Methodenartikel

4D bedrukte, geprinte stents met Kirigami-geïnspireerde structuren

7.9K weergaven

⸱

DOI:

10.3791/59746

⸱

25 juli 2019

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

In dit artikel

Samenvatting

Met behulp van een 3D-printer wordt een vormgeheugen polymeer filament geëxtrudeerd om een vertakte buis structuur te vormen. De structuur is zodanig vormgegeven en gevormd dat het kan contracteren in een compacte vorm eenmaal gevouwen en vervolgens terugkeren naar de gevormde vorm bij verhitting.

Samenvatting

Vertakte vaten, meestal in de vorm van de letter "Y", kunnen worden verkleind of geblokkeerd, wat resulteert in ernstige gezondheidsproblemen. Bifurerde stents, die hol zijn in het interieur en exteriorly gevormd tot de vertakte vaten, chirurgisch ingebracht in de vertakte vaten, fungeren als een ondersteunende structuur zodat lichaamsvloeistoffen vrijelijk door het inwendige van de stents kunnen reizen zonder gehinderd door de vernauwde of geblokkeerde vaten. Om een bifurerde stent op de doellocatie te kunnen inzetten, moet deze in het vaartuig worden geïnjecteerd en binnen het vaartuig reizen om de doellocatie te bereiken. De diameter van het vat is veel kleiner dan de begrenzings sfeer van de bifurerde stent; zo is een techniek vereist, zodat de gebifurceerde stent klein genoeg blijft om door het schip te reizen en zich uitbreidt naar het beoogde vertakte vat. Deze twee tegenstrijdige voorwaarden, dat wil doen, klein genoeg om door te gaan en groot genoeg om de verkleinde passages structureel te ondersteunen, zijn uiterst moeilijk om tegelijkertijd aan te passen. We gebruiken twee technieken om aan de bovenstaande vereisten te voldoen. Ten eerste wordt aan de materiële zijde een vormgeheugen-polymeer (SMP) gebruikt voor het zelf initiëren van vormwijzigingen van klein naar groot, dat wil klein zijn bij het invoegen en groot worden op de doelsite. Ten tweede wordt aan de ontwerp zijde een Kirigami-patroon gebruikt om de vertakkings buizen in een enkele buis met een kleinere diameter te vouwen. De gepresenteerde technieken kunnen worden gebruikt om constructies te engineeren die tijdens het transport kunnen worden gecomprimeerd en terugkeren naar hun functioneel bedreven vorm wanneer ze worden geactiveerd. Hoewel ons werk gericht is op medische stents, moeten biocompatibiliteitsproblemen worden opgelost voordat ze daadwerkelijk klinisch worden gebruikt.

Inleiding

Stents worden gebruikt om vernauwde of stenosed passages bij mensen te verbreden, zoals bloedvaten en luchtwegen. Stents zijn buisvormige structuren die lijken op de passages en mechanisch ondersteunen de passages van verdere instorsing. Typisch, zelfexpanderende metalen stents (SEMS) worden algemeen toegepast. Deze stents zijn gemaakt van legeringen die zijn samengesteld uit kobalt-chroom (roestvast staal) en nikkel-Titanium (nitinol)1,2. Het nadeel van metalen stents is dat druk necrose kan bestaan waar de metalen draden van de stent in aanraking komen met de levende weefsels en de stents worden beïnvloed. Bovendien kunnen de vaten van het lichaam onregelmatig gevormd en zijn veel complexer dan eenvoudige buisvormige structuren. In het bijzonder zijn er veel gespecialiseerde klinische procedures om stents in vertakte lumen te installeren. In een Y-vormig lumen worden twee cilindrische stents gelijktijdig ingebracht en samengevoegd in een tak3. Voor elke extra tak moet een extra chirurgische ingreep worden uitgevoerd. De procedure vereist speciaal opgeleide artsen, en het inbrengen is zeer uitdagend als gevolg van de uitstekende eigenschappen van de vertakte stents.

