Artykuł metodologiczny

Drukowane w 4D rozwidlone stenty ze strukturami inspirowanymi Kirigami

7.9K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/59746

⸱

25 lipca 2019

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

W tym artykule

Podsumowanie

Za pomocą drukarki 3D, filament polimerowy z pamięcią kształtu jest wytłaczany w celu utworzenia rozgałęzionej struktury rurowej. Struktura jest wzorzysta i ukształtowana w taki sposób, że po złożeniu może skurczyć się do zwartej formy, a następnie powrócić do uformowanego kształtu po podgrzaniu.

Streszczenie

Rozgałęzione naczynia, zazwyczaj w formie litery "Y", mogą być zwężone lub zablokowane, co powoduje poważne problemy zdrowotne. Rozwidlone stenty, które są puste w środku i ukształtowane na zewnątrz do rozgałęzionych naczyń, chirurgicznie wprowadzane do rozgałęzionych naczyń, działają jako struktura nośna, dzięki czemu płyny ustrojowe mogą swobodnie przepływać przez wnętrze stentów bez zasłaniania przez zwężone lub zablokowane naczynia. Aby rozwidlony stent mógł zostać umieszczony w miejscu docelowym, musi zostać wstrzyknięty do wnętrza naczynia i przemieszczać się w naczyniu, aby dotrzeć do miejsca docelowego. Średnica naczynia jest znacznie mniejsza niż kula graniczna rozwidlonego stentu; W związku z tym wymagana jest technika, dzięki której rozwidlony stent pozostaje wystarczająco mały, aby przejść przez naczynie i rozszerza się w docelowym rozgałęzionym naczyniu. Te dwa sprzeczne ze sobą warunki, to znaczy wystarczająco małe, aby przez nie przejść i wystarczająco duże, aby strukturalnie podeprzeć zwężone przejścia, są niezwykle trudne do jednoczesnego spełnienia. Aby spełnić powyższe wymagania, stosujemy dwie techniki. Po pierwsze, po stronie materiału, polimer z pamięcią kształtu (SMP) jest używany do samoczynnego inicjowania zmian kształtu z małego na duży, to znaczy bycia małym po włożeniu i stania się dużym w miejscu docelowym. Po drugie, od strony konstrukcyjnej, wzór kirigami służy do składania rozgałęziających się rurek w jedną rurkę o mniejszej średnicy. Przedstawione techniki mogą być wykorzystane do konstruowania konstrukcji, które mogą zostać zagęszczone podczas transportu i powrócić do funkcjonalnego kształtu po aktywacji. Chociaż nasza praca koncentruje się na stentach medycznych, problemy z biokompatybilnością muszą zostać rozwiązane przed faktycznym zastosowaniem klinicznym.

Wprowadzenie

Stenty są używane do poszerzania zwężonych lub zwężonych kanałów u ludzi, takich jak naczynia krwionośne i drogi oddechowe. Stenty to struktury rurowe, które przypominają przejścia i mechanicznie podtrzymują przejścia przed dalszym zapadaniem się. Zazwyczaj powszechnie stosowane są stenty samorozprężalne metalowe (SEMS). Stenty te są wykonane ze stopów składających się z kobaltu, chromu (stal nierdzewna) i niklu i tytanu (nitinol) 1,2. Wadą stentów metalowych jest to, że martwica ciśnieniowa może wystąpić, gdy metalowe druty stentu stykają się z żywymi tkankami i stenty są uderzane. Ponadto naczynia ciała mogą mieć nieregularny kształt i są znacznie bardziej złożone niż proste struktury rurowe. W szczególności istnieje wiele specjalistycznych procedur klinicznych polegających na instalowaniu stentów w rozgałęzionych światłach. W świetle w kształcie litery Y dwa cylindryczne stenty są jednocześnie wprowadzane i łączone w odgałęzieniu3. Dla każdej dodatkowej gałęzi należy przeprowadzić dodatkowy zabieg chirurgiczny. Zabieg wymaga specjalnie przeszkolonych lekarzy, a wprowadzenie jest niezwykle trudne ze względu na wystające cechy rozgałęzionych stentów.

