/NiTi en el horno durante 3 min.
      NOTA: Use guantes de alta temperatura, bata de laboratorio y protector facial de seguridad.
    2. Controle la temperatura utilizando termopares tipo K colocando el termómetro en el horno tubular.
    3. Saque el marco de NiTi/Cu con un gancho después de 3 minutos (Figura 2H) y enfríelo en agua destilada.
  5. Grabe los tubos de cobre de sacrificio (Figura 2I).
    1. Pesa el persulfato de amonio en una báscula. Pesa también el agua en un recipiente de vidrio. Mézclalos de tal manera que el peso del persulfato de amonio sea el 23% del del agua.
      NOTA: Realice este proceso dentro de la campana extractora y use una bata de laboratorio, vidrio de seguridad y guantes de seguridad.
    2. Agregue persulfato de amonio para lograr una proporción de peso del 23% (persulfato de amonio a agua). Revuelva la solución con un agitador de vidrio hasta que el persulfato de amonio se disuelva.
      NOTA: Realice este proceso dentro de la campana extractora y use una bata de laboratorio, vidrio de seguridad y guantes de seguridad.
    3. Sumerja los marcos de NiTi/Cu del paso 1.3 en la solución durante ~8 h para grabar el cobre (Figura 2I).
      NOTA: Realice este proceso dentro de la campana extractora y use una bata de laboratorio, vidrio de seguridad y guantes de seguridad.
    4. Supervise visualmente el grabado en cobre. Si no están completamente grabados, deseche el grabador, produzca el grabador fresco (consulte los pasos 1.5.1 y 1.5.2) y vierta el nuevo en el recipiente.
    5. Si el cobre está completamente grabado, sáquelo con unas pinzas (Figura 2J) y lave el marco de NiTi liberado en agua destilada enjuagándolo tres veces. Consulte la Figura 1B para ver un ejemplo de una trama de NiTi liberada después de estos pasos.
    6. Enciende el microscopio. Coloque el alambre de NiTi bajo el microscopio; Busque cualquier curvatura o dimensión no deseada.

2. Cubrir los lados del marco con películas o tela

  1. Aplicar una capa de centrifugado al elastómero de poliuretano aromático (el uretano de policarbonato es una alternativa, consulte la Tabla de materiales; el protocolo completo se proporciona en otra parte6).
    1. Coloque una oblea de silicona de 4 pulgadas en la máquina de plasma de oxígeno y trátela con plasma durante 2 minutos. A continuación, retire la oblea.
    2. Abra el desecador al vacío y vierta unas gotas de silano (C8H4Cl3F13Si; ver Tabla de Materiales) en un recipiente de plástico en el desecador.
    3. Coloque la oblea en el desecador, cierre la tapa y aplique vacío al desecador.
    4. Cierre la válvula desecadora y apague la bomba de vacío.
    5. Deje el desecador durante 2 h, luego saque la oblea de silicona.
    6. Coloque la oblea en el recubridor giratorio, céntrela y vierta un poco de elastómero de poliuretano aromático o alifático disuelto en DMAc (consulte la Tabla de materiales) en su centro.
    7. Centrifuga la oblea; luego, retire la oblea y colóquela en el horno a 80 °C durante 2 h, debajo de una campana extractora.
    8. Después de 2 h, saque la oblea y retire la película curada con unas pinzas (use los dedos si es necesario).
    9. Corta la película pelada en trozos más pequeños con unas tijeras.
  2. Presione con calor las películas de elastómero de poliuretano aromático en los marcos de NiTi.
    1. Diseñe un espaciador para el procedimiento de procesamiento térmico.
    2. Utilice el software CAD propietario o de código abierto para diseñar el espaciador, exporte el archivo . STL en el entorno, y corte el objeto para crear archivos gcode (consulte el paso 1.2.3). Alternativamente, descargue y use el diseño de espaciador proporcionado (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
    3. Comience a imprimir en 3D el espaciador abriendo el archivo . STL en el corte del software (por ejemplo, CHITUBOX), Alternativamente, siga los pasos de impresión 3D en 1.2.4, 1.2.5 en lugar de 2.2.4, 2.2.5 y 2.2.6.
      NOTA: El espaciador fabricado a través de los últimos pasos tendrá una mayor durabilidad.
    4. Elija el objeto que se va a imprimir en 3D, presione el panel de corte y guarde el archivo en un archivo . Formato CBT en una memoria USB.
    5. Coloque la memoria USB en la impresora 3D SLA, vierta resina de fotopolímero en el contenedor de la impresora 3D, encienda la impresora 3D, elija imprimir y presione el signo del triángulo para iniciar el proceso de impresión 3D.
    6. Una vez finalizado el proceso de impresión 3D, retire el espaciador de la cama de impresión, colóquelo durante 10 minutos dentro del sistema LED UV, luego lávelo con agua y guárdelo para los siguientes pasos.
    7. Abra la prensa de calor.
    8. Lamine la película de elastómero de poliuretano en el espaciador (Figura 2K) y coloque el alambre/marco de NiTi alrededor del espaciador y encima de la película. Lamine una segunda capa de película sobre el alambre. Ajuste la temperatura a 240 °F (si lo desea, agregue capas adicionales de elastómeros entre las dos capas o entre el poliuretano y el espaciador para evitar la adherencia).
    9. Cierre la parte superior de la prensa y bloquéela; Espere 60 s.
    10. Repita el mismo proceso de presión de calor para el otro lado del marco de alambre de NiTi y el espaciador.
    11. Corte las partes adicionales de la película adherida con unas tijeras (Figura 2L).
    12. Como alternativa a la unión de materiales termoplásticos, cubra el marco de alambre de NiTi cosiendo telas de PET.
      NOTA: La Figura 3 muestra el marco cubierto por capas de un polímero hemocompatible. Aquí, las capas incluyen una capa adicional de polidimetilsiloxano microestampado que se intercala entre ellas.

