Методическая статья

4D Печатные бифуркированные стенты с Киригами-Вдохновленные структуры

7.9K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/59746

⸱

25 июля 2019 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

С помощью 3D-принтера полимерная нить памяти формы выдавливается, образуя разветвленную трубчатую структуру. Структура узорной и формы такова, что она может контракт в компактную форму после сложены, а затем вернуться к своей форме при нагревании.

Аннотация

Разветвленные сосуды, как правило, в виде буквы "Y", могут быть сужены или заблокированы, что приводит к серьезным проблемам со здоровьем. Бифуркированные стенты, которые полые внутри и внешней формы для разветвленных сосудов, хирургически вставленных внутри разветвленных сосудов, выступают в качестве опорной структуры, так что телесные жидкости могут свободно перемещаться через внутреннюю часть стентов без препятствуют суженные или заблокированные сосуды. Для того чтобы на целевом объекте был развернут бифуркированный стент, его необходимо вводить внутри судна и перемещаться внутри судна для достижения цели. Диаметр сосуда намного меньше, чем ограничивающая сфера бифуркированного стента; таким образом, требуется метод, чтобы бифуркированный стент оставался достаточно маленьким, чтобы пройти через судно и расширялся на целевом разветвленном судне. Эти два противоречивых условия, т.е. достаточно малые, чтобы пройти и достаточно большие, чтобы структурно поддерживать суженные проходы, чрезвычайно трудно удовлетворить одновременно. Мы используем два метода для выполнения вышеуказанных требований. Во-первых, на материальной стороне, полимер памяти формы (SMP) используется для самостоятельного инициировать изменения формы от малого к большому, то есть, будучи небольшим при вставке и становится большим на целевом участке. Во-вторых, на стороне конструкции, узор kirigami использован для того чтобы сложить ветвяные пробки в одиночную пробку с более малым диаметром. Представленные методы могут быть использованы для инженера структур, которые могут быть уплотняются во время транспортировки и вернуться к их функционально адепт формы при активации. Хотя наша работа ориентирована на медицинские стенты, вопросы биосовместимости должны быть решены до фактического клинического использования.

Введение

Стенты используются для расширения суженных или стенозных проходов у человека, таких как кровеносные сосуды и дыхательные пути. Стенты представляют трубчатые структуры, напоминающие проходы и механически поддерживающие проходы от дальнейшего коллапса. Как правило, саморасширяющиеся металлические стенты (SEMS) широко используются. Эти стенты изготовлены из сплавов, состоящих из кобальта-хрома (нержавеющей стали) иникеля-титана (нитинол) 1,2. Недостатком металлических стентов является то, что давление некроз может существовать, где металлические провода стента вступают в контакт с живыми тканями и стенты влияние. Кроме того, сосуды тела могут быть неправильной формы и гораздо сложнее, чем простые трубчатые структуры. В частности, существует множество специализированных клинических процедур для установки стентов в разветвленные люмены. В Y-образный просвет, два цилиндрических стентов одновременно вставляются и соединены в ветке3. Для каждой дополнительной ветви необходимо провести дополнительную хирургическую процедуру. Процедура требует специально обученных врачей, а вставка является чрезвычайно сложной из-за выступающих особенностей разветвленных стентов.

Сложность формы бифуркированных стентов делает его очень подходящей мишенью для 3D-печати. Обычные стенты производятся в размерах и формах. Используя методологию изготовления 3D-печати, можно настроить форму стента для каждого пациента. Поскольку формы производятся путем неоднократного добавления слой за слоем секционных форм целевого объекта, в теории этот метод может быть использован для изготовления частей любой формы и размера. Обычные стенты в основном цилиндрической формы. Однако, человеческие сосуды имеют ветви, и диаметры меняются вдоль труб. Используя предлагаемый подход, все эти различия в формах и размерах могут быть приспособлены. Кроме того, хотя и не продемонстрировано, используемые материалы также могут изменяться в пределах одного стента. Например, мы можем использовать более жесткие материалы там, где требуется поддержка, и более мягкую, где требуется большая гибкость.

Требование изменения формы бифуркированных стентов требует 4D-печати, а именно 3D-печати с дополнительным учетом времени. 3D печатные структуры, сформированные с использованием специализированных материалов, могут быть запрограммированы на изменение их формы путем внешней стимуляции, такой как тепло. Преобразование является самоосвоенным и не требует внешних источников энергии. Один специальный материал, который подходит для 4D-печати является SMP4,5,6,7,8,9, который проявляет форму воздействия памяти при воздействии материал-специфически вызывая температуру перехода стекла. При такой температуре сегменты становятся мягкими, так что структура возвращается к своей первоначальной форме. После того, как структура напечатана 3D, она нагревается до температуры немного выше температуры перехода стекла. В этот момент структура становится мягкой, и мы можем деформировать форму, применяя силы. Сохраняя прикладные силы, структура охлаждается, затвердевает и сохраняет свою деформированную форму, даже после того, как применяемые силы удаляются. Впоследствии, на заключительном этапе, когда структура должна вернуться к своей первоначальной форме, например, в тот момент, когда структура достигает целевого участка, тепло поставляется так, что структура достигает своей температуры перехода стекла. Наконец, структура возвращается к заученной оригинальной форме. Рисунок 1 иллюстрирует различные этапы, которые были ранее объяснены. SMPs можно легко растягивать, и некоторые SMPs которые биосовместимыи biodegradable 9,10. Есть много применений для SMPs в области медицины9,10, и стенты11,12 являются одним из них.

