Artigo de método

o 4D imprimiu stents bifurcated com estruturas Kirigami-inspiradas

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DOI:

10.3791/59746

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25 de julho de 2019

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

Neste artigo

Resumo

Usando uma impressora 3D, um filamento de polímero de memória de forma é extrudido para formar uma estrutura tubular ramificada. A estrutura é padronizada e moldada de tal forma que pode contrair em um formulário compacto, uma vez dobrado e, em seguida, retornar à sua forma formada quando aquecido.

Resumo

As embarcações ramificadas, tipicamente a forma da letra Y, podem ser estreitadas ou obstruídas, tendo por resultado problemas de saúde sérios. Os stents bifurcados, que são ocos no interior e em forma externa aos vasos ramificados, inseridos cirurgicamente dentro dos vasos ramificados, atuam como uma estrutura de apoio para que os fluidos corporais possam viajar livremente pelo interior dos stents sem obstruídos pelas embarcações estreitadas ou bloqueadas. Para que um stent bifurcado seja implantado no local de destino, ele precisa ser injetado dentro do vaso e viajar dentro do navio para chegar ao local de destino. O diâmetro do vaso é muito menor do que a esfera delimitadora do stent bifurcado; assim, uma técnica é exigida de modo que o stent bifurcado permaneça pequeno bastante para viajar através da embarcação e se expanda na embarcação ramificada alvejada. Estas duas condições conflitantes, ou seja, pequenas o suficiente para passar e grande o suficiente para apoiar estruturalmente passagens estreitadas, são extremamente difíceis de satisfazer simultaneamente. Utilizamos duas técnicas para cumprir os requisitos acima. Primeiro, no lado material, um polímero de memória de forma (SMP) é usado para AutoIniciar mudanças de forma de pequeno a grande, ou seja, sendo pequeno quando inserido e tornando-se grande no local de destino. Em segundo lugar, no lado do projeto, um padrão de Kirigami é usado para dobrar os tubos ramificados em um único tubo com um diâmetro menor. As técnicas apresentadas podem ser usadas para projetar estruturas que podem ser compactadas durante o transporte e retornar à sua forma funcionalmente adepto quando ativada. Embora nosso trabalho seja direcionado a stents médicos, as questões de biocompatibilidade precisam ser resolvidas antes do uso clínico real.

Introdução

Os stents são usados para alargar passagens estreitadas ou stenosed nos seres humanos, tais como vasos sanguíneos e vias aéreas. Os stents são estruturas tubulares que se assemelham às passagens e suportam mecanicamente as passagens do colapso mais adicional. Tipicamente, os stents Self-expandindo do metal (SEMS) são adotados extensamente. Estes stents são feitos de ligas compostas de cobalto-cromo (aço inoxidável) e níquel-titânio (Nitinol)1,2. A desvantagem de stents metálicos é que a necrose de pressão pode existir onde os fios metálicos do stent entram em contato com os tecidos vivos e os stents são impactados. Além disso, os vasos do corpo podem ser de forma irregular e são muito mais complexas do que estruturas tubulares simples. Em particular, há muitos procedimentos clínicos especializados para instalar stents em lúmens ramificados. Em um lúmen em forma de Y, dois stents cilíndricos são inseridos simultaneamente e Unidos em uma filial3. Para cada filial adicional, um procedimento cirúrgico adicional precisa de ser conduzido. O procedimento requer médicos especialmente treinados, e a inserção é extremamente desafiadora devido às características salientes dos stents ramificados.

A complexidade da forma de stents bifurcado faz-lhe um alvo muito apropriado para a impressão 3D. Os stents convencionais são produzidos em massa em tamanhos e formas padronizadas. Usando a metodologia de fabricação de impressão 3D, é possível personalizar a forma do stent para cada paciente. Como as formas são feitas adicionando repetidamente camada por camada das formas seccionais do objeto de destino, teoricamente, esse método pode ser usado para fabricar partes de qualquer forma e tamanho. Os stents convencionais são na maior parte cilíndricos na forma. No entanto, os vasos humanos têm galhos, e os diâmetros mudam ao longo dos tubos. Usando a abordagem proposta, todas essas variações de formas e tamanhos podem ser acomodadas. Adicionalmente, embora não demonstrado, os materiais usados podem igualmente mudar dentro de um único stent. Por exemplo, podemos usar materiais mais rígidos onde o suporte é necessário e materiais mais macios, onde mais flexibilidade é necessária.

