4 ד מודפס סטנטים מלאכותיים עם מבנים בהשראת Kirigami
25 ביולי 2019
באמצעות מדפסת תלת-ממדית, פילמנט פולימר מסוג הצורה הינו הבלטת ממד כדי ליצור מבנה צינורי בענף. המבנה הוא בדוגמת ובצורת כך שהוא יכול להתכווץ לתוך טופס קומפקטי פעם מקופל ולאחר מכן לחזור לצורתו הנוצרת כאשר מחוממת.
ניתן לתכנת פולימרים של זיכרון צורה לשנות צורה כאשר תנאים מסוימים עומדים. מדפסות תלת-ממד יכולות להפיק צורות אלה על-ידי ערימת שכבות אחרי שכבות, מה שמאפשר לנו להפוך כל צורה שניתן להעלות על הדעת. בסרטון זה, אנו מדגימים כיצד אנו יכולים לייצר סטנטים שניתן לצמק לצורה קומפקטית בעת לידתם, ולהתאושש לצורה המורכבת ביותר ברגע הנכון.
על ידי שימוש בשיטה זו, ניתן לעצב סטנטים מותאמים אישית עבור כל מטופל, כי כל דבר שניתן לתכנן יכול להיות מיוצר בדיוק באמצעות מדפסת 3D. הגדר את קוטר הכלי הראשי הפרוקסימלי ל-25 מילימטרים. לאחר מכן, להגדיר את הקוטרים של הכלי הראשי דיסטלי ואת הענף הצדדי שווה 22 מילימטרים.
הגדר את האורך הכולל של כלי הדם שווה ל 140 מילימטרים. לאחר מכן, הגדר את אורך הספינה הראשית הפרוקסימלית ל-65 מילימטרים, את הכלי הראשי הדיסטלי ל-75 מילימטרים ואת הענף הצדדי ל-65 מילימטרים. דגם המחשב של הכלי הסתעפות מודפס לאחר מכן באמצעות תצהיר מותך מידול מדפסת 3D ו filament פוליקרבונט.
צור גורם מכיל בצורת תיבה שישכן את החלק המודפס בתלת-ממד. הגדר את מידות המיכל ל- 110 על 105 על 70 מילימטרים ולהשתמש בצלחת אקרילית. עם כלי מסועף מודפס בתלת-ממד הממוקם במרכז הקופסה, יוצקים בעדינות את הסיליקון בתוך המיכל כדי למזער את היווצרות הבועה.
יבש את הסיליקון הנוזלי והקשיח אותו במשך 36 עד 48 שעות. לאחר התקשות, להסיר את הסיליקון מוצק מן המיכל, לחתוך אותו לחצי כדי להסיר את החלק המודפס 3D. הצטרף מחדש לסיליקון המחולק במישור החתך.
הגוף המצורף שנוצר הוא דגם כלי הדם. עצבו את תא המטען של הסטנט הדו-קוטבי בעקבות דפוסים גליים הדומים לסבנטים קונבנציונליים, ועצבו את הענפים הדו-קוטביים כגליל. עבור תא המטען, להגדיר את הקוטר ל 22 מילימטרים ואת האורך ל 38 מילימטרים.
עבור הענף, להגדיר את הקוטר ל 18 מילימטרים ואת האורך ל 34 מילימטרים. לבסוף, הגדר את האורך הכולל של הסטנט ל-72 מילימטרים. הדפס את הסטנט הדו-קוטבי במדפסת תלת-ממד עם תצהיר מותך באמצעות תריס פולימר של זיכרון צורה.
ההרכב העיקרי של חיתולה זו הוא פוליאוריתן. השתמש בתוכנת חיתוך לניתוך דגמים ולשליטה בהגדרות המדפסת תלת-ממד. הגדר את טמפרטורת האלט ל 230 מעלות צלזיוס ואת הטמפרטורה של מיטת המדפסת לטמפרטורת החדר.
כמו כן, הגדר את גובה השכבה ל- 0.1 מילימטרים כדי למזער את אפקט גרם המדרגות. לאחר מכן, הגדר את מהירות ההדפסה ל- 3, 600 מילימטרים לדקה והגדר את אחוז המילוי הפנימי ל- 80 אחוזים. כלול את היווצרות התומך במהלך ההדפסה, אשר יש צורך כי הפנים של המבנה הוא חלול.
