دعامات رباعية الأبعاد مطبوعة مع هياكل مستوحاة من كيريجامي

Engineering

Your institution must subscribe to JoVE's Engineering section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

 

Summary

باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد، يتم مقذوف خيوط بوليمر الذاكرة الشكل لتشكيل بنية أنبوبية متفرعة. يتم نقش الهيكل وشكله بحيث يمكن أن يتقلص في شكل مدمج مرة واحدة مطوية ومن ثم العودة إلى شكله شكل عندما يسخن.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Kim, D., Kim, T., Lee, Y. G. 4D Printed Bifurcated Stents with Kirigami-Inspired Structures. J. Vis. Exp. (149), e59746, doi:10.3791/59746 (2019).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

يمكن تضييق أو حظر السفن المتفرعة، عادة في شكل حرف "Y"، مما يؤدي إلى مشاكل صحية خطيرة. الدعامات ثنائية، والتي هي جوفاء في الداخل والخارجي على شكل للسفن المتفرعة، وأدخلت جراحيا داخل السفن المتفرعة، بمثابة هيكل داعم بحيث السوائل الجسدية يمكن أن تنتقل بحرية من خلال المناطق الداخلية من الدعامات دون الدعامات يتم عرقلة من قبل السفن الضيقة أو المسدودة. وحتى يتم نشر دعامة ثنائية في الموقع المستهدف، يلزم حقنها داخل السفينة والسفر داخل السفينة للوصول إلى الموقع المستهدف. قطر السفينة أصغر بكثير من المجال المحيط للدعامة ثنائية؛ وبالتالي، هناك حاجة إلى تقنية بحيث تبقى الدعامة المزدوجة صغيرة بما يكفي للسفر عبر السفينة وتتوسع في السفينة المتفرعة المستهدفة. وهذان الشرطان المتصارعان، أي صغيران بما يكفي للمرور وكبيران بما يكفي لدعم الممرات الضيقة هيكليا، من الصعب للغاية الوفاء بهما في آن واحد. نحن نستخدم اثنين من التقنيات لتلبية المتطلبات المذكورة أعلاه. أولا، على الجانب المادي، يتم استخدام بوليمر ذاكرة الشكل (SMP) لبدء تغييرات الشكل الذاتي من الصغيرة إلى الكبيرة، وهذا هو، كونها صغيرة عند إدراجها وتصبح كبيرة في الموقع المستهدف. ثانيا، على جانب التصميم، يتم استخدام نمط kirigami لطي أنابيب المتفرعة في أنبوب واحد مع قطر أصغر. يمكن استخدام التقنيات المعروضة لهندسة الهياكل التي يمكن ضغطها أثناء النقل والعودة إلى شكلها الماهر وظيفياً عند تفعيلها. على الرغم من أن عملنا يستهدف الدعامات الطبية، إلا أن قضايا التوافق البيولوجي تحتاج إلى حل قبل الاستخدام السريري الفعلي.

Introduction

وتستخدم الدعامات لتوسيع الممرات الضيقة أو المنفئة في البشر، مثل الأوعية الدموية والمسالك الهوائية. الدعامات هي هياكل أنبوبية تشبه الممرات وتدعم ميكانيكيا الممرات من مزيد من الانهيار. عادة، يتم اعتماد الدعامات المعدنية ذاتية التوسع (SEMS) على نطاق واسع. هذه الدعامات مصنوعة من سبائك تتكون من الكوبالت والكروم (الفولاذ المقاوم للصدأ) والنيكلوالتيتانيوم (نيتينول) 1،2. الجانب السلبي للدعامات المعدنية هو أن نخر الضغط يمكن أن توجد حيث الأسلاك المعدنية للدعامة تأتي في اتصال مع الأنسجة الحية وتتأثر الدعامات. وعلاوة على ذلك، يمكن أن تكون السفن من الجسم على شكل غير منتظم وأكثر تعقيدا بكثير من الهياكل الأنبوبية البسيطة. على وجه الخصوص، هناك العديد من الإجراءات السريرية المتخصصة لتثبيت الدعامات في التجويف المتفرعة. في التجويف على شكل Y، يتم إدراج اثنين من الدعامات أسطواني في وقت واحد وانضم في فرع3. لكل فرع إضافي، يجب إجراء عملية جراحية إضافية. يتطلب الإجراء أطباء مدربين تدريبا خاصا، والإدراج أمر صعب للغاية بسبب السمات البارزة للدعامات المتفرعة.

