Articolo metodologico

Stent biforcati stampati in 4D con strutture ispirate a Kirigami

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DOI:

10.3791/59746

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25 luglio 2019

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

In questo articolo

Sommario

Utilizzando una stampante 3D, un filamento polimerico a memoria di forma viene estruso per formare una struttura tubolare ramificata. La struttura è modellata e modellata in modo tale che possa contrarsi in una forma compatta una volta piegata e poi tornare alla sua forma formata quando riscaldata.

Abstract

I vasi ramificati, tipicamente sotto forma di lettera "Y", possono essere ristretti o bloccati, causando gravi problemi di salute. Gli stent biforcati, che sono vuoti all'interno e modellati all'esterno ai vasi ramificati, inseriti chirurgicamente all'interno dei vasi ramificati, fungono da struttura portante in modo che i fluidi corporei possano viaggiare liberamente attraverso l'interno degli stent senza ostruiti dai vascelli ristretti o bloccati. Affinché uno stent biforcato venga dispiegato nel sito di destinazione, deve essere iniettato all'interno della nave e viaggiare all'interno della nave per raggiungere il sito di destinazione. Il diametro del vaso è molto più piccolo della sfera di delimitazione dello stent biforcato; pertanto, è necessaria una tecnica in modo che lo stent biforcato rimanga abbastanza piccolo da viaggiare attraverso la nave e si espanda alla nave ramificata mirata. Queste due condizioni conflittuali, cioè abbastanza piccole da passare e abbastanza grandi da supportare strutturalmente passaggi ristretti, sono estremamente difficili da soddisfare contemporaneamente. Utilizziamo due tecniche per soddisfare i requisiti di cui sopra. In primo luogo, sul lato materiale, un polimero di memoria forma (SMP) viene utilizzato per auto-avviare i cambiamenti di forma da piccolo a grande, cioè essere piccolo quando inserito e diventare grande nel sito di destinazione. In secondo luogo, sul lato del design, viene utilizzato un modello di kirigami per piegare i tubi di ramificazione in un singolo tubo con un diametro più piccolo. Le tecniche presentate possono essere utilizzate per progettare strutture che possono essere compattate durante il trasporto e tornare alla loro forma funzionalmente abile quando attivate. Anche se il nostro lavoro è mirato su stent medici, problemi di biocompatibilità devono essere risolti prima dell'uso clinico effettivo.

Introduzione

Gli stent sono utilizzati per allargare i passaggi ristretti o stenosi negli esseri umani, come i vasi sanguigni e le vie aeree. Gli stent sono strutture tubolari che assomigliano ai passaggi e supportano meccanicamente i passaggi da ulteriori crolli. Tipicamente, gli stent metallici auto-espandinti (SEMS) sono ampiamente adottati. Questi stent sono realizzati in leghe composte da cobalto-cromo (acciaio inossidabile) e nichel-titanio (nitinol)1,2. Lo svantaggio degli stent metallici è che la necrosi della pressione può esistere dove i fili metallici dello stent entrano in contatto con i tessuti vivi e gli stent sono influenzati. Inoltre, i vasi del corpo possono essere di forma irregolare e sono molto più complessi di semplici strutture tubolari. In particolare, ci sono molte procedure cliniche specializzate per installare stent in lumen ramificati. In un lumame a forma di Y, due stent cilindrici vengono inseriti contemporaneamente e uniti a un ramo3 . Per ogni ramo aggiuntivo, deve essere condotta una procedura chirurgica aggiuntiva. La procedura richiede medici appositamente formati, e l'inserimento è estremamente impegnativo a causa delle caratteristiche sporgenti degli stent ramificati.

La complessità della forma degli stent biforcati lo rende un obiettivo molto adatto per la stampa 3D. Gli stent convenzionali sono prodotti in serie in dimensioni e forme standardizzate. Utilizzando la metodologia di fabbricazione della stampa 3D, è possibile personalizzare la forma dello stent per ogni paziente. Poiché le forme vengono realizzate aggiungendo ripetutamente strato per livello delle forme di sezione dell'oggetto di destinazione, in teoria, questo metodo può essere utilizzato per fabbricare parti di qualsiasi forma e dimensione. Gli stent convenzionali sono per lo più di forma cilindrica. Tuttavia, i vasi umani hanno rami e i diametri cambiano lungo i tubi. Utilizzando l'approccio proposto, tutte queste variazioni di forme e dimensioni possono essere soddisfatte. Inoltre, anche se non dimostrato, i materiali usati possono anche cambiare all'interno di un singolo stent. Ad esempio, possiamo utilizzare materiali più rigidi dove è necessario il supporto e materiali più morbidi dove è necessaria una maggiore flessibilità.

Il requisito di cambiamento di forma degli stent biforcati richiede la stampa 4D, vale a dire la stampa 3D con l'ulteriore considerazione del tempo. Le strutture stampate in 3D formate utilizzando materiali specializzati possono essere programmate per cambiare la loro forma mediante una stimolazione esterna, come il calore. La trasformazione è autosufficiente e non richiede fonti di alimentazione esterne. Un materiale speciale adatto alla stampa 4D è un SMP4,5,6,7,8,9, che presenta effetti di memoria di forma quando esposto a un temperatura di transizione del vetro di attivazione specifica del materiale. A questa temperatura, i segmenti diventano morbidi in modo che la struttura ritorni alla sua forma originale. Dopo che la struttura è stampata in 3D, viene riscaldata a una temperatura leggermente superiore alla temperatura di transizione del vetro. A questo punto, la struttura diventa morbida e siamo in grado di deformare la forma applicando forze. Pur mantenendo le forze applicate, la struttura viene raffreddata, si indurisce e mantiene la sua forma deformata, anche dopo la rimozione delle forze applicate. Successivamente, nella fase finale, quando la struttura deve tornare alla sua forma originale, come nel momento in cui la struttura raggiunge il sito di destinazione, viene fornito calore in modo che la struttura raggiunga la sua temperatura di transizione del vetro. Infine, la struttura ritorna alla sua forma originale memorizzata. La figura 1 illustra le varie fasi illustrate in precedenza. Gli SMP possono essere facilmente allungati, e ci sono alcuni SMP che sono biocompatibili e biodegradabili9,10. Ci sono molti usi per Gli SMP nel campo della medicina9,10, e stents11,12 sono uno di loro.

I modelli degli stent e il design pieghevole seguono il disegno di taglio della carta giapponese chiamato "kirigami". Questo processo assomiglia alla ben nota tecnica di piegatura della carta chiamata "origami", ma la differenza è che oltre alla piegatura, il taglio della carta è consentito anche nel design. Questa tecnica è stata utilizzata nelle arti ed è stata applicata anche nelle applicazioni di ingegneria2,3,13,14. In breve, i kirigami possono essere utilizzati per trasformare una struttura planare in una struttura tridimensionale applicando forze in punti appositamente progettati. Nei nostri requisiti di progettazione, lo stent deve essere una semplice forma cilindrica quando inserito nei percorsi, e il cilindro dovrebbe dividersi lungo la sua lunghezza dove ogni metà dovrebbe dispiegarsi a una forma completamente cilindrica al vaso ramificato mirato. La soluzione sta nel fatto che il recipiente principale e i rami laterali sono piegati in un unico cilindro in modo che i rami laterali non interferiscano con le pareti dei vasi durante l'inserimento. Il segnale di comando di spiegamento deriva dall'aumento della temperatura ambiente al di sopra della temperatura di transizione del vetro del SMP. Inoltre, la piegatura sarà condotta al di fuori del corpo del paziente ammorbidendo lo stent biforcato stampato in 3D e piegando il ramo laterale nel recipiente principale.

I metodi convenzionali richiedevano l'inserimento di più stent cilindrici il cui numero è uguale al numero di rami. Questo metodo era inevitabile perché le sporche dei rami laterali ostacolavano le pareti dei sentieri e rendevano impossibile inserire uno stent biforcato completo nella sua interezza. Utilizzando la struttura kirigami e la stampa 4D, i problemi di cui sopra possono essere risolti. Questo protocollo mostra anche la visualizzazione dell'efficacia del metodo proposto utilizzando un modello di vaso di silicone fabbricato dopo la forma dei vasi sanguigni. Attraverso questo mock-up, si può vedere l'efficacia dell'invenzione proposta durante il processo di inserimento e ulteriori possibilità di nuove applicazioni.

Lo scopo di questo protocollo è quello di delineare chiaramente i passaggi necessari per stampare un SMP utilizzando una stampante FDM (FDM, Deposition Modeling) fusa. Inoltre, le tecniche coinvolte nella deformazione degli stent biforcati stampati allo stato piegato, l'inserimento degli stent biforcati piegati al sito di destinazione e la segnalazione e lo svolgimento della struttura alla sua forma originale sono dati in dettaglio. La dimostrazione dell'inserimento utilizza un mock-up in silicone dei vasi sanguigni. Il protocollo fornisce anche le procedure necessarie per fabbricare questo mock-up utilizzando una stampante 3D e lo stampaggio.

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Protocollo

1. Disegno di simulazione dei vasi di sangue per la dimostrazione

  1. Impostare il diametro del recipiente principale prossimale a 25 mm, i diametri del recipiente principale disal e il ramo laterale pari a 22 mm. Impostare la lunghezza totale dei vasi pari a 140 mm. Impostare la lunghezza del recipiente principale prossimale, il recipiente principale dissal e il ramo laterale a 6 rispettivamente da 5 mm, 75 mm e 65 mm. Il vaso sanguigno completo è illustrato nella Figura 2 e nella Figura 3.
  2. Stampare il modello computer della nave ramificata utilizzando una stampante 3D FDM. Utilizzare un filamento in policarbonato.

2. Tessuto di mock-up del vaso di sangue mediante stampaggio

  1. Creare un contenitore a forma di scatola che ospita la parte stampata in 3D. Impostare le dimensioni del contenitore su 110 x 105 x 70 mm e utilizzare una piastra acrilica.
  2. Con il recipiente ramificato stampato in 3D posto al centro della scatola, versare delicatamente il silicone all'interno del contenitore per ridurre al minimo la formazione di bolle. Asciugare il silicone liquido e indurirlo per 36-48 h.
  3. Rimuovere il silicone solidificato dal contenitore e tagliarlo a metà per rimuovere la parte stampata 3D. Ricongiungere il silicone diviso al piano di taglio. Il corpo unito risultante è il modello del vaso sanguigno. Il risultato finale è mostrato Figura 4.

3. Progettazione dello stent ramificato a base di kirigami

NOTA: La dimensione dello stent ramificato è fatta per adattarsi snuggly all'interno del percorso a forma di Y del modello del vaso sanguigno. L'interno è reso cavo, e le maglie tubolari della superficie sono progettati per piegare e tornare funzionalmente alla configurazione completamente spiegata.

  1. Progettare il tronco dello stent biforcato seguendo modelli ondulati simili agli stent convenzionali. Impostare il diametro del tronco su 22 mm e la lunghezza del tronco a 38 mm.
  2. Progettare i rami biforcati in modo che siano un cilindro, come illustrato nella Figura 5B. Impostare il diametro del ramo su 18 mm e la lunghezza del ramo su 34 mm.
  3. Impostare la lunghezza totale dello stent su 72 mm. La forma finale è illustrata nella figura 6.

4. Stampa 3D con filamenti SMP

  1. Stampare lo stent biforcato in una stampante 3D FDM utilizzando un filamento SMP. La composizione principale di questo filamento è il poliuretano. Il venditore commerciale fornisce anche questi filamenti sotto forma di pellet in modo che l'utente finale possa anche aggiungere ulteriori sostanze per adattare le caratteristiche del materiale (Figura 7).
  2. Utilizzare il software di sezionamento per il sezionamento del modello e per controllare le impostazioni della stampante 3D. Impostare la temperatura dell'estrusore a 230 gradi centigradi e la temperatura del letto della stampante a temperatura ambiente. Impostare l'altezza del livello su 0,1 mm per ridurre al minimo l'effetto scala.
  3. Impostare la velocità di stampa su 3.600 mm/min. Impostare la quantità di riempimento interno su 80%. Includere la formazione del supporto durante la stampa, che è necessaria perché la struttura è cava all'interno. Figura 8 illustra il processo di stampa.

5. Smussare la superficie

NOTA: I seguenti passaggi sono necessari perché le superfici ruvide possono danneggiare i vasi per abrasione.

  1. Rimuovere i supporti utilizzando le frese (Figura 9A). I sostenitori sono attaccati all'interno dello stent. Quando si rimuovono gli stent, esercitare estrema cautela per evitare di strappare gli stent.
  2. Strofinare la superficie sulla carta vetrata (Figura 9B) per rimuovere le linee di strato, striature o macchie sulla superficie stampata. Può essere necessaria una lucidatura ripetuta quando i sostenitori vengono rimossi dalle frese.
  3. Dipingere la superficie con uno spray in una posizione ben ventilata e indossare una maschera personale. Pulire, sabbiare e asciugare la superficie. Proteggere dall'overspraying applicando sottili strati di vernici ripetute. Utilizzare vernici nere per migliorare il contrasto tra il supporto del vaso di silicone e lo stent (Figura 9C).

6. Deformare lo stent biforcato

  1. Mettere gli stent biforcati in acqua tiepida in modo che la temperatura sia al di sopra della temperatura di transizione del vetro. Quando lo stent si ammorbidisce, spingere una metà del ramo contro l'altra metà. Nidificare una metà nell'altra metà, come illustrato nella figura 10A.
  2. Piegare i due rami in un unico cilindro in modo che possa viaggiare attraverso la nave principale. Eseguire lo stesso processo di nidificazione nell'altro ramo. Successivamente, le due metà dei cilindri sono chiuse in una, come mostrato nella Figura 10B.

7. Inserimento dello stent biforcato nei vasi

  1. Riempire un serbatoio con acqua tiepida. Impostare la temperatura dell'acqua a 55-60 gradi centigradi. Immergi il recipiente in silicone all'interno del serbatoio. Orientare il mockup in modo che la nave principale è sopra e i rami sono sotto.
  2. Inserire lo stent biforcato piegato nell'apertura del vaso di silicone dall'alto. Orientare lo stent biforcato piegato in modo che i suoi rami siano verso l'apertura. Lo stent piegato biforcato inizierà ad espandersi, e i rami inferiori si divideranno in modo tale che ogni ramo scivoli verso il suo percorso di accoppiamento dal nucleo biforcazione dei vasi a forma di Y (Figura 12).

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Risultati

In questo protocollo, abbiamo mostrato le procedure necessarie per fabbricare uno stent biforcato. Lo stent utilizza una struttura di kirigami per consentire allo stent biforcato di piegarsi in un tubo cilindrico compatto, che è molto adatto per scivolare attraverso le vie strette dei vasi sanguigni. L'SMP consente alla struttura piegata di tornare alla sua forma originale quando la temperatura raggiunge la temperatura di transizione del vetro. La forma originale, stampata in 3D utilizzando il materiale SMP, corrisponde ...

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Discussione

Gli stent sono spesso utilizzati per eliminare le vie interne intasate come i vasi sanguigni e le vie aeree dei pazienti. Il funzionamento chirurgico degli stent di inserimento richiede un'attenta considerazione della malattia del paziente e delle caratteristiche anatomiche umane. La forma della nave è complessa e esistono diverse condizioni di ramificazione. Tuttavia, le procedure operative standard dello stent si basano su stent prodotti in serie con dimensioni standard. In questo protocollo, abbiamo mostrato come pers...

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Dichiarazioni

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

Questo lavoro è stato sostenuto dalla sovvenzione IInstitute of Information & Communications Technology Planning and Evaluation (IITP) finanziata dal governo coreano (MSIT) (n. 2018-0-01290, lo sviluppo di un set di dati aperto e la tecnologia di elaborazione cognitiva per riconoscimento delle caratteristiche derivate da esseri umani non strutturati (ufficiali di polizia, agenti di sicurezza stradale, pedoni, ecc.) movimenti utilizzati nelle auto a guida autonoma) e la sovvenzione GIST Research Institute (GRI) finanziata dal GIST nel 2019.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Fortus380mcStratasysFortus 380mcFDM per la stampa di mock-up di vasi sanguigni
Stampante 3D Moment1 Stampante 3DFDM Moment 1 per la stampa di stent biforcato
PC (bianco) Filament CanisterStratasysPC (bianco) Filament CanisterPC per la stampa di mock-up di vasi sanguigni
Software PLM NX 10.0SiemensNX 10.0Software di modellazione CAD 3D
Carta vetrataDAESUNGCC-600CWSmussatura della superficie dello stent biforcato
Filamento polimerico a memoria di formaSMP Technologies IncMM-5520Filamento polimerico a memoria di forma
ShinetusKE-1606silicio per mock-up di vasi sanguigni
Simplify3DSimplify3DSimplify3D 4.0.1Software di slicing per il taglio del modello 
Stampante 3D

Riferimenti

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