Узоры стентов и складной дизайн следуют японской конструкции резки бумаги под названием "киригами". Этот процесс напоминает известный метод складывания бумаги называется "оригами", но разница в том, что в дополнение к складыванию, резки бумаги также допускается в дизайне. Эта техника была использована в искусстве, а также была применена в инженерных приложений2,3,13,14. Короче говоря, киригами можно использовать для преобразования планарной структуры в трехмерную структуру, применяя силы в специально спроектированных местах. В наших требованиях к дизайну стент должен быть простой цилиндрической формой при вставке в пути, а цилиндр должен делиться по своей длине, где каждая половина должна разворачиваться до полностью цилиндрической формы на целевом разветвленном сосуде. Решение заключается в том, что основной сосуд и боковые ветви складываются в один цилиндр таким образом, чтобы боковые ветви не мешали стенкам сосудов во время вставки. Разворачивающийся командный сигнал исходит от повышения температуры окружающей среды над температурой перехода стекла SMP. Кроме того, складывание будет проводиться вне тела пациента путем смягчения 3D-печатного бифуркированного стента и складывания боковой ветви в основной сосуд.

Обычные методы требовали вставки нескольких цилиндрических стентов, число которых равно числу ветвей. Этот метод был неизбежен, потому что выступы боковых ветвей препятствовали стенкам путей и делали невозможным вставить полный бифуркированный стент в полном объеме. Используя структуру киригами и 4D-печать, вышеперечисленные проблемы могут быть решены. Этот протокол также показывает визуализацию эффективности предлагаемого метода с использованием модели силиконового сосуда, изготовленной по форме кровеносных сосудов. Благодаря этому макету можно увидеть эффективность предлагаемого изобретения в процессе вставки и дальнейшие возможности новых приложений.

Цель юга этого протокола состоит в том, чтобы четко наметить шаги, связанные с печатью SMP с помощью срастающего принтера моделирования осаждения (FDM). Кроме того, методы, связанные с деформацией печатных бифуркированных стентов в сложенном состоянии, вставка сложенных бифуркированных стентов на целевой участок, а также сигнализация и развертывание структуры в ее первоначальной форме приведены в деталях. Демонстрация вставки использует силиконовый макет кровеносных сосудов. Протокол также предусматривает процедуры, связанные с изготовлением этого макета с помощью 3D-принтера и литья.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Конструкция макета кровеносных сосудов для демонстрации

  1. Установить диаметр проксимального основного сосуда до 25 мм, диаметр дистального основного сосуда и боковой ветви равно 22 мм. Установите общую длину сосудов, равную 140 мм. Установите длину проксимального основного судна, дистального основного судна и боковой ветви до 6 5 мм, 75 мм и 65 мм соответственно. Полный кровеносный сосуд показан на рисунке 2 и рисунке3.
  2. Печать компьютерной модели разветвленного судна с помощью 3D-принтера FDM. Используйте поликарбонатную нить.

2. Выдумка макета кровеносных сосудов путем литья

  1. Создайте контейнер в форме коробки, в который разместится 3D-печатная часть. Установите размеры контейнера до 110 х 105 х 70 мм и используйте акриловую пластину.
  2. С 3D печатных разветвленной сосуд расположен в центре коробки, осторожно залить силикон внутри контейнера, чтобы свести к минимуму образование пузырьков. Высушите жидкий силикон и затвердейте его в течение 36-48 ч.
  3. Удалить затвердевной силикон из контейнера и разрезать его пополам, чтобы удалить 3D печатной части. Присоединяйтесь к разделенной силикону на разрезае. В результате объединенного тела является макет кровеносных сосудов. Окончательный результат показан На рисунке 4.

3. Дизайн разветвленного стента на основе киригами

ПРИМЕЧАНИЕ: Размер разветвленного стента сделан, чтобы принудиться вписаться в Y-образный путь макета кровеносных сосудов. Интерьер выполнен полым, а поверхностные трубчатые сетки предназначены для функционального складывания и возврата к полной раскрыванной конфигурации.

  1. Дизайн ствола бифуркированного стента следующие волнистые узоры похожи на обычные стенты. Установите диаметр ствола до 22 мм, а длину ствола - до 38 мм.
  2. Дизайн бифуркированных ветвей, чтобы быть цилиндром, как показано на рисунке 5B. Установите диаметр ветви до 18 мм, а длину ветви до 34 мм.
  3. Установите общую длину стента до 72 мм. Окончательная форма показана на рисунке 6.