تعقيد شكل الدعامات ثنائية الأبعاد يجعلها هدفا مناسبا جدا للطباعة ثلاثية الأبعاد. يتم إنتاج الدعامات التقليدية في أحجام وأشكال موحدة. باستخدام منهجية تصنيع الطباعة ثلاثية الأبعاد، من الممكن تخصيص شكل الدعامة لكل مريض. نظرًا لأن الأشكال يتم إجراؤها عن طريق إضافة طبقة بطبقة من الأشكال المقطعية للكائن الهدف، من الناحية النظرية، يمكن استخدام هذا الأسلوب لتلفيق أجزاء من أي شكل وحجم. الدعامات التقليدية هي في الغالب أسطواني في الشكل. ومع ذلك، فإن السفن البشرية لها فروع، وتتغير أقطارها على طول الأنابيب. وباستخدام النهج المقترح، يمكن استيعاب جميع هذه الاختلافات في الأشكال والأحجام. بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من عدم إثبات، يمكن للمواد المستخدمة أيضا تغيير داخل دعامة واحدة. على سبيل المثال، يمكننا استخدام مواد أكثر صلابة حيث هناك حاجة إلى الدعم والمواد أكثر ليونة حيث هناك حاجة إلى مزيد من المرونة.

يتطلب متطلبات تغيير الشكل من الدعامات ثنائية الأبعاد الطباعة ثلاثية الأبعاد، أي الطباعة ثلاثية الأبعاد مع النظر الإضافي في الوقت. يمكن برمجة الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد التي تم تشكيلها باستخدام مواد متخصصة لتغيير شكلها عن طريق التحفيز الخارجي، مثل الحرارة. وهذا التحول ذاتي الاكتفاء ولا يتطلب مصادر طاقة خارجية. مادة واحدة خاصة مناسبة للطباعة 4Dهو SMP 4،الذي يعرض آثار الذاكرة الشكل عند التعرض ل المواد الخاصة مما يؤدي إلى درجة حرارة انتقال الزجاج. في هذه درجة الحرارة، تصبح الشرائح لينة بحيث يعود الهيكل إلى شكله الأصلي. بعد طباعة الهيكل 3D، يتم تسخينه إلى درجة حرارة أعلى قليلا من درجة حرارة انتقال الزجاج. عند هذه النقطة، يصبح الهيكل لينة، ونحن قادرون على تشويه الشكل من خلال تطبيق القوى. مع الحفاظ على القوى المطبقة، يتم تبريد الهيكل، ويصبح تصلب احتوى على شكله المشوه، حتى بعد إزالة القوى المطبقة. في وقت لاحق، في المرحلة النهائية، عندما يحتاج الهيكل للعودة إلى شكله الأصلي، مثل اللحظة التي يصل فيها الهيكل إلى الموقع المستهدف، يتم توفير الحرارة بحيث يصل الهيكل إلى درجة حرارة انتقال الزجاج. وأخيراً، يعود الهيكل إلى شكله الأصلي المحفوظ. ويبين الشكل 1 مختلف المراحل التي سبق شرحها. يمكن أن تمتد بسهولة SMPs، وهناك بعض SMPs التي هيمتوافقة بيولوجيا وقابلة للتحلل 9،10. هناك العديد من الاستخدامات للنواب فيمجال الطب 9،10،والدعامات11،12 هي واحدة منهم.

