방법 논문

키리가미에서 영감을 받은 구조의 4D 인쇄 된 분기식 스텐트

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⸱

DOI:

10.3791/59746

⸱

2019년 7월 25일

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

이 논문에서

요약

3D 프린터를 사용하여 형상 메모리 폴리머 필라멘트가 압출되어 분기형 관 구조를 형성합니다. 구조는 한 번 접힌 후 가열 할 때 형성 된 모양으로 돌아갈 수 있도록 패턴화되고 모양이 됩니다.

초록

일반적으로 "Y"라는 문자의 형태로 분기된 혈관은 좁히거나 차단되어 심각한 건강 문제를 초래할 수 있습니다. 분지 된 용기 내부에 외과 적으로 삽입 된 분지 용기에 속히 비어 있고 외부 모양인 분기 된 스텐트는 체액이 없이 스텐트 내부를 자유롭게 통과 할 수 있도록 지지 구조역할을합니다. 좁아지거나 막힌 선박에 의해 방해를 받고 있습니다. 분기된 스텐트가 대상 부위에 배치되려면 선박 내부에 주입하여 대상 부위에 도달하기 위해 선박 내부로 이동해야 합니다. 용기의 직경은 분기 된 스텐트의 경계 구보다 훨씬 작습니다. 따라서 분기된 스텐트가 혈관을 통과할 수 있을 만큼 작게 유지되고 표적 분지에서 확장되도록 기술이 필요합니다. 이 두 가지 상충되는 조건, 즉 통과할 수 있을 만큼 작고 좁은 통로를 구조적으로 지지할 수 있을 만큼 충분히 크며, 동시에 만족시키기가 매우 어렵다. 우리는 위의 요구 사항을 충족하기 위해 두 가지 기술을 사용합니다. 첫째, 재료 측에서 형상 메모리 폴리머(SMP)는 작은 것에서 큰 형상 변화, 즉 삽입시 작아지고 대상 부위에 커지는 것을 스스로 개시하는 데 사용된다. 둘째, 디자인 측면에서, 키리가미 패턴은 작은 직경단일 튜브로 분기 튜브를 접는 데 사용됩니다. 제시된 기술은 운송 중에 압축할 수 있는 구조를 설계하고 활성화될 때 기능적으로 숙련된 모양으로 돌아갈 수 있습니다. 우리의 일은 의학 스텐트를 표적으로 하고 있더라도, 생체 적합성 문제는 실제 적인 임상 사용의 앞에 해결될 필요가 있습니다.

서론

스텐트는 혈관 및 기도와 같은 인간에 있는 좁아지거나 협착한 통로를 넓히기 위하여 이용됩니다. 스텐트는 통로를 닮은 관 구조이며 기계적으로 더 붕괴되는 통로를 지원합니다. 일반적으로 자가 팽창 금속 스텐트(SEMS)가 널리 채택됩니다. 이 스텐트는 코발트 크롬 (스테인레스 스틸)과 니켈 티타늄 (니티놀)1,2로구성된 합금으로 만들어집니다. 금속 스텐트의 단점은 스텐트의 금속 와이어가 살아있는 조직과 접촉하고 스텐트가 영향을 받는 압력 괴사가 존재할 수 있다는 것입니다. 또한 신체의 혈관은 불규칙하게 형성 될 수 있으며 단순한 관 구조보다 훨씬 복잡합니다. 특히, 분지 루멘에 스텐트를 설치하는 많은 전문 임상 절차가 있습니다. Y자형 루멘에서는 두 개의 원통형 스텐트가 동시에 삽입되어 가지3에 결합됩니다. 각 추가 지점에 대해 추가 수술이 수행되어야합니다. 절차는 특별히 훈련된 닥터를 요구하고, 삽입은 분지 된 스텐트의 돌출기능 때문에 극단적으로 도전적입니다.