Złożoność kształtu rozwidlonych stentów sprawia, że jest to bardzo odpowiedni cel do druku 3D. Konwencjonalne stenty są produkowane masowo w znormalizowanych rozmiarach i kształtach. Korzystając z metodologii wytwarzania druku 3D, możliwe jest dostosowanie kształtu stentu do każdego pacjenta. Ponieważ kształty są tworzone przez wielokrotne dodawanie warstwa po warstwie kształtów przekrojów obiektu docelowego, teoretycznie metoda ta może być stosowana do wytwarzania części o dowolnym kształcie i rozmiarze. Konwencjonalne stenty mają w większości kształt cylindryczny. Jednak ludzkie naczynia mają rozgałęzienia, a średnice zmieniają się wzdłuż rurek. Korzystając z proponowanego podejścia, można uwzględnić wszystkie te różnice w kształtach i rozmiarach. Dodatkowo, chociaż nie wykazano tego, że użyte materiały mogą również zmieniać się w obrębie jednego stentu. Na przykład możemy użyć sztywniejszych materiałów, gdy potrzebne jest wsparcie, i bardziej miękkich materiałów, gdy wymagana jest większa elastyczność.

Wymóg zmiany kształtu rozwidlonych stentów wymaga druku 4D, a konkretnie druku 3D z dodatkowym uwzględnieniem time. 3D drukowane struktury utworzone przy użyciu specjalistycznych materiałów można zaprogramować tak, aby zmieniały swój kształt za pomocą zewnętrznej stymulacji, takiej jak ciepło. Transformacja jest samowystarczalna i nie wymaga zewnętrznych źródeł zasilania. Jednym ze specjalnych materiałów, który nadaje się do druku 4D, jest SMP4,5,6,7,8,9, który wykazuje efekty pamięci kształtu, gdy jest wystawiony na działanie specyficznej dla materiału temperatury zeszklenia. W tej temperaturze segmenty stają się miękkie, dzięki czemu struktura wraca do swojego pierwotnego kształtu. Po wydrukowaniu 3D struktura jest podgrzewana do temperatury nieco wyższej od temperatury zeszklenia. W tym momencie struktura staje się miękka, a my jesteśmy w stanie odkształcić kształt poprzez przyłożenie sił. Przy zachowaniu przyłożonych sił konstrukcja jest schładzana, twardnieje i zachowuje swój odkształcony kształt, nawet po usunięciu przyłożonych sił. Następnie, w końcowym etapie, gdy konstrukcja musi powrócić do swojego pierwotnego kształtu, np. w momencie, gdy konstrukcja dociera do miejsca docelowego, dostarczane jest ciepło, aby konstrukcja osiągnęła temperaturę zeszklenia. W końcu konstrukcja powraca do zapamiętanego pierwotnego kształtu. Rysunek 1 ilustruje różne etapy wyjaśnione wcześniej. SMP można łatwo rozciągnąć, a niektóre SMP są biokompatybilne i biodegradowalne9,10. Istnieje wiele zastosowań SMP w dziedzinie medycyny9,10, a jednym z nich są stenty11,12.