أنماط الدعامات وتصميم للطي تتبع تصميم قطع الورق الياباني يسمى "kirigami". هذه العملية تشبه تقنية طي الورق المعروفة تسمى "اوريغامي"، ولكن الفرق هو أنه بالإضافة إلى للطي، يسمح قطع الورق أيضا في التصميم. وقد استخدمت هذه التقنية في الفنون، كماتم تطبيقها في التطبيقات الهندسية 2،13،14. وباختصار، يمكن استخدام kirigami لتحويل بنية اللوح إلى هيكل ثلاثي الأبعاد من خلال تطبيق القوات في بقع مصممة خصيصا. في متطلبات التصميم لدينا، يجب أن يكون الدعامة شكل أسطواني بسيط عند إدراجها في المسارات، وينبغي تقسيم الاسطوانة على طولها حيث يجب أن تتكشف كل نصف إلى شكل أسطواني بالكامل في السفينة المتفرعة المستهدفة. ويكمن الحل في حقيقة أن السفينة الرئيسية والفروع الجانبية مطوية في اسطوانة واحدة بحيث لا تتداخل الفروع الجانبية مع جدران السفن أثناء الإدراج. تأتي إشارة القيادة التي تتكشف من الزيادة في درجة الحرارة المحيطة فوق درجة حرارة انتقال الزجاج من SMP. بالإضافة إلى ذلك، سيتم إجراء للطي خارج جسم المريض عن طريق تليين الدعامة المزدوجة المطبوعة ثلاثية الأبعاد وطي الفرع الجانبي في السفينة الرئيسية.

تتطلب الطرق التقليدية إدخال دعامات أسطوانية متعددة يساوي عددها عدد الفروع. وكان هذا الأسلوب لا مفر منه لأن نتوءات الفروع الجانبية أعاقت جدران الممرات وجعلت من المستحيل إدراج دعامة كاملة ثنائية في مجملها. باستخدام هيكل kirigami والطباعة 4D، يمكن حل المشاكل المذكورة أعلاه. ويبين هذا البروتوكول أيضا تصور فعالية الطريقة المقترحة باستخدام نموذج أوعية سيليكون ملفقة بعد شكل الأوعية الدموية. ومن خلال هذا النموذج، يمكن رؤية فعالية الاختراع المقترح أثناء عملية الإدراج وإمكانيات أخرى للطلبات الجديدة.

الغرض من هذا البروتوكول هو تحديد الخطوات المتضمنة في طباعة SMP باستخدام طابعة طراز ترسيب تنصهر (FDM). بالإضافة إلى ذلك، يتم إعطاء التقنيات التي تنطوي على تشويه الدعامات المطبوعة المزدوجة إلى الحالة المطوية، وإدخال الدعامات المطوية إلى الموقع المستهدف، والإشارة وتتكشف للهيكل إلى شكله الأصلي بالتفصيل. يستخدم عرض الإدراج نموذج سيليكون من الأوعية الدموية. كما يوفر البروتوكول الإجراءات التي ينطوي عليها تلفيق هذا النموذج باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد وصب.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. الأوعية الدموية نموذج المتابعة تصميم للمظاهرة

  1. تعيين قطر السفينة الرئيسية القريبة إلى 25 مم، وأقطار السفينة الرئيسية البعيدة والفرع الجانبي التي تساوي 22 ملم. 5 مم و75 مم و65 مم على التوالي. يظهر الأوعية الدموية الكاملة في الشكل 2 والشكل 3.
  2. طباعة طراز الكمبيوتر للسفينة المتفرعة باستخدام طابعة 3D FDM. استخدام خيوط البولي.