De complexiteit van de vorm van de door de bifurvererde stents is een zeer geschikt doel voor 3D-printen. Conventionele stents zijn massa geproduceerd in gestandaardiseerde maten en vormen. Met behulp van de 3D Printing fabricage methodologie is het mogelijk om de vorm van de stent voor elke patiënt aan te passen. Omdat vormen worden gemaakt door herhaaldelijk laag-voor-laag van de sectionele vormen van het doelobject toe te voegen, kan deze methode in theorie worden gebruikt om delen van elke vorm en grootte te fabriceren. Conventionele stents zijn meestal cilindrisch van vorm. Echter, menselijke schepen hebben takken, en de diameters veranderen langs de buizen. Met behulp van de voorgestelde aanpak kunnen al deze variaties in vormen en maten worden ondergebracht. Bovendien, hoewel niet aangetoond, kunnen de gebruikte materialen ook binnen één stent veranderen. We kunnen bijvoorbeeld stijvere materialen gebruiken waar ondersteuning nodig is en zachtere materialen waar meer flexibiliteit nodig is.

De vorm veranderende eis van bifurerde stents vraagt om 4D Printing, namelijk 3D printen met de extra aandacht van tijd. 3D gedrukte structuren gevormd met behulp van gespecialiseerde materialen kunnen worden geprogrammeerd om hun vorm te veranderen door een externe stimulatie, zoals warmte. De transformatie is zelfvolgehouden en vereist geen externe stroombronnen. Een speciaal materiaal dat geschikt is voor 4D Printing is een SMP4,5,6,7,8,9, die vormgeheugen effecten vertoont bij blootstelling aan een materiaal-specifieke triggering glas overgangstemperatuur. Bij deze temperatuur worden de segmenten zacht, zodat de structuur terugkeert naar de oorspronkelijke vorm. Nadat de structuur is 3D afgedrukt, wordt het verwarmd tot een temperatuur iets boven de glazen overgangstemperatuur. Op dit punt wordt de structuur zacht en kunnen we de vorm vervormen door krachten toe te passen. Terwijl het behoud van de toegepaste krachten, de structuur wordt afgekoeld, wordt gehard en behoudt zijn misvormde vorm, zelfs nadat de toegepaste krachten worden verwijderd. Vervolgens, in het laatste stadium, wanneer de structuur moet terugkeren naar de oorspronkelijke vorm, zoals het moment waarop de structuur de doellocatie bereikt, wordt warmte geleverd, zodat de structuur zijn glazen overgangstemperatuur bereikt. Ten slotte keert de structuur terug naar de oorspronkelijke vorm van het geheugen. Figuur 1 illustreert de verschillende stadia die eerder werden toegelicht. De SMPS kunnen gemakkelijk worden uitgerekt, en er zijn enkele SMPS die biocompatibel en biologisch afbreekbaar zijn9,10. Er zijn vele toepassingen voor SMPS op het gebied van geneeskunde9,10, en stents11,12 zijn een van hen.

De patronen van de stents en het opvouwbare ontwerp volgen het Japanse papier snijontwerp dat "Kirigami" wordt genoemd. Dit proces lijkt op de bekende papier vouwen techniek genaamd "origami," maar het verschil is dat naast het vouwen, snijden van het papier ook is toegestaan in het ontwerp. Deze techniek is gebruikt in de kunst en is ook toegepast in de technische toepassingen2,3,13,14. Kortom, Kirigami kan worden gebruikt om een planaire structuur te transformeren naar een driedimensionale structuur door krachten op speciaal ontworpen plekken toe te passen. In onze ontwerpvereisten moet de stent een eenvoudige cilindrische vorm zijn wanneer deze in de paden wordt gestoken en moet de cilinder langs de lengte worden verdeeld, waarbij elke helft moet worden ontvouwen tot een volledig cilindrische vorm bij het beoogde vertakte vat. De oplossing ligt in het feit dat het hoofd vaartuig en de zijtakken in een enkele cilinder zijn gevouwen, zodat de zijtakken niet interfereren met de wanden van de vaten tijdens het inbrengen. Het ontvouwende commando signaal komt van de toename van de omgevingstemperatuur boven de Glasovergangstemperatuur van de SMP. Bovendien wordt het vouwen buiten het patiënt lichaam uitgevoerd door de 3D-gedrukte bifurerde stent te verzachten en de zijtak in het hoofd vat te vouwen.