Wzory stentów i wzór składania są zgodne z japońskim wzorem wycinania papieru zwanym "kirigami". Proces ten przypomina dobrze znaną technikę składania papieru zwaną "origami", ale różnica polega na tym, że oprócz składania, w projekcie dozwolone jest również cięcie papieru. Technika ta została wykorzystana w sztuce, a także w zastosowaniach inżynierskich2,3,13,14. Krótko mówiąc, kirigami może być używane do przekształcania struktury płaskiej w strukturę trójwymiarową poprzez przyłożenie sił w specjalnie zaprojektowanych miejscach. W naszych wymaganiach projektowych stent musi mieć prosty cylindryczny kształt po włożeniu do ścieżek, a cylinder powinien dzielić się wzdłuż swojej długości, gdzie każda połowa powinna rozwinąć się do w pełni cylindrycznego kształtu w docelowym rozgałęzionym naczyniu. Rozwiązanie polega na tym, że naczynie główne i boczne gałęzie są złożone w jeden cylinder, tak aby boczne gałęzie nie kolidowały ze ściankami naczyń podczas wkładania. Sygnał poleceń rozkładania pochodzi ze wzrostu temperatury otoczenia powyżej temperatury zeszklenia SMP. Dodatkowo fałdowanie zostanie przeprowadzone na zewnątrz ciała pacjenta poprzez zmiękczenie wydrukowanego w 3D rozwidlonego stentu i złożenie bocznej gałęzi do głównego naczynia.

Konwencjonalne metody wymagały wstawienia wielu cylindrycznych stentów, których liczba jest równa liczbie rozgałęzień. Ta metoda była nieunikniona, ponieważ wystające boczne gałęzie utrudniały ściany ścieżek i uniemożliwiały wprowadzenie kompletnego rozwidlonego stentu w całości. Korzystając ze struktury kirigami i druku 4D, powyższe problemy można rozwiązać. Protokół ten pokazuje również wizualizację skuteczności proponowanej metody z wykorzystaniem silikonowego modelu naczynia wytworzonego na wzór naczyń krwionośnych. Dzięki tej makiecie można zobaczyć skuteczność proponowanego wynalazku podczas procesu wprowadzania oraz dalsze możliwości nowych zastosowań.

Celem tego protokołu jest jasne nakreślenie kroków związanych z drukowaniem SMP za pomocą drukarki do modelowania osadzania topionego (FDM). Dodatkowo szczegółowo opisano techniki związane z deformacją wydrukowanych rozwidlonych stentów do stanu złożonego, wprowadzaniem złożonych rozwidlonych stentów do miejsca docelowego oraz sygnalizacją i rozwijaniem struktury do jej pierwotnego kształtu. Demonstracja wkłucia wykorzystuje silikonową makietę naczyń krwionośnych. Protokół zawiera również procedury związane z wytwarzaniem tej makiety przy użyciu drukarki 3D i formowania.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Projekt makiety naczynia krwionośnego do demonstracji

  1. Ustawić średnicę bliższego naczynia głównego na 25 mm, średnice dystalnego naczynia głównego i bocznego odgałęzienia na 22 mm. Ustawić całkowitą długość naczyń równą 140 mm. Ustawić długość bliższego naczynia głównego, dystalnego naczynia głównego i bocznego odgałęzienia na 65 mm, odpowiednio 75 mm i 65 mm. Całe naczynie krwionośne jest pokazane na Rysunek 2 i Rysunek 3.
  2. Wydrukuj model komputerowy rozgałęzionego naczynia za pomocą drukarki 3D FDM. Użyj filamentu poliwęglanowego.

2. Wytwarzanie makiet naczyń krwionośnych metodą formowania

  1. Stwórz pojemnik w kształcie pudełka, w którym znajdzie się wydrukowana część 3D. Ustaw wymiary pojemnika na 110 x 105 x 70 mm i użyj płyty akrylowej.
  2. Po umieszczeniu rozgałęzionego naczynia wydrukowanego w 3D na środku pudełka, delikatnie wlej silikon do pojemnika, aby zminimalizować tworzenie się pęcherzyków. Wysuszyć płynny silikon i utwardzać go przez 36 ~ 48 godzin.
  3. Usuń zestalony silikon z pojemnika i przetnij go na pół, aby usunąć wydrukowaną część 3D. Ponownie połącz podzielony silikon w płaszczyźnie cięcia. Powstałe w ten sposób połączone ciało jest makietą naczynia krwionośnego. Końcowy wynik jest pokazany Rysunek 4.