2. الأوعية الدموية نموذج المتابعة تصنيع صب

  1. إنشاء حاوية على شكل مربع التي سوف تحتوي على الجزء المطبوع3D. تعيين أبعاد الحاوية إلى 110 × 105 × 70 ملم واستخدام لوحة الاكريليك.
  2. مع السفينة المطبوعة 3D المتفرعة وضعت في وسط المربع، صب بلطف السيليكون داخل الحاوية للحد من تشكيل فقاعة. تجفيف السيليكون السائل وتصلب لمدة 36 ~ 48 ساعة.
  3. إزالة السيليكون الصلبة من الحاوية وقطع في النصف لإزالة الجزء المطبوع3D. الانضمام إلى السيليكون مقسمة في قطع الطائرة. الجسم المرتبط الناتج هو نموذج الأوعية الدموية. وتظهر النتيجة النهائية الشكل 4.

3. تصميم الدعامة المتفرعة على أساس kirigami

ملاحظة: يتم إجراء حجم الدعامة المتفرعة لتناسب snuggly داخل مسار على شكل Y من نموذج الأوعية الدموية. يتم إجراء الداخلية جوفاء، وأنابيب أنبوبي السطح مصممة لأضعاف وظيفيا والعودة إلى التكوين الكامل تتكشف.

  1. تصميم الجذع من الدعامة ثنائية بعد أنماط متموجة مماثلة للدعامات التقليدية. تعيين قطر الجذع إلى 22 ملم وطول الجذع إلى 38 ملم.
  2. تصميم الفروع ثنائية الفرو لتكون اسطوانة، كما هو مبين في الشكل 5B. تعيين قطر الفرع إلى 18 ملم وطول الفرع إلى 34 ملم.
  3. تعيين الطول الإجمالي للدعامة إلى 72 مم. يظهر الشكل النهائي في الشكل 6.

4. الطباعة 3D مع خيوط SMP

  1. اطبع الدعامة الثنائية في طابعة FDM ثلاثية الأبعاد باستخدام خيوط SMP. التركيب الرئيسي لهذه الخيوط هو البولي يوريثين. كما يوفر البائع التجاري هذه الخيوط في شكل كريات بحيث يمكن للمستخدم النهائي أيضا إضافة موادإضافية لتكييف خصائص المواد (الشكل 7).
  2. استخدم برنامج التقطيع لتقطيع الطراز والتحكم في إعدادات الطابعة ثلاثية الأبعاد. تعيين درجة حرارة الطارد إلى 230 درجة مئوية ودرجة حرارة سرير الطابعة إلى درجة حرارة الغرفة. تعيين ارتفاع الطبقة إلى 0.1 ملم لتقليل تأثير الدرج.
  3. تعيين سرعة الطباعة إلى 3600 مم / دقيقة. تضمين تشكيل مؤيد أثناء الطباعة، وهو أمر مطلوب لأن هيكل جوفاء في الداخل. ويوضح الشكل 8 عملية الطباعة.

5. تنعيم السطح

ملاحظة: الخطوات التالية مطلوبة لأن الأسطح الخشنة يمكن أن تضر السفن عن طريق التآكل.

  1. إزالة المؤيدين باستخدام القواطع (الشكل9A). يتم إرفاق المؤيدين في الجزء الداخلي من الدعامة. عند إزالة الدعامات، توخي الحذر الشديد لتجنب تمزيق الدعامات.
  2. فرك السطح مقابل الصنفرة (الشكل9ب) لإزالة خطوط الطبقة، وstriations، أو العيوب على السطح المطبوع. قد تكون هناك حاجة إلى تلميع المتكررة حيث تتم إزالة المؤيدين من قبل القواطع.
  3. طلاء السطح باستخدام رذاذ في موقع جيد التهوية، وارتداء قناع شخصي. تنظيف وتجفيف السطح. حماية من الرش الزائد عن طريق تطبيق طبقات رقيقة من الدهانات المتكررة. استخدام الدهانات السوداء لتعزيز التباين بين نموذج السفينة سيليكون والدعامة (الشكل9C).