Conventionele methoden vereist het inbrengen van meerdere cilindrische stents waarvan het aantal gelijk is aan het aantal takken. Deze methode was onvermijdelijk omdat de uitsteeksels van de zijtakken de wanden van de paden belemmerd en het onmogelijk maakten om een volledige, in zijn geheel uitvererde stent in te voegen. Met behulp van de Kirigami structuur en 4D Printing, kunnen de bovenstaande problemen worden opgelost. Dit protocol toont ook de visualisatie van de effectiviteit van de voorgestelde methode met behulp van een silicone vaartuig model gefabriceerd na de vorm van bloedvaten. Door deze mock-up kan de effectiviteit van de voorgestelde uitvinding tijdens het inbrengen proces en verdere mogelijkheden van nieuwe toepassingen worden gezien.

Het doel van dit protocol is om duidelijk de stappen te beschrijven die betrokken zijn bij het afdrukken van een SMP met behulp van een FDM-printer (Fused depositie Modeling). Daarnaast worden de technieken die betrokken zijn bij het vervormen van de geprinte, in de gevouwen toestand ingeklapte staat, het inbrengen van de gevouwen, aan de doellocatie, en de signalering en ontvouwing van de structuur in de oorspronkelijke vorm in detail gegeven. De demonstratie van de inbrengen maakt gebruik van een siliconen mock-up van bloedvaten. Het protocol biedt ook de procedures die betrokken zijn bij het vervaardigen van deze mock-up met behulp van een 3D-printer en molding.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

1. ontwerp van het bloedvat mock-up voor de demonstratie

  1. Stel de diameter van het proximale hoofd vat in op 25 mm, de diameters van het distale hoofd vaartuig en de zijtak gelijk aan 22 mm. Stel de totale lengte van de vaten gelijk aan 140 mm. Stel de lengte van het proximale hoofd vaartuig, het distale hoofd vaartuig en de zijtak in op 6 respectievelijk 5 mm, 75 mm en 65 mm. Het volledige bloedvat wordt weergegeven in Figuur 2 en Figuur 3.
  2. Druk het computermodel van het vertakte vat af met behulp van een FDM 3D-printer. Gebruik een polycarbonaat filament.

2. bloedvat mock-up fabricage door molding

  1. Maak een doosvormige container die het 3D-gedrukte deel zal huis. Stel de afmetingen van de container in op 110 x 105 x 70 mm en gebruik een acrylplaat.
  2. Met het 3D geprinte vertakte vat dat in het midden van de doos wordt geplaatst, giet zachtjes de siliconen in de container om de ballonvorming te minimaliseren. Droog de vloeibare siliconen en verharden het voor 36 ~ 48 h.
  3. Verwijder gestanste siliconen uit de container en snijd deze in tweeën om het 3D-gedrukte deel te verwijderen. Sluit de verdeelde siliconen weer aan op het snijvlak. De resulterende aangesloten lichaam is de bloedvat mockup. Het eindresultaat is afgebeeld in Figuur 4.

3. ontwerp van de vertakte stent op basis van kirigami

Opmerking: de grootte van de vertakte stent is gemaakt om in de Y-vormige route van de bloedvat mockup te passen. Het interieur is hol gemaakt en de oppervlakte buisvormige mazen zijn ontworpen om functioneel te vouwen en terug te keren naar de volledige uitgevouwen configuratie.

  1. Ontwerp de romp van de bifurerde stent na golvende patronen vergelijkbaar met conventionele stents. Stel de diameter van de kofferbak in op 22 mm en de lengte van de kofferbak tot 38 mm.
  2. Ontwerp de twee vertakkingen als cilinder, zoals weergegeven in Figuur 5B. Stel de diameter van de tak in op 18 mm en de lengte van de tak tot 34 mm.
  3. Stel de totale lengte van de stent in op 72 mm. De uiteindelijke vorm wordt weergegeven in Figuur 6.