A exigência de mudança da forma de stents bifurcado chama para a impressão 4D, a saber, impressão 3D com a consideração adicional do tempo. as estruturas impressas 3D formadas usando materiais especializados podem ser programadas para mudar sua forma por uma estimulação externa, tal como o calor. A transformação é autosustentada e não requer fontes de energia externas. Um material especial que é adequado para a impressão 4D é um SMP4,5,6,7,8,9, que exibe efeitos de memória de forma quando exposto a um temperatura de transição de vidro de disparo específica do material. A esta temperatura, os segmentos tornam-se macios de modo que a estrutura retorne a sua forma original. Depois que a estrutura é 3D impressa, é aquecida a uma temperatura ligeiramente acima da temperatura de transição de vidro. Neste ponto, a estrutura torna-se macia, e nós somos capazes de deformar a forma aplicando forças. Mantendo as forças aplicadas, a estrutura é arrefecida, torna-se endurecida e retém sua forma deformada, mesmo depois que as forças aplicadas são removidas. Posteriormente, na fase final, quando a estrutura precisa retornar à sua forma original, como o momento em que a estrutura atinge o local de destino, o calor é fornecido para que a estrutura atinja sua temperatura de transição de vidro. Finalmente, a estrutura retorna à sua forma original memorizado. A Figura 1 ilustra os vários estágios anteriormente explicados. As SMPS podem ser facilmente esticadas, e existem algumas SMPS que são biocompatíveis e biodegradáveis9,10. Há muitos usos para SMPS no campo da medicina9,10, e os stents11,12 são um deles.

Os padrões dos stents e o projeto de dobramento seguem o projeto de corte de papel japonês chamado "Kirigami". Este processo se assemelha a técnica de dobradura de papel conhecido chamado "origami", mas a diferença é que, além de dobrar, o corte do papel também é permitido no projeto. Esta técnica tem sido utilizada em artes e também tem sido aplicada em aplicações de engenharia2,3,13,14. Em suma, Kirigami pode ser usado para transformar uma estrutura planar para uma estrutura tridimensional, aplicando forças em pontos projetados especificamente. Em nossas exigências do projeto, o stent precisa de ser uma forma cilíndrica simples quando introduzido nos caminhos, e o cilindro deve dividir-se ao longo de seu comprimento onde cada metade deve unfold a uma forma inteiramente cilíndrica na embarcação ramificada alvejada. A solução reside no fato de que o vaso principal e os ramos laterais são dobrados em um único cilindro, de modo que os ramos laterais não interferirá com as paredes dos vasos durante a inserção. O sinal de comando de desdobramento vem do aumento na temperatura ambiental acima da temperatura de transição de vidro do SMP. Adicionalmente, a dobradura será conduzida fora do corpo paciente amaciando o 3D imprimiu o stent bifurcado e dobrando a filial lateral na embarcação principal.

Os métodos convencionais exigiram a inserção de múltiplos stents cilíndricos cujo número é igual ao número de ramos. Este método era inevitável porque as saliências dos ramos laterais dificultaram as paredes dos caminhos e tornaram impossível inserir um stent bifurcado completo em sua totalidade. Usando a estrutura de Kirigami e impressão 4D, os problemas acima podem ser resolvidos. Este protocolo também mostra a visualização da efetividade do método proposto utilizando um modelo de vaso de silicone fabricado após a forma dos vasos sanguíneos. Através deste mock-up, a eficácia da invenção proposta durante o processo de inserção e outras possibilidades de novas aplicações podem ser vistas.