4. 3D печать с нитями SMP

  1. Печать бифуркированного стента в 3D-принтере FDM с помощью нити SMP. Основным составом этой нити является полиуретан. Коммерческий поставщик также предоставляет эти нити в виде гранул, так что конечный пользователь может также добавить дополнительные вещества, чтобы адаптировать характеристики материала (Рисунок 7).
  2. Используйте программное обеспечение для нарезки модели и для управления настройками 3D-принтера. Установите температуру экструдера до 230 градусов по Цельсию и температуру кровати принтера до комнатной температуры. Установите высоту слоя до 0,1 мм, чтобы свести к минимуму эффект лестницы.
  3. Установите скорость печати до 3600 мм/мин. Установите процент заполнения интерьера до 80%. Включите формирование сторонника во время печати, что необходимо, потому что структура полая в интерьере. Рисунок 8 иллюстрирует процесс печати.

5. Сглаживание поверхности

ПРИМЕЧАНИЕ: Следующие шаги необходимы, потому что грубые поверхности могут повредить сосуды сасразией.

  1. Удалите сторонников с помощью фрезы(Рисунок 9A). Сторонники прикреплены на интерьере стента. При удалении стентов, проявлять крайнюю осторожность, чтобы избежать разрыва стентов.
  2. Руб поверхности против наждачной бумаги (Рисунок 9B), чтобы удалить слой линий, полос или пятен на печатной поверхности. Повторная полировка может быть необходима, когда сторонники удаляются фрезы.
  3. Раскрась поверхность с помощью спрея в хорошо проветриваемом месте и наденьте личную маску. Чистота, песок и высушить поверхность. Защитите от чрезмерного распыления, применяя тонкие слои повторяющихся красок. Используйте черные краски для усиления контраста между макетом силиконового сосуда и стентом(рисунок 9C).

6. Развешение бифуркированного стента

  1. Поместите бифуркированные стенты в теплую воду так, чтобы температура была выше температуры перехода стекла. Когда стент смягчится, нажмите одну половину ветви против другой половины. Гнездо одна половина в другой половине, как показано на рисунке 10A.
  2. Сложите две ветви в один цилиндр, чтобы он мог путешествовать через основной сосуд. Выполните тот же процесс вложения к другой ветви. Впоследствии две половинки цилиндров закрываются на одну, как показано на рисунке 10B.

7. Вставка бифуркированного стента в сосуды

  1. Заполните бак теплой водой. Установите температуру воды до 55-60 градусов по Цельсию. Погрузите макет силиконового судна внутри бака. Ориентируйте макет так, что основной сосуд находится выше, а ветви внизу.
  2. Вставьте сложенный бифуркированный стент в отверстие макета силиконового сосуда сверху. Ориентируйте сложенный бифуркированный стент так, чтобы его ветви были к открытию. Сложенный бифуркированный стент начнет расширяться, а нижние ветви разделят так, что каждая ветвь будет скользить к своему пути спаривания от бифуркации ядра Y-образных сосудов(рисунок 12).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

В этом протоколе мы показали процедуры, необходимые для изготовления бифуркированного стента. Стент использует структуру киригами, чтобы позволить бифуркированному стенту сложить в компактную цилиндрическую трубку, которая очень подходит для скольжения по узким путям кровеносных сосудов. SMP позволяет сложенной структуре вернуться к своей первоначальной форме, когда температура достигает температуры перехода стекла. Оригинальная форма, напечатанная на 3D с использованием материала SMP, тесно соответствует разветвленным с...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Стенты часто используются для очистки забитывнутренних внутренних путей, таких как кровеносные сосуды и дыхательные пути пациентов. Хирургическая операция вставки стентов требует тщательного рассмотрения болезни пациента и анатомических характеристик человека. Форма сосуда сложна, существуют разнообразные условия ветвления. Однако стандартные эксплуатационные процедуры стента основаны на серийных стентах со стандартными размерами. В этом протоколе мы показали, как лично адаптировать изготовление стента на основе точной г...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была поддержана Институтом планирования и оценки информационных и коммуникационных технологий (IITP), финансируемым корейским правительством (MSIT) (No 2018-0-01290, разработка открытого набора данных и когнитивной технологии для признание особенностей, полученных от неструктурированных людей (полицейские, сотрудники по безопасности дорожного движения, пешеходы и т.д.) движений, используемых в самоуправляемых автомобилях) и ГИСТ научно-исследовательский институт (GRI) грант, финансируемый ГИСТ в 2019 году.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Fortus380mcStratasysFortus 380mcFDM 3D-принтер для печати макета кровеносного сосуда
Moment1 3D-принтерMomentMoment 1FDM 3D-принтер для печати раздвоенного стента
ПК (белый) Канистра с филаментомStratasysPC (белый) Канистра с филаментомПК нить для печати макета кровеносного сосуда
PLM программное обеспечение NX 10.0SiemensNX 10.0Программное обеспечение для 3D CAD моделирования
Наждачная бумагаDAESUNGCC-600CWРасплавление поверхности раздвоенного стента 
Полимерная нить с памятью формыSMP Technologies IncMM-5520Полимерная нить с памятью формы
силиконShinetusKE-1606силикон для макета кровеносных сосудов
Simplify3DSimplify3D4.0.1Программное обеспечение для нарезки моделей 

Ссылки

  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).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

4D3D

Похожие статьи