분기된 스텐트의 모양이 복잡하기 때문에 3D 프린팅에 매우 적합한 대상이 됩니다. 기존의 스텐트는 표준화된 크기와 모양으로 대량 생산됩니다. 3D 프린팅 제작 방법론을 사용하여 각 환자에 대한 스텐트의 형상을 사용자 정의할 수 있습니다. 셰이프는 대상 오브젝트의 단면 셰이프의 레이어별 레이어를 반복적으로 추가하여 만들어지기 때문에 이론적으로 이 방법을 사용하여 모든 모양과 크기의 일부를 제작할 수 있습니다. 종래의 스텐트는 대부분 원통형입니다. 그러나 인간 혈관에는 가지가 있으며 튜브를 따라 직경이 변경됩니다. 제안된 접근 방식을 사용하여 이러한 모양과 크기의 모든 변형을 수용할 수 있습니다. 또한 입증되지는 않았지만 사용된 재료는 단일 스텐트 내에서도 변경될 수 있습니다. 예를 들어, 지원이 필요한 경우 더 단단한 재료와 더 많은 유연성이 필요한 부드러운 재료를 사용할 수 있습니다.

분기된 스텐트의 모양 변경 요구 사항은 4D 프린팅, 즉 시간을 고려하여 3D 프린팅을 요구합니다. 특수 재료를 사용하여 형성된 3D 프린팅 구조는 열과 같은 외부 자극에 의해 모양을 변경하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 변환은 자체 유지되며 외부 전원이 필요하지 않습니다. 4D 프린팅에 적합한 특수 소재는 SMP4,5,6,7,8,9로, 노출시 형상 기억 효과를 나타낸다. 재료별 트리거링 유리 전이 온도. 이 온도에서는 세그먼트가 부드러워지므로 구조가 원래 모양으로 돌아갑니다. 구조가 3D 인쇄 된 후, 유리 전이 온도보다 약간 높은 온도로 가열된다. 이 시점에서 구조가 부드러워지고 힘을 가하여 모양을 변형할 수 있습니다. 적용된 힘을 유지하면서 구조물이 냉각되고 경화되고 적용된 힘이 제거된 후에도 변형된 모양을 유지합니다. 그 후, 최종 단계에서 구조가 목표 부위에 도달하는 순간과 같은 원래의 형상으로 돌아가야 할 때, 구조가 유리 전이 온도에 도달하도록 열이 공급됩니다. 마지막으로, 구조는 암기 된 원래 모양으로 돌아갑니다. 그림 1은 이전에 설명한 다양한 단계를 보여 줍니다. SMP는 쉽게 뻗을 수 있으며 생체 적합성 및 생분해성9,10인 일부 SMP가 있습니다. 의학 분야에서 SMP에 대한 많은 용도가 있습니다9,10, 스텐트11,12 그들 중 하나입니다.

스텐트의 패턴과 접이식 디자인은 "키리가미"라고 불리는 일본의 종이 절단 디자인을 따릅니다. 이 과정은 "종이 접기"라는 잘 알려진 종이 접기 기술과 유사하지만 차이점은 접는 것 외에도 종이절단도 설계에 허용된다는 것입니다. 이 기술은 예술에 사용되어 왔으며 엔지니어링 응용프로그램 2,3,13,14에도적용되었습니다. 요컨대, 키리가미는 특별히 설계된 지점에 힘을 가하여 평면 구조를 3차원 구조로 변환하는 데 사용할 수 있습니다. 설계 요구 사항에서 스텐트는 통로에 삽입할 때 단순한 원통형 형상이어야 하며, 실린더는 각 절반이 대상 분기 용기에서 완전히 원통형 모양으로 펼쳐져야 하는 길이를 따라 분할되어야 합니다. 해결책은 메인 용기와 측면 가지가 단일 실린더로 접혀 서 측면 가지가 삽입 중에 용기의 벽을 방해하지 않는다는 사실에 있습니다. 전개 명령 신호는 SMP의 유리 전이 온도 보다 더 높은 주변 온도의 증가에서 비롯됩니다. 또한, 접는 3D 인쇄 된 분기 스텐트를 부드럽게하고 측면 분기를 메인 용기로 접음하여 환자 몸 밖에서 수행됩니다.