החלק את פני השטח כמו משטחים מחוספסים יכולים לגרום נזק לכלי הדם על ידי שחיקה. הסר את התומכים באמצעות חותכים. התומכים מחוברים בחלק הפנימי של הסטנט.
בעת הסרת הסטנטים, לנקוט זהירות רבה, כדי למנוע קריעת סטנטים. לשפשף את פני השטח על נייר זכוכית כדי להסיר את קווי השכבה, פסים, או פגמים על פני השטח המודפסים. ייתכן שיהיה צורך בליטוש חוזר שבו התומכים מוסרים על ידי חותכים.
לפני הציור, לנקות, חול, ולייבש את פני השטח סטנט. לצבוע את פני השטח באמצעות תרסיס במיקום מאוורר היטב וללבוש מסכה אישית. הגן מפני overspraying על ידי החלת שכבות דקות של צבעים חוזרים ונשנים.
השתמש בצבעים שחורים כדי לשפר את הניגודיות בין מוקאפ כלי הסיליקון לבין הסטנט. מניחים את הסטנטים הדו-קוטביים במים חמים כך שהטמפרטורה היא מעל טמפרטורת המעבר מזכוכית. כאשר הסטנט מתרכך, לדחוף מחצית אחת של הענף נגד החצי השני.
קן חצי אחד בתוך החצי השני. בצע את אותו תהליך קינון לענף האחר. לאחר מכן, שני חצאי הצילינדרים סגורים לאחד.
עכשיו, לקפל את שני הענפים לתוך גליל אחד, כך שהוא יכול לנסוע דרך הספינה הראשית. לטבול את מוקאפ כלי הסיליקון בתוך המיכל מלא במים חמים. לכוון את המוקופ כך הכלי הראשי הוא מעל, ואת הענפים הם מתחת.
עכשיו, להכניס את סטנט מקופל, דו-קוטבי לתוך הפתח של מוקאפ כלי הסיליקון. כוון את הסטנט המקופל, הדו-קוטבי, כך שסניפיו יתפתחו לכיוון הפתח. הסטנט המקופל והמפולג יתחיל להתרחב, והענפים התחתונים יחלקו כך שכל ענף יחליק לכיוון מסלול ההזדווגות שלו גם בליבת ההזדווגות של כלי השיט בצורת Y.
הסטנט משתמש במבנה kiragami כדי לאפשר סטנט דו קוטבי לקפל לתוך צינור גלילי קומפקטי, אשר מתאים מאוד להחליק דרך המסלולים הצרים של כלי הדם. פולימר זיכרון הצורה מאפשר למבנה המקופל לחזור לצורתו המקורית כאשר הטמפרטורה מגיעה לטמפרטורת המעבר מזכוכית. הצורה המקורית תואמת באופן הדוק לכלי הדם הסתעפות.
הקפד להגדיר את הטמפרטורה של מיטת המדפסת בטמפרטורת החדר. חווינו עיוות לא רצוי של המבנה כאשר הטמפרטורה של מיטת המדפסת נקבעה גבוה יותר. הפוליאוריטן יכול להיות מוחלף על ידי פולימר שיש לו אפקט זיכרון צורה.
עם זאת, טמפרטורה אופטימלית או תזכיר שונה בהתאם לחומר המשמש. ההליך מייצר סטנטים דו-קוטביים שניתן להכניס לכלי דם בצורת Y עם פעולה אחת. בהשוואה לפעולות מרובות אנו משתמשים עבור סטנטים קונבנציונליים.
השיטה שלנו יכולה לשמש לטיפול במחלת לב כלילית וכלי דם שנחסמו על ידי לוחות. ההליך יכול גם לפתוח מעבר כגון צינור המרה, הסמפונות והשופכים.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מאמר זה מדגים את השימוש בטכנולוגיית הדפסה בתלת-ממד ליצירת סטנטים מפולימר בעל זיכרון צורה, שניתן לדחוסם לצורך ההחדרה ולהרחיבם באמצעות חימום. היכולת להתאים אישית סטנטים אלו מאפשרת פתרונות רפואיים מותאמים עבור מטופלים בודדים.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- הנדסה ביו-במדיקלית
- מדע החומרים
- פיתוח מכשירים רפואיים
רקע
- פולימרים בעלי זיכרון צורה יכולים לשנות את צורתם תחת תנאים ספציפיים.