3. Projekt stentu rozgałęzionego opartego na kirigami

UWAGA: Rozmiar rozgałęzionego stentu jest dopasowany do ścieżki w kształcie litery Y makiety naczynia krwionośnego. Wnętrze jest puste w środku, a powierzchniowe siatki rurowe zaprojektowano tak, aby funkcjonalnie składać się i wracać do pełnej konfiguracji rozłożonej.

  1. Zaprojektuj pień rozwidlonego stentu zgodnie z falującymi wzorami podobnymi do konwencjonalnych stentów. Ustaw średnicę pnia na 22 mm, a długość pnia na 38 mm.
  2. Zaprojektuj rozwidlone gałęzie tak, aby były walcem, jak pokazano na Rysunek 5B. Ustaw średnicę gałęzi na 18 mm, a długość gałęzi na 34 mm.
  3. Ustaw całkowitą długość stentu na 72 mm. Ostateczny kształt jest pokazany w Rysunek 6.

4. 3D drukowanie z filamentami SMP

  1. Wydrukuj rozwidlony stent w drukarce 3D FDM za pomocą filamentu SMP. Głównym składem tego filamentu jest poliuretan. Sprzedawca komercyjny dostarcza również te filamenty w postaci granulek, dzięki czemu użytkownik końcowy może również dodawać dodatkowe substancje w celu dostosowania właściwości materiału (Rysunek 7).
  2. Użyj oprogramowania do krojenia modeli do krojenia i kontrolowania ustawień drukarki 3D. Ustaw temperaturę ekstrudera na 230 °C, a temperaturę stołu drukarki na temperaturę pokojową. Ustaw wysokość warstwy na 0,1 mm, aby zminimalizować efekt schodów.
  3. Ustaw prędkość drukowania na 3 600 mm/min. Ustaw procent wypełnienia wnętrza na 80%. Uwzględnij formację podpory podczas drukowania, która jest potrzebna, ponieważ struktura jest pusta we wnętrzu. Rysunek 8 ilustruje proces drukowania.

5. Wygładzanie powierzchni

UWAGA: Następujące kroki są wymagane, ponieważ szorstkie powierzchnie mogą uszkodzić naczynia przez ścieranie.

  1. Usuń podpory za pomocą noży (Rysunek 9A). Wsporniki są przymocowane po wewnętrznej stronie stentu. Podczas usuwania stentów należy zachować szczególną ostrożność, aby uniknąć rozerwania stentów.
  2. Przetrzyj powierzchnię papierem ściernym (Rysunek 9B), aby usunąć linie warstwy, prążki lub skazy na drukowanej powierzchni. Może być konieczne wielokrotne polerowanie w miejscach, w których podpory są usuwane przez frezy.
  3. Pomaluj powierzchnię sprayem w dobrze wentylowanym miejscu i załóż maskę osobistą. Oczyścić, przeszlifować i osuszyć powierzchnię. Chronić przed nadmiernym natryskiwaniem, nakładając cienkie warstwy powtarzających się farb. Użyj czarnych farb, aby zwiększyć kontrast między makietą naczynia silikonowego a stentem (Rysunek 9C).

6. Deformacja rozwidlonego stentu

  1. Umieść rozwidlone stenty w ciepłej wodzie tak, aby temperatura była wyższa od temperatury zeszklenia. Gdy stent zmięknie, dociśnij jedną połowę gałęzi do drugiej połowy. Zagnieżdż jedną połowę w drugiej połowie, jak pokazano w Rysunek 10A.
  2. Złóż dwie gałęzie w jeden cylinder, aby mógł przejść przez główne naczynie. Wykonaj ten sam proces zagnieżdżania w drugiej gałęzi. Następnie dwie połówki cylindrów są zamykane w jedną, jak pokazano na Rysunek 10B.