O objetivo deste protocolo é delinear claramente as etapas envolvidas na impressão de um SMP usando uma impressora de modelagem de deposição fundida (FDM). Adicionalmente, as técnicas envolvidas em deformar os stents bifurcado impressos ao estado dobrado, a inserção dos stents bifurcado dobrados ao local de alvo, e a sinalização e desenrolar da estrutura a sua forma original são dadas em detalhe. A demonstração da inserção utiliza um mock-up do silicone de vasos sanguíneos. O protocolo também fornece os procedimentos envolvidos na fabricação deste mock-up usando uma impressora 3D e moldagem.

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Protocolo

1. projeto do mock-up da embarcação de sangue para a demonstração

  1. Defina o diâmetro do vaso principal proximal para 25 mm, os diâmetros do vaso principal distal e o ramo lateral igual a 22 mm. defina o comprimento total dos vasos igual a 140 mm. definir o comprimento do vaso principal proximal, o vaso principal distal e o ramo lateral para 6 5 mm, 75 mm e 65 mm, respectivamente. O vaso sanguíneo completo é mostrado na Figura 2 e na Figura 3.
  2. Imprima o modelo de computador da embarcação ramificada usando uma impressora 3D FDM. Use um filamento de policarbonato.

2. fabricação de mock-up de vasos sanguíneos por moldagem

  1. Crie um contentor em forma de caixa que irá abrigar a peça impressa em 3D. Defina as dimensões do contentor para 110 x 105 x 70 mm e utilize uma placa acrílica.
  2. Com a embarcação ramificada impressa 3D coloc no centro da caixa, Despeje delicadamente o silicone dentro do recipiente para minimizar a formação da bolha. Seque o silicone líquido e endurecer-lo para 36 ~ 48 h.
  3. Remova o silicone solidificado do recipiente e corte-o ao meio para remover a peça impressa 3D. Rejunte o silicone dividido no plano de corte. O corpo associado resultante é o mockup do vaso sanguíneo. O resultado final é mostrado na Figura 4.

3. projeto do stent ramificado baseado em Kirigami

Nota: o tamanho do stent ramificado é feito para caber snuggly dentro do caminho em forma de Y do Mockup do vaso sanguíneo. O interior é feito oco, e as malhas tubulares de superfície são projetadas funcionalmente dobrar e retornar à configuração desdobrado cheia.

  1. Projete o tronco do stent bifurcado seguindo padrões ondulados semelhantes aos stents convencionais. Ajuste o diâmetro do tronco a 22 milímetros e o comprimento do tronco a 38 milímetros.
  2. Projete as ramificações bifurcadas para ser um cilindro, como mostrado na Figura 5B. Defina o diâmetro da ramificação para 18 mm e o comprimento da ramificação para 34 mm.
  3. Defina o comprimento total do stent para 72 mm. A forma final é mostrada na Figura 6.

4. impressão 3D com filamentos SMP

  1. Imprima o stent bifurcado em uma impressora 3D FDM usando um filamento SMP. A composição principal deste filamento é poliuretano. O vendedor comercial também fornece esses filamentos na forma de pelotas para que o usuário final também pode adicionar substâncias adicionais para adaptar as características do material (Figura 7).
  2. Use o software de corte para corte de modelo e controle as configurações da impressora 3D. Ajuste a temperatura do extrusor a 230 ° c e a temperatura da cama da impressora à temperatura ambiente. Ajuste a altura da camada a 0,1 milímetros para minimizar o efeito da escadaria.
  3. Defina a velocidade de impressão para 3.600 mm/min. defina a quantidade de porcentagem de preenchimento interior para 80%. Inclua a formação do torcedor durante a impressão, que é necessário porque a estrutura é oca no interior. A Figura 8 ilustra o processo de impressão.

5. suavizando a superfície

Nota: as seguintes etapas são exigidas porque as superfícies ásperas podem danificar os vasos pela abrasão.

  1. Retire os suportes usando cortadores (Figura 9a). Os suportes são anexados no interior do stent. Ao remover os stents, exerça extrema cautela para evitar rasgar os stents.
  2. Esfregue a superfície contra a lixa (Figura 9B) para remover as linhas de camada, estrias ou manchas na superfície impressa. O polimento repetido pode ser necessário onde os suportes são removidos pelos cortadores.
  3. Pinte a superfície usando um spray em um local bem ventilado e use uma máscara pessoal. Limpe, lixe e seque a superfície. Proteja de overpulverizar aplicando camadas finas de pinturas repetidas. Use tintas pretas para realçar o contraste entre o mockup da embarcação do silicone e o stent (Figura 9C).