- הדפסה בתלת-ממד מאפשרת יצירה של גיאומטריות מורכבות באמצעות ערימת שכבות.
- ניתן לתכנן תומכים (סטנטים) מותאמים אישית עבור צרכיו של כל מטופל.
- ניתן להחדיר תומכים בצורה דחוסה ולהרחיב אותם ברגע הנכון.
מטרת המחקר
- להדגים את הייצור של תומכים (stents) מותאמים אישית באמצעות הדפסה בתלת-ממד.
- להמחיש את התפקוד של פולימרים בעלי זיכרון צורה ביישומים רפואיים.
- להדגיש את היתרונות של מכשירים רפואיים מותאמים אישית.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- הדפסת תלת-ממד של חוטים מפולימר בעל זיכרון צורה.
- תכנון תומכים (stents) בעלי קטרים ספציפיים ליישומים כלי דם.
- בדיקת תכונות הכיווץ וההתרחבות של המבנים המודפסים.
- הדגמת מנגנוני ההחדרה וההתאוששות של התומכים.
תוצאות עיקריות
- יצירה מוצלחת של מבני צינורות מסועפים באמצעות הדפסה תלת-ממדית.
- הדגמת יכולתם של סטנטים להתכווץ ולהתרחב כפי שתוכננו.
- התאמה אישית של מימדי הסטנט עבור מטופלים בודדים.
- השבה יעילה של צורת הסטנט באמצעות חימום.
מסקנות
- הדפסה בתלת-ממד מציעה יתרונות משמעותיים בייצור של מכשירים רפואיים.
- פולימרים בעלי זיכרון צורה יכולים לשפר את התפקוד של סטנטים.
- סטנטים בעיצוב מותאם אישית יכולים לשפר את תוצאות הטיפול במטופלים בעלי מחלות כלי דם.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
עבודה זו מתייחסת לאתגר קריטי בפיתוח התקנים וסקולריים: השגת קומפקטיות מספיקה להחדרה דרך נתיבים אנטומיים צרים, תוך שמירה על שלמות מבנית לתמיכה בכלי דם חולים. שילוב של פולימרים בעלי זיכרון צורה עם עיצוב בהשראת קיריגמי מאפשר אסטרטגיית פריסה בצעד אחד, המפחיתה את המורכבות הפרוצדורלית ואת הסיכונים הנלווים. גישה זו תומכת בביטחון תחזיתי בהערכה פרה-קלינית על ידי אספקת פלטפורמה הניתנת לשחזור לבדיקת תפקוד הסטנט תחת תנאים רלוונטיים פיזיולוגית.
יישומים אסטרטגיים במחקר ופיתוח בביופארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר הפחתת סיכונים מכניסטית של היפותזות לתמיכה וסקולרית על ידי היתממשות מדויקת של גיאומטריה של אנטומיית כלי דם מסועפים לצורך בדיקות תפקודיות.
- ערך תפעולי: תומך בבדיקות עיצוב איטרטיביות באמצעות אבטיפוס תלת-ממדי מהיר של תצורות סטנטים מותאמות אישית למטופל, ללא צורך בתהליכי עיצוב מסורתיים.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מייצר נתונים כמותיים הניתנים לשחזור על קינטיקת פריסת התומך (stent) והתאוששות הכוח הרדיאלי עם הפעלה תרמית, מה שמאפשר ניתוח השוואתי סטנדרטי בין גרסאות עיצוביות שונות.
- ערך תפעולי: מקל על סטנדרטיזציה של הבדיקה באמצעות ייצור עקבי של דגמי תומך באמצעות מידול בשכבות (fused deposition modeling) עם פרמטרים מבוקרים (טמפרטורת אקסטרודר 230°C, גובה שכבה 0.1 mm, מילוי של 80%).
מחקר טרנסלציונלי ופרה-קליני
- ערך מדעי: מספק מערכת רלוונטית למחלה להערכת ביצועי סטנט בכלי דם מדומים בצורת Y, ובכך תומך בהתאמת סממנים ביולוגיים תרגומיים עבור נקודות סיום של פתוחות וכשירות זרימה.
- ערך תפעולי: מאפשר קבלת החלטות על קידום מותאם סיכונים על ידי הדגמת יכולת פריסה בפעולה אחת, בהשוואה לנהלים קונבנציונליים של השתלת סטנט הכוללים מספר שלבים.