4.3D printen met SMP filamenten

  1. Druk de bifurerde stent af in een FDM 3D-printer met een SMP-filament. De belangrijkste samenstelling van dit filament is polyurethaan. De commerciële verkoper verschaft deze filamenten ook in de vorm van pellets, zodat de eindgebruiker ook extra stoffen kan toevoegen om de eigenschappen van het materiaal aan te passen (Figuur 7).
  2. Gebruik snijden-software voor model snijden en om de instellingen van de 3D-printer te beheren. Stel de extruder-temperatuur in op 230 °C en de temperatuur van de printer bed op kamertemperatuur. Stel de laag hoogte in op 0,1 mm om het trap-effect te minimaliseren.
  3. Stel de afdruksnelheid in op 3.600 mm/min. Stel de hoeveelheid van het opvul percentage voor de binnenruimte in op 80%. Neem de supporters formatie tijdens het printen, die nodig is omdat de structuur is hol in het interieur. Afbeelding 8 illustreert het afdrukproces.

5. het oppervlak gladstrijken

Opmerking: de volgende stappen zijn vereist omdat ruwe oppervlakken de vaten kunnen beschadigen door slijtage.

  1. Verwijder de supporters met behulp van frezen (Figuur 9A). De supporters zijn bevestigd aan de binnenkant van de stent. Wanneer u de stents verwijdert, moet u uiterste voorzichtigheid betrachten om te voorkomen dat de stents scheuren.
  2. Wrijf het oppervlak tegen schuurpapier (Figuur 9B) om de laag lijnen, striations of vlekken op het afgedrukte oppervlak te verwijderen. Herhaald polijsten kan nodig zijn wanneer de supporters worden verwijderd door de frezen.
  3. Verf het oppervlak met een spray op een goed geventileerde plaats en draag een persoonlijk masker. Reinig, zand en droog het oppervlak. Bescherm tegen overspuiten door dunne lagen van herhaalde verven toe te passen. Gebruik zwarte verven om het contrast tussen de siliconen vat mockup en de stent (Figuur 9C) te verbeteren.

6. vervormen van de bifurerde stent

  1. Plaats de in warm water bereide stents zodanig dat de temperatuur boven de glazen overgangstemperatuur ligt. Wanneer de stent wordt verzacht, duw je de helft van de tak tegen de andere helft. Nest de ene helft in de andere helft, zoals afgebeeld in Figuur 10A.
  2. Vouw de twee takken in een enkele cilinder zodat deze door het hoofd vaartuig kan reizen. Voer hetzelfde geneste proces uit naar de andere vertakking. Vervolgens worden de twee helften van de cilinders in één gesloten, zoals weergegeven in Figuur 10B.

7. inbrengen van de bifurerde stent in de vaten

  1. Vul een tank met warm water. Stel de watertemperatuur in op 55-60 °C. Dompel de siliconen vat mockup in de tank. Oriënteer de mockup zodanig dat het hoofd schip boven is en de takken eronder.
  2. Steek de gevouwen bifurerde stent in de opening van de siliconen vat mockup van bovenaf. Oriënteer de gevouwen gevelde stent zodanig dat de takken naar de opening gaan. De gevouwen bifurerde stent zal beginnen uit te breiden, en de onderste takken zullen zodanig verdelen dat elke tak naar zijn parings traject zal glijden van de bifurcatie kern van de Y-vormige vaten (Figuur 12).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

In dit protocol hebben we de procedures laten zien die nodig zijn om een bifurerde stent te fabriceren. De stent maakt gebruik van een Kirigami structuur om de bifurerde stent te laten vouwen in een compacte cilindrische buis, die zeer geschikt is om door de nauwe trajecten van bloedvaten te glijden. De SMP laat de gevouwen structuur terugkeren naar de oorspronkelijke vorm wanneer de temperatuur de glazen overgangstemperatuur bereikt. De originele vorm, 3D geprint met behulp van het SMP materiaal, komt nauw overeen met d...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

Stents worden vaak gebruikt om de verstopte interne trajecten zoals de bloedvaten en de luchtwegen van patiënten te wissen. Chirurgische werking van het inbrengen van stents vereist zorgvuldige afweging van de ziekte van de patiënt en menselijke anatomische eigenschappen. De vorm van het schip is complex en er bestaan diverse vertakkings condities. De standaard stent-operationele procedures zijn echter gebaseerd op massa geproduceerde stents met standaard maten. In dit protocol hebben we laten zien hoe we de fabricage va...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