6. deformando o stent bifurcado

  1. Coloc os stents bifurcado na água morna tal que a temperatura está acima da temperatura de transição de vidro. Quando o stent fica amolecido, empurre metade da ramificação contra a outra metade. Aninhar uma metade dentro da outra metade, como mostrado na Figura 10A.
  2. Dobre as duas filiais em um único cilindro de modo que possa viajar através da embarcação principal. Execute o mesmo processo de aninhamento para a outra ramificação. Posteriormente, as duas metades dos cilindros são fechadas em uma, como mostrado na Figura 10B.

7. inserção do stent bifurcado nos vasos

  1. Encha um tanque com água morna. Defina a temperatura da água para 55-60 ° c. Mergulhe o modelo de vaso de silicone dentro do tanque. Oriente o mockup de tal forma que a embarcação principal está acima e os galhos estão abaixo.
  2. Introduza o stent bifurcado dobrado na abertura do Mockup da embarcação do silicone de acima. Orientar o stent bifurcado dobrado de tal forma que seus ramos estão em direção à abertura. O stent bifurcado dobrado começará a se expandir, e os galhos inferiores dividirão de tal forma que cada ramo deslizará em direção a sua via de acasalamento a partir do núcleo de bifurcação dos vasos em forma de Y (Figura 12).

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Resultados

Neste protocolo, mostramos os procedimentos necessários para fabricar um stent bifurcado. O stent usa uma estrutura de Kirigami para permitir que o stent bifurcado dobre em um tubo cilíndrico compacto, que é muito adequado para deslizar através das vias estreitas dos vasos sanguíneos. O SMP permite que a estrutura dobrada retorne a sua forma original quando a temperatura alcança a temperatura de transição de vidro. A forma original, 3D impressa usando o material SMP, coincide estreitamente com os vasos ramificados. Em ou...

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Discussão

Os stents são usados frequentemente para cancelar as vias internas obstruídas tais como os vasos sanguíneos e as vias aéreas dos pacientes. A operação cirúrgica da inserção de stents requer a consideração cuidadosa da doença do paciente e das características anatômicas humanas. A forma da embarcação é complexa, e existem diversas condições de ramificação. No entanto, os procedimentos operacionais de stent padrão são baseados em stents produzidos em massa com tamanhos padrão. Neste protocolo, mostramos como adaptar pessoa...

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Divulgações

Os autores não têm nada a revelar.

Agradecimentos

Este trabalho foi apoiado pelo Instituto de informação & comunicação tecnologia de planeamento e avaliação (IITP) subvenção financiada pelo governo coreano (MSIT) (n º 2018-0-01290, o desenvolvimento de um conjunto de dados abertos e tecnologia de processamento cognitivo para o reconhecimento de recursos derivados de humanos não estruturados (policiais, oficiais de segurança de trânsito, pedestres, etc.), movimentos usados em carros autopropulsantes) e o GIST Research Institute (GRI) financiado pelo GIST em 2019.

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Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo
NomeEmpresaNúmero de catálogoComentários
Fortus380mcStratasysFortus 380mcFDM impressora 3D para impressão de maquete de vasos sanguíneos
Impressora 3DMoment1 Moment1Impressora 3D FDM para impressão de stent bifurcado
PC (branco) Vasilha de filamento StratasysPC (branco) Vasilha de filamentoPC para impressão de maquete de vasos sanguíneos
Software PLM NX 10.0SiemensNX 10.0Software de modelagem CAD 3D
Lixa DAESUNGCC-600CWSmooting para fora da superfície do stent bifurcado 
Filamento de polímero com memória de formaSMP Technologies IncMM-5520Filamento de polímero de memória de forma
de silícioShinetusKE-1606silício para maquete de vasos sanguíneos
Simplify3DSimplify3D Simplify3D 4.0.1Software de fatiamento para fatiamento de modelo 

Referências

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