6. تشويه الدعامة ثنائية

  1. ضع الدعامات ثنائية في الماء الدافئ بحيث تكون درجة الحرارة أعلى من درجة حرارة انتقال الزجاج. عندما يصبح الدعامات خففت، ودفع نصف الفرع ضد النصف الآخر. عش نصف داخل النصف الآخر، كما هو مبين في الشكل 10A.
  2. أضعاف الفرعين في اسطوانة واحدة بحيث يمكن أن يسافر من خلال السفينة الرئيسية. تنفيذ نفس عملية التداخل إلى الفرع الآخر. وفي وقت لاحق، يتم إغلاق نصفين من الاسطوانات إلى واحد، كما هو مبين في الشكل 10باء.

7 - إدخال الدعامة المزدوجة في الأوعية

  1. ملء خزان بالماء الدافئ. تعيين درجة حرارة المياه إلى 55-60 درجة مئوية. تزج نموذج السفينة سيليكون داخل الخزان. توجيه نموذج بحيث السفينة الرئيسية هي أعلاه والفروع أدناه.
  2. إدراج الدعامة مطوية ثنائية في افتتاح نموذج السفينة سيليكون من فوق. توجيه الدعامة مطوية ثنائية بحيث فروعها هي نحو الافتتاح. وسوف تبدأ الدعامة المطوية المطوية في التوسع، وسوف تقسم الفروع السفلى بحيث ينزلق كل فرع نحو مسار التزاوج من قلب الأوعية على شكل حرف Y (الشكل12).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

في هذا البروتوكول، أظهرنا الإجراءات اللازمة لتلفيق دعامة ثنائية. يستخدم الدعامة بنية kirigami للسماح للدعامة ثنائية الفرو لأضعاف في أنبوب أسطواني مدمج، وهو مناسب جدا للانزلاق من خلال مسارات ضيقة من الأوعية الدموية. يسمح SMP للهيكل مطوية للعودة إلى شكله الأصلي عندما تصل درجة الحرارة إلى درجة حرارة انتقال الزجاج. الشكل الأصلي، 3D المطبوعة باستخدام المواد SMP، يطابق بشكل وثيق السفن المتفرعة. وبعبارة أخرى، فإن السطح الداخلي للأوعية المتفرعة، حيث يتدفق السائل الجسدي، يقابله المزيد من الداخل بسمك الدعامات المنصوص عليها. يتم إنشاء شكل صلب بين السطح الداخلي وسطح الإزاحة. هذا الشكل الصلب يناسب تماما السفينة ويمكن استخدامها كنموذج للدعامة. بسبب قدرة SMP على العودة إلى شكله المحفوظة، فإن هيكل مطوية العودة إلى شكل predeformed مرة واحدة ساخنة فوق درجة حرارة انتقال الزجاج. يمكن تشكيل الدعامات المتفرعة اثنين بسهولة في أنابيب نصف أسطواني من خلال الاستفادة من هيكل kirigami. يتم دمج نصفين من الاسطوانات في اسطوانة واحدة، وقد ثبت هيكل المتحدة لتنزلق من خلال السفينة الرئيسية والوصول إلى منطقة الانقسام. ولإعادة الهيكل المطوي إلى شكله الأصلي، أجريت التجربة في ماء عند درجة حرارة 60 درجة مئوية. وقد تبين أن كل فرع جانبي سيقسم، وسيذهب كل فرع إلى سفن الاقتران التابعة له في منطقة الانقسام. وقد أُدخلت الدعامة المزدوجة في الأوعية على شكل حرف Y ككل، مما يتطلب عملية واحدة فقط. هذا هو أبسط بكثير من العملية التقليدية التي تتطلب الإدراج من كل الدعامة المتفرعة بشكل منفصل. وتبين هذه النتائج أنه من الممكن تبسيط عملية إدخال الدعامة إلى عملية واحدة، في حين أن عمليات الدعامة السابقة تطلبت أن يكون عدد عمليات إدخال دعامات الفرع الجانبي هو نفس عدد الأوعية الدموية المتفرعة الجانبية.