3. Implementación de marcos de prueba

  1. Sostenga un catéter FR 12 con la mano (Figura 4A) y páselo a través de un dilatador y una aguja (Figura 4B, C).
  2. Asegure una pieza de silicona en el soporte (Figura 4E).
  3. Con la aguja y el dilatador, haga un agujero en la pieza de silicona (Figura 4E).
  4. Pase el catéter a través del orificio gradualmente (Figura 4F) y retraiga el dilatador y la aguja.
  5. Doble el marco de NiTi y empújelo a través del extremo proximal del catéter (Figura 4G).
  6. Empuje el marco hacia el extremo distal del catéter utilizando la varilla de politetrafluoroetileno (PTFE) (Figura 4D).
  7. Desaloje el primer lado del marco de NiTi (Figura 4I).
  8. Retraiga el receptor (Figura 4H) y desaloje el segundo lado del marco de NiTi en el otro lado de la goma de silicona (Figura 5).
  9. Examine el marco bajo el microscopio para verificar si hay algún tipo de falla o deformaciones no deseadas.

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Resultados

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Los marcos de NiTi se configuraron en varias topologías utilizando accesorios de plástico de bajo costo y herramientas manuales (Figura 1). En los pasos del protocolo 1.1 a 1.4 (Figura 1A), las tramas de NiTi/Cu se formaron en topologías complejas. Siguiendo el paso 1.5 del protocolo, se grabó Cu para liberar las tramas de NiTi (Figura 1B). Aquí, el accesorio de Cu se grabó por completo, lo que permitió que el marco de NiTi se liber...

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Discusión

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En este protocolo, múltiples pasos requieren una atención meticulosa, como el tratamiento térmico (recocido), el grabado y el diseño de accesorios impresos en 3D. Las grandes variaciones de temperatura a partir de 500 °C 17 o el tiempo de recocido del NiTi pueden ser perjudiciales para la superelasticidad del alambre de NiTi y para lograr las formas deseadas18. El tratamiento térmico con condiciones inexactas (temperatura y tiempo) también ...

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Divulgaciones

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Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Agradecimientos

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

La investigación reportada en esta publicación fue apoyada por el Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería de los Institutos Nacionales de Salud bajo el Premio Número R21EB030654. El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente los puntos de vista oficiales de los Institutos Nacionales de Salud. S. Alaie y J. Mata también agradecen al Departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial y a la Facultad de Ingeniería de la Universidad Estatal de Nuevo México por su apoyo. Los autores agradecen a Oscar Lara y Ángel de Jesús Zúñiga Ramírez por sus contribuciones en la generación de la Figura 2 y la edición de las referencias. Los autores también agradecen a Andrea González Martínez y Jesús Armando Gil Parra por sus contribuciones a las demostraciones en video.

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Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
304 SS Hypotubes
Nombre genérico: Aguja		Tegra Médico
Marco impreso en 3D para pruebas
Nombre genérico: filamento PLA		R3D
Pieza polimérica impresa en 3D para prensa de calor
Nombre genérico: filamento PLA		R3D 
Persulfato de amonio
Nombre genérico: Persulfato de amonio		Sigma-Aldrich
Chronoflex AR 22%
Nombre genérico: Poliuretano		Biomateriales AdvanSourceElastómero de uretano de policarbonato aromático
Electrodos de cobre tipo web (1.00 mm x 400 mm)
Nombre genérico: Tubo de cobre		Suministros de electroerosión Holepop y electrodos
Dilator
Nombre genérico: Dilator		QOSINA
Ecoflex 00-30
Nombre genérico: Ecoflex 00-30		Suavesilicona
Fr 12 or 13 Catheter
Nombre genérico: Vaina		QOSINA
Alambre de níquel titanio (0.008)
Nombre genérico: Alambre de NiTi		Malin Co. 
Varilla de teflón PTFE 1/8" de diámetro x 36"
Nombre genérico: Politetrafluoroetileno 		Sello de ley y Suministro, Inc. (STCC)
Tecoflex
Nombre genérico: Poliuretano termoplástico		Lubrizolelastómero de poliuretano alifático 
Tricloro(1H,1H,2H,2H-tridecafluoro-n-octil)silano
Nombre genérico: C8H4Cl3F13Si		Sigma-Aldrich
Dimetilacetamida (DMAC)
Nombre genérico: Dimetilacetamida		Sigma-Aldrich
SOLIDWORKS
Nombre genérico: Software CAD patentado		Dassault Systè mes
FreeCAD
Nombre genérico: Software CAD de código abierto		freecad.org
ABS como resina de fotopolímero
Nombre genérico: Resina de fotopolímero		ELEGOO

Referencias

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
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