Dit werk werd gesteund door het Institute of Information & Communications Technology planning and Evaluation (IITP) subsidie gefinancierd door de Koreaanse overheid (MSIT) (No. 2018-0-01290, de ontwikkeling van een open dataset en cognitieve verwerkingstechnologie voor de herkenning van functies afgeleid van ongestructureerde mensen (politieagenten, verkeersveiligheid officieren, voetgangers, enz.) bewegingen gebruikt in zelfrijdende auto's) en het GIST Research Institute (GRI) subsidie gefinancierd door de GIST in 2019.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Fortus380mcStratasysFortus 380mcFDM 3D printer voor het afdrukken van een bloedvatmodel
Moment1 3D printerMomentMoment 1FDM 3D printer voor het afdrukken van een gevorkt stent
PC(white) Filament CanisterStratasysPC(white) Filament CanisterPC filament voor het afdrukken van een bloedvatmodel
PLM software NX 10.0SiemensNX 10.03D CAD modelleringssoftware
SandpaperDAESUNGCC-600CWGladstrijken van het oppervlak van de gevorkte stent 
Shape Memory Polymer filamentSMP Technologies IncMM-5520Shape Memory Polymer filament
siliconShinetusKE-1606silicon voor bloedvatmodel
Simplify3DSimplify3DSimplify3D 4.0.1Slicing software voor het slicen van modellen 

Referenties

  1. Migliavacca, F., et al. Stainless and shape memory alloy coronary stents: a computational study on the interaction with the vascular wall. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2 (4), 205-217 (2004).
  2. Kuribayashi, K., et al. Self-deployable origami stent grafts as a biomedical application of Ni-rich TiNi shape memory alloy foil. Material Science and Engineering A. 419, 131-137 (2006).
  3. Suwaidi, A. I., et al. Immediate and long-term outcome of intracoronary stent implantation for true bifurcation lesions. Journal of the American College of Cardiology. 35 (4), 929-936 (2000).
  4. Mao, Y., et al. Sequential self-folding structures by 3D printed digital shape memory polymers. Scientific Reports. 5, 13616(2015).
  5. Ge, Q., Qi, H. J., Dunn, M. L. Active materials by four-dimension printing. Applied Physics Letters. 103, 131901(2013).
  6. Wu, J., et al. Multi-shape active composites by 3D printing of digital shape memory polymers. Scientific Reports. 6, 24224(2016).
  7. Chen, S., Zhang, Q., Feng, J. 3D printing of tunable shape memory polymer blends. Journal of Materials Chemistry C. 5, 8361-8365 (2017).
  8. Qi, G., et al. Multimaterial 4D printing with tailorable shape memory polymers. Scientific Reports. 6, 31110(2016).
  9. Lendlein, A., et al. Biodegradable, elastic shape-memory polymers for potential biomedical applications. Science. 296, 1673-1676 (2002).
  10. Lendlein, A., et al. Shape memory polymers. Angewandte chemie. 41, 2034-2057 (2002).
  11. Baer, G. M., et al. Fabrication and in vitro deployment of a laser-activated shape memory polymer vascular stent. BioMedical Engineering OnLine. 6, 43(2007).
  12. Wache, H. M., Tartakowska, D. J., Hentrich, A., Wagner, M. H. Development of a polymer stent with shape memory effect as a drug delivery system. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 14 (2), 109-112 (2003).
  13. Shyu, T. C., et al. A kirigami approach to engineering elasticity in nanocomposites through patterned defects. Nature Materials. 14, 785-789 (2015).
  14. Rossiter, J., Sareh, S. Kirigami design and fabrication for biomimetic robotics. Proc. SPIE. 9055, Bioinspiration, Biomimetics, and Bioreplication. 90550G (2014).
  15. Kim, T., Lee, Y. G. Shape transformable bifurcated stents. Scientific Reports. 8, 13911(2018).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

4D geprinte stentskirigami structurenvormgeheugenpolymeer3D printenfused deposition modelingpolyurethaanfilamentvaatmodeltemperacturactiveringmedische stents

Gerelateerde artikelen