Figure 1
الشكل 1 رسم تخطيطي لتحويل الشكل من SMP. (أ) الشكل المطبوع هو الشكل الأصلي. (B) عندما يسخن فوق درجة حرارة انتقال الزجاج (Tg)، يصبح الهيكل لينة. عند تطبيق قوة، يتم تشويه الهيكل إلى الشكل المطلوب. (C) يتم إصلاح الهيكل إلى شكل مشوه عن طريق التبريد. (D) عند تسخينها مرة أخرى فوق درجة حرارة انتقال الزجاج، يتم إنشاء قوة استرداد تقوم بإرجاع الشكل المشوه إلى شكله الأصلي. (E) الشكل المسترد هو نفس الشكل الأصلي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2 تظهر أسماء أجزاء الأوعية الدموية على شكل Y. السفن على شكل Y لديها سفينة رئيسية وفرع جانبي. وتتألف السفينة الرئيسية من سفينة رئيسية قريبة وسفينة رئيسية أبعد. وتنقسم السفينة الرئيسية القريبة إلى السفينة الجانبية والسفينة الرئيسية البعيدة، التي تقع فوق النواة المنقسمة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3 تصميم الأوعية الدموية: (أ) عرض الجانب الأيمن من الأوعية الدموية على غرار. تم تصميم هذا الجانب كشكل هوك للتعبير عن الطبيعة ثلاثية الأبعاد للأوعية الدموية الحقيقية في جسم الإنسان. (ب) الرؤية الأمامية للأوعية الدموية على غرار. عرض استدارة من الأوعية الدموية على شكل Y وفقا للشكل 2. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4 نموذج الأوعية الدموية سيليكون. يتم استخدام حاوية مصنوعة من لوحات الاكريليك ونماذج الأوعية الدموية المطبوعة 3D كقالب لخلق هذا النموذج المتابعة. تم إجراء نموذج المتابعة باستخدام السيليكون السائل، الذي كان تصلب بعد التجفيف. يتم عرض العرض الأمامي (A) والعرض الجانبي (B). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5 تصميم فروع الدعامات الثنائية باستخدام kirigami. (أ) التصميم المفاهيمي لفرع الدعامة. يتم قطع ورقة على طول الخط الأسود. في وقت لاحق، يتم تطبيق القوى الخارجية في نقاط محددة في الاتجاه المحدد، كما تميز هانحن الحمراء. يتم عرض الهندسة الناتجة للعمليات الموضحة في A إلى اليمين، B. تم تحويل ورقة اللوح إلى شكل أنبوبي ثلاثي الأبعاد. (ب) تصميم دعامة أنبوبي على أساس هيكل kirigami. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 6
الشكل 6 نموذج ثلاثي الأبعاد للدعامة ثنائية الأبعاد. الجذع يستخدم أنماط متموجة مشابهة تماما لتصميم الدعامة التقليدية. يستخدم الفرعان العلويان هياكل كيريجامي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 7
الشكل 7 خيوط SMP. يتم إنتاجه في شكل خيوط سهلة الطباعة باستخدام طابعة 3D التجارية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 8
الشكل 8 صورة لدعامة ثنائية الأبعاد مطبوعة ثلاثية الأبعاد باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد FDM (نمذجة الترسيب المنصهرة). يتم إرفاق الدعامة ثنائية الأبعاد المطبوعة ثلاثية الأبعاد بسرير الطابعة ثلاثيالأبعاد باستخدام شريط لصق على الوجهين لمنع الإخراج من الانزلاق. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 9
الشكل 9 معالجة ما بعد المعالجة للنتيجة المطبوعة ثلاثية الأبعاد. (أ) إبعاد المؤيدين. الدعامة ثنائية الجوف في الداخل، وبالتالي يتطلب مؤيد خلال الطباعة 3D. مطلوب إزالة المؤيدين. (ب) الدعامة المزدوجة مع إزالة المؤيدين. (C) الدعامة ثنائية الفرو هو رذاذ رسمت على النقيض بوضوح من مسارات السيليكون. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 10
الشكل 10 رسم توضيحي للتشوه وشكل الانتعاش للدعامة ثنائية. (أ) يتم تسخين الدعامة لجعلها طيعة. في وقت لاحق، يتم تطبيق القوات لطي الفروع في شكل نصف أسطواني. (B) يتم دمج الأشكال نصف أسطواني في بنية أنبوبي واحد. الخطوات الإجرائية للطي هي من اليسار إلى اليمين، وعملية الاسترداد هو عكس للطي، والذي يحدث من اليمين إلى اليسار. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 11
الشكل 11 الحالة الأصلية والمشوهة للدعامة الثنائية. لاحظ أن الشكل المشوه هو شكل اسطوانة ويمكن إدخالها بسهولة في الجزء الجذع من الأوعية الدموية. عندما يتم تسخين الشكل مطوية بشكل مضغوط فوق درجة حرارة انتقال الزجاج، يعود الشكل إلى شكله الأصلي ثنائي ة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 12
الشكل 12 يتم عرض لقطات الوقت المنقضي من إجراءات استرداد الدعامة مطوية إدراجها في الأوعية الدموية المتفرعة. (أ) تظهر الخطوات الإجرائية التي تتكشف عند إدخال الدعامة الثنائية في السفن على شكل Y. في البداية، يتم إدخال أنبوب أسطواني واحد. يبدأ الأنبوب المدرج في الانقسام بمجرد الوصول إلى النواة الثنائية ويعود إلى شكله الأصلي الذي تم الكشف عنه. (ب) الصور موقوتة من التجربة. يظهر الجزء العلوي الأيسر إدخال الأنبوب المطوي في صندوق افتتاح السفينة. يظهر الجزء العلوي الأيمن تقسيم الدعامة المدرجة في النواة الثنائية. يظهر الصف السفلي استعادة الدعامة والملاءمة الدقيقة للدعامة المزدوجة النهائية التي تناسب تماما مورفولوجيا الأوعية الدموية المستهدفة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Supplementary Figure 1
الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.