기존의 방법은 여러 원통형 스텐트의 삽입이 필요했는데, 그 수는 가지 수와 같습니다. 이 방법은 측면 가지의 돌출부가 통로의 벽을 방해하고 전체 분기 된 스텐트를 완전히 삽입하는 것이 불가능했기 때문에 불가피했습니다. 키리가미 구조와 4D 프린팅을 사용하여 위의 문제를 해결할 수 있습니다. 이 프로토콜은 또한 혈관의 형상 이후에 제조된 실리콘 혈관 모델을 사용하여 제안된 방법의 효과의 시각화를 나타낸다. 이러한 모형을 통해, 삽입 과정 동안 제안된 발명의 효과및 새로운 응용의 추가 가능성을 볼 수 있다.

이 프로토콜의 목적은 FDM(융합 증착 모델링) 프린터를 사용하여 SMP 인쇄와 관련된 단계를 명확하게 설명하는 것입니다. 또한 인쇄된 분기스텐트를 접힌 상태로 변형시키고, 접힌 분기스텐트를 대상 부위에 삽입하고, 구조물을 원래 모양으로 신호 및 전개하는 데 관련된 기술이 자세히 설명되어 있습니다. 삽입의 데모는 혈관의 실리콘 모형을 이용합니다. 또한 이 프로토콜은 3D 프린터 및 성형을 사용하여 이 모형을 제작하는 절차도 제공합니다.

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프로토콜

1. 시연을 위한 혈관 모형 디자인

  1. 근위 주 용기의 직경을 25mm로 설정하고, 말단 주 용기의 직경과 측면 분기의 직경을 22mm로 설정합니다. 선박의 총 길이를 140 mm로 설정합니다. 각각 5mm, 75mm 및 65mm. 전체 혈관은 그림 2 및 그림3에 도시되어 있습니다.
  2. FDM 3D 프린터를 사용하여 분기된 용기의 컴퓨터 모델을 인쇄합니다. 폴리카보네이트 필라멘트를 사용합니다.

2. 성형에 의한 혈관 모형 제작

  1. 3D 인쇄 부품을 보관할 상자 모양의 컨테이너를 만듭니다. 용기 치수를 110 x 105 x 70mm로 설정하고 아크릴 판을 사용합니다.
  2. 3D 인쇄 된 분기 용기를 상자 중앙에 배치하면 용기 내부에 실리콘을 부드럽게 부어 기포 형성을 최소화하십시오. 액체 실리콘을 건조하고 36 ~ 48 시간 동안 경화하십시오.
  3. 용기에서 고형 실리콘을 제거하고 반으로 잘라 3D 인쇄 부품을 제거합니다. 절단 평면에서 분할된 실리콘을 다시 조인합니다. 생성된 결합된 몸은 혈관 모형입니다. 최종 결과는 그림4를 도시합니다.

3. 키리가미를 기반으로 한 분지 스텐트의 설계

참고 : 분기 스텐트의 크기는 혈관 모형의 Y 자 형 통로 내부에 꼭 맞게 만들어집니다. 내부는 속이 빈 모양으로 만들어졌으며 표면 관형 메세스는 기능적으로 접혀 전체 전개 된 구성으로 돌아갈 수 있도록 설계되었습니다.

  1. 기존의 스텐트와 유사한 물결 모양의 패턴에 따라 분기된 스텐트의 트렁크를 디자인합니다. 트렁크의 직경을 22mm로 설정하고 트렁크의 길이를 38mm로 설정합니다.
  2. 그림 5B와같이 분기된 가지를 원통으로 디자인합니다. 분기의 직경을 18mm로 설정하고 분기의 길이를 34mm로 설정합니다.
  3. 스텐트의 총 길이를 72mm로 설정합니다. 최종 모양은 그림6에 나와 있습니다.