שילוב תהליכי עבודה וצינור עיבוד
השיטה משתלבת ברצף הגילוי, החל מבדיקת היפותזות מוקדמת ועד לאישור פרה-קליני, ומספקת פלטפורמה לשימוש חוזר עבור אופטימיזציה איטרטיבית של תכנון סטנטים לפני מחקרים המאפשרים הגשת בקשה ל-IND.
- ביולוגיה גילויית: תומכת בהפחתת סיכונים ביולוגיים על ידי מתן אפשרות לבדיקת היפותזות של שינויים המודינמיים מושריים על ידי סטנט במודלים של כלי דם מסועפים תחת הפעלה תרמית מבוקרת.
- סריקה: מספקת מוכנות לבדיקה באמצעות ייצור של אבות-טיפוס של סטנטים הניתנים לסטריליזציה ומדויקים ממדית, המתאימים לבדיקת דינמיקת זרימה וסריקת תסלילי חלקיקים.
- אנליטיקה: מייצרת פלטים מדידים, כולל זמן פריסה, סימטריה של ההתרחבות והתאוששות של חוזק רדיאלי, המשמשים כקריטריונים להחלטת המשך (go/no-go) עבור איטרציות של התכנון.
- מחקר טרנסלציונלי: מקשרת להמשכיות פרה-קלינית על ידי מתן אפשרות להערכה בדגמי כלי דם מסיליקון המדמים את הגמישות האנטומית ואת זוויות ההסתעפות של מערכת כלי הדם האנושית.
- שימוש חוזר ארגוני: מבססת טכנולוגיית פלטפורמה ניתנת להרחבה, שבה ניתן לשתף קבצי תכנון ופרמטרי הדפסה בין צוותים לבניית אבות-טיפוס מהירים של וריאנטים של סטנטים ביפורקטיים וטריפורקטיביים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי באמצעות שחזור מדויק של מערכות כלי דם ספציפיות למטופל ומדדי אינטראקציה כמותיים בין הסטנט לרקמה.
- ערך תפעולי: משפר את הסטנדרטיזציה והשחזוריות באמצעות פרמטרי הדפסת תלת-ממד מבוקרים ושלבי עיבוד לאחר ההדפסה (שיוף, צביעה, ותיקוף של הפעלה תרמית).
- ערך אסטרטגי: מפחית סיכון ביולוגי בשלבים מאוחרים על ידי מתן אפשרות לזיהוי מוקדם של כשלים בפריסה או התאמה לקויה (malapposition) באתרים מורכבים מבחינה אנטומית.
- השפעה על תיק הפיתוח: תומך בתעדוף של תוכניות סטנטים מותאם סיכון, באמצעות אספקת נתונים אובייקטיביים על היתכנות ההחדרה ואמינות ההתרחבות העצמית.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות במדעי הפולימרים ובאופטימיזציה של הדפסה בתלת-ממד כדי לנהל את התנהגות פילמנט הפולימר בעל זיכרון הצורה במהלך הייצור.
- מחייב תשתית לבקרה תרמית לצורך הפעלה עקבית של טמפרטורת מעבר הזכוכית במהלך בדיקות ספסל (bench testing).
- דורש סטנדרטיזציה בין-צוותית של קובצי תכנון הסטנט, הגדרות תוכנת הפריסה (slicing software) ופרוטוקולי עיבוד לאחר הדפסה כדי להבטיח שחזוריות בין מעבדות.
- כולל שיקולי התאמה בעת המעבר מדגמי סיליקון לדגמים ex vivo או in vivo, בשל הבדלים בגמישות כלי הדם ובדינמיקה של זרימה פועמת.
- כולל מגבלות מעשיות, כגון הצורך בבדיקות תאימות ביולוגית ובתיקוף יציבות ביולוגית לטווח ארוך של פולימרים בעלי זיכרון צורה לפני יישום קליני, כפי שצוין בחומרי המקור.
שאלות נפוצות בביופארמה
Chapters in this video
0:04
Title
0:45
Blood Vessel Mock-Up Design and Fabrication by Molding
2:07
Design of the Branched Stent Based on Kirigami and 3D Printing with Shape Memory Polymer Filaments
3:24
Smoothing Out the Surface
4:18
Deforming the Bifurcated Stent and Insertion of the Bifurcated Stent into the Vessels
5:26
Results: The Original and Deformed State of the Bifurcated Stent
5:55
Conclusion