Supplementary Figure 2
الرجاء النقر هنا لتحميل هذا الملف.
الملفات التكميلية. النموذج الرقمي لنموذج السفينة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

وغالبا ما تستخدم الدعامات لمسح المسارات الداخلية المسدودة مثل الأوعية الدموية والمسالك الهوائية للمرضى. العملية الجراحية لإدخال الدعامات يتطلب النظر بعناية في مرض المريض والخصائص التشريحية البشرية. شكل السفينة معقد، وتوجد ظروف تفريع متنوعة. ومع ذلك، تستند الإجراءات التشغيلية للدعامات القياسية إلى دعامات منتجة على نطاق واسع ذات أحجام قياسية. في هذا البروتوكول، أظهرنا كيفية تفصيل تصنيع الدعامة على أساس الهندسة الدقيقة للأوعية الدموية. في القيام بذلك، قمنا بتصميم الدعامة بحيث يتم إجراء الداخلية جوفاء وأنابيب أنبوبي السطح سوف أضعاف والعودة إلى التكوين الكامل تتكشف عند تفعيلها. لقد استهدفنا الدعامات ثنائية، والتي تستخدم عادة خلال العمليات مع أعداد متعددة من الدعامات الأنبوبية. يتم تنفيذ تصميم الدعامات ثنائية لدينا ككل، وهناك حاجة إلى عملية واحدة بغض النظر عن مدى تعقيد وعدد الفروع الموجودة في السفن المتفرعة. تقنية التمكين الرئيسية التي استخدمناها لحل المشكلة هي SMP. ومن المتوقع قدرة الهيكل على العودة إلى شكله الأصلي، لذلك تبذل القوى لمنع المسارات الموسعة من إعادة الانكماش.

فكرة هامة أخرى هي استخدام هيكل kirigami. الجزء الأكثر صعوبة هو كيف يمكن للمرء أن يتقلص فروع على شكل Y في أنبوب أسطواني مدمج. تم حل هذه المشكلة باستخدام هيكل kirigami. يتم طي كل فرع في نصف اسطوانات ثم