4. SMP 필라멘트가있는 3D 인쇄

  1. SMP 필라멘트를 사용하여 분기된 스텐트를 FDM 3D 프린터로 인쇄합니다. 이 필라멘트의 주요 구성은 폴리 우레탄입니다. 상용 공급 업체는 또한 최종 사용자가 또한 재료의 특성을 맞추기 위해 추가 물질을 추가 할 수있도록 펠릿의 형태로 이러한 필라멘트를 제공합니다 (그림 7).
  2. 슬라이싱 소프트웨어를 사용하여 모델 슬라이싱및 3D 프린터의 설정을 제어합니다. 압출기 온도를 230°C로 설정하고 프린터 베드의 온도를 실온으로 설정합니다. 계단 효과를 최소화하려면 레이어 높이를 0.1mm로 설정합니다.
  3. 인쇄 속도를 3,600mm/min로 설정합니다. 내부 충진 비율을 80%로 설정합니다. 구조가 내부에 빈 있기 때문에 필요한 인쇄 중에 지지기 형성을 포함한다. 도 8은 인쇄 과정을 도시한다.

5. 표면을 부드럽게

참고: 거친 표면은 마모로 인해 혈관을 손상시킬 수 있으므로 다음 단계가 필요합니다.

  1. 커터를 사용하여 지지기를 제거합니다(그림9A). 지지대는 스텐트의 내부에 부착되어 있습니다. 스텐트를 제거할 때는 스텐트가 찢어지지 않도록 주의하십시오.
  2. 표면을 사포(그림9B)에 문지르면 인쇄된 표면의 레이어 선, 줄무늬 또는 결점을 제거합니다. 커터에 의해 지지기를 제거하는 경우 반복 연마가 필요할 수 있습니다.
  3. 통풍이 잘되는 장소에서 스프레이를 사용하여 표면을 칠하고 개인 마스크를 착용하십시오. 표면을 청소하고 모래를 닦고 건조시십시오. 반복 페인트의 얇은 층을 적용하여 과분무로부터 보호합니다. 검은 색 페인트를 사용하여 실리콘 용기 모형과 스텐트 사이의 대비를 향상시킵니다 (그림9C).

6. 분기된 스텐트를 변형

  1. 온도가 유리 전이 온도보다 높을 수 있도록 분기된 스텐트를 따뜻한 물에 놓습니다. 스텐트가 부드러워지면 가지의 절반을 다른 절반에 밀어 넣습니다. 그림 10A에표시된 것처럼 다른 절반 안에 한 쪽을 중첩합니다.
  2. 두 가지를 하나의 실린더로 접어 주 용기를 통과할 수 있도록 합니다. 다른 분기에 동일한 중첩 프로세스를 수행합니다. 이어서, 실린더의 두 반쪽은 그림 10B에나타난 바와 같이 하나로 닫힙된다.

7. 배내의 분기된 스텐트의 삽입

  1. 따뜻한 물로 탱크를 채웁니다. 수온을 55-60°C로 설정합니다. 탱크 내부에 실리콘 용기 모형을 담그세요. 메인 선박이 위에 있고 가지가 아래에 있는지 모형을 지향하십시오.
  2. 접힌 분기식 스텐트를 위에서 실리콘 용기 모형의 개구부로 삽입합니다. 접힌 분기스드 스텐트의 방향을 조정하여 가지가 개구부를 향하게 합니다. 접힌 분기된 스텐트는 확장되기 시작하고, 아래쪽 가지는 각 가지가 Y자형 용기의 분기 코어에서 짝짓기 통로쪽으로미끄러지도록 분할됩니다(그림 12).