7. Wprowadzenie rozwidlonego stentu do naczyń krwionośnych

  1. Napełnij zbiornik ciepłą wodą. Ustaw temperaturę wody na 55-60 °C. Zanurz silikonową makietę naczynia w zbiorniku. Ustaw makietę tak, aby główne naczynie znajdowało się powyżej, a gałęzie poniżej.
  2. Włóż złożony rozwidlony stent do otworu makiety naczynia silikonowego od góry. Ustaw złożony rozwidlony stent tak, aby jego gałęzie były skierowane w stronę otworu. Złożony rozwidlony stent zacznie się rozszerzać, a dolne gałęzie podzielą się tak, że każda gałąź przesunie się w kierunku swojej ścieżki godowej z rdzenia bifurkacji naczyń w kształcie litery Y (Rysunek 12).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

W niniejszym protokole przedstawiono procedury niezbędne do wykonania stentu rozwidlonego. Stent wykorzystuje strukturę kirigami, która umożliwia złożenie stentu rozwidlonego w kompaktową rurkę cylindryczną, co jest bardzo korzystne podczas przesuwania przez wąskie ścieżki naczyń krwionośnych. SMP pozwala złożonej strukturze powrócić do pierwotnego kształtu, gdy temperatura osiągnie temperaturę przejścia szklistego. Kształt pierwotny, wydrukowany w 3D z materiału SMP, ściśle odpowiada rozgałęzionym naczyniom. Innymi słow...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Stenty są często używane do oczyszczania zatkanych dróg wewnętrznych, takich jak naczynia krwionośne i drogi oddechowe pacjentów. Chirurgiczna operacja wszczepienia stentów wymaga starannego rozważenia choroby pacjenta i cech anatomicznych człowieka. Kształt naczynia jest złożony i występują różne warunki rozgałęzienia. Jednak standardowe procedury operacyjne stentów opierają się na masowo produkowanych stentach o standardowych rozmiarach. W tym protokole pokazaliśmy, jak osobiście dostosować wykonanie stentu w oparciu o...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Ta praca była wspierana przez grant Instytutu Planowania i Oceny Technologii Informacyjnych i Komunikacyjnych (IITP) finansowany przez rząd koreański (MSIT) (nr 2018-0-01290, Opracowanie otwartego zbioru danych i technologii przetwarzania kognitywnego do rozpoznawania cech pochodzących z ruchów nieustrukturyzowanych ludzi (policjantów, funkcjonariuszy bezpieczeństwa ruchu drogowego, pieszych itp.) używanych w samochodach autonomicznych) oraz grant GIST Research Institute (GRI) finansowany przez GIST w 2019 r.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Fortus380mcStratasysFortus 380mcDrukarka 3D FDM do drukowania makiet naczyń krwionośnych
Drukarka 3D Moment1MomentMoment 1FDM Drukarka 3D do drukowania rozwidlonego stentu
PC (biała) Kanister z filamentemStratasysPC (biały) Kanister z filamentemFilament PC do drukowania makiet naczyń krwionośnych
Oprogramowanie PLM NX 10.0SiemensNX 10.0Oprogramowanie do modelowania 3D CAD
Papier ściernyDAESUNGCC-600CWUsuwanie powierzchni rozwidlonego stentu 
Włókno polimerowe z pamięcią kształtuSMP Technologies IncMM-5520Krzem z włókna polimerowego z pamięcią kształtu
ShinetusKE-1606do makiety naczyń krwionośnych
Uprościć3DUproszczenie3D OprogramowanieSimplify3D 4.0.1do krojenia modeli 
do krojenia

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Stenty drukowane w technologii 4Dstruktury kirigamipolimer z pami ci kszta tudruk 3Dmodelowanie przez stopienie warstwfilament poliuretanowymakieta naczyniaaktywacja temperaturowastenty medyczne

Powiązane artykuły