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결과

이 프로토콜에서는 분기된 스텐트를 제작하는 데 필요한 절차를 보여 주어 야했습니다. 스텐트는 키리가미 구조를 사용하여 분기된 스텐트가 혈관의 좁은 통로를 통해 미끄러지는 데 매우 적합한 소형 원통형 튜브로 접을 수 있도록 합니다. SMP를 사용하면 접힌 구조가 유리 전이 온도에 도달하면 원래 모양으로 돌아갈 수 있습니다. SMP 재질을 사용하여 3D 인쇄된 원래 모양은 분기된 용기와 밀접하게 일치합니다. 즉, 체액이 흐르는 분기 용기의 내부 표면은 제조 된 스텐트의 규정 된 두께에 의해 더 안쪽으로 상쇄됩니다. 내부 서피스와 간격띄우기 서피스 사이에 솔리드 형태가 작성됩니다. 이 솔리드 형태는 용기에 정확히 맞으며 스텐트의 모델로 사용할 수 있습니다. SMP가 암기된 모양으로 돌아갈 수 있기 때문에 접힌 구조는 유리 전이 온도 이상으로 가열되면 미리 변형된 모양으로 돌아갑니다. 두 개의 분지 된 스텐트는 키리가미 구조를 활용하여 반원통형 튜브로 쉽게 형성 될 수 있습니다. 실린더의 두 반쪽은 하나의 실린더로 병합되고, 통일된 구...

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토론

스텐트는 종종 환자의 혈관 및 기도와 같은 막힌 내부 통로를 지우는 데 사용됩니다. 스텐트를 삽입하는 외과 적 수술은 환자의 질병과 인간의 해부학적 특성을 신중하게 고려해야합니다. 용기의 모양은 복잡하고 다양한 분기 조건이 존재합니다. 그러나 표준 스텐트 작동 절차는 표준 크기의 대량 생산 스텐트를 기반으로 합니다. 이 프로토콜에서는 혈관의 정확한 기하학에 따라 스텐트의 제작을 개인적으로 조정하는 방법을 보여 주어 설명했습니다. 이를 통해 스텐트를 설계하여 내부가 비어 있고 표면 관형 메쉬가 접혀 활성화되면 전체 전개 구성으로 돌아갑니다. 우리는 일반적으로 관 형 스텐트의 여러 수와 작업 중에 사용되는 분기 스텐트를 대상으로했다. 분기된 스텐트의 설계는 전체적으로 수행되며, 분기된 용기에 얼마나 복잡하고 얼마나 많은 가지가 있는지에 관계없이 단일 작업이 필요합니다. 문제를 해결하는 데 사용한 핵심 지원 기술은 SMP입니다. 구조가 원래의 모양으로 돌아갈 수있는 능력이 예상되므로 재 수축에서 확장 된 경로를 방지하기 위해 힘이 발...

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공개 사항

저자는 공개 할 것이 없다.

감사의 글

이 작품은 한국 정부(MSIT)가 지원하는 정보통신기술기획평가연구소(IITP) 보조금(2018-0-01290, 개방형 데이터세트 및 인지처리 기술 개발)에 의해 지원되었다. 자율 주행 자동차에 사용되는 비정형 인간(경찰관, 교통 안전 요원, 보행자 등)과 GIST 연구소(GRI) 보조금으로 2019년 GIST가 지원한 기능을 인정합니다.

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재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
Fortus380mcStratasysFortus 380mcFDM 3D 프린터 혈관 모형 인쇄용
Moment1 3D 프린터MomentMoment 1분기 스텐트 인쇄용 FDM 3D 프린터
PC(흰색) 필라멘트 캐니스터StratasysPC(흰색) 필라멘트 캐니스터PC 혈관 모형
PLM 소프트웨어 NX 10.0인쇄용 필라멘트10.0 Siemens NX 10.03D CAD 모델링 소프트웨어
샌드페이퍼대성CC-600CW분기된 스텐트의 표면을 스무트아웃 
형상 메모리 폴리머 필라멘트SMP Technologies IncMM-5520형상 메모리 폴리머 필라멘트
실리콘ShinetusKE-1606실리콘 혈관 모형
Simplify3DSimplify3DSimplify3D 4.0.1모델 슬라이싱용 슬라이싱 소프트웨어 
NX

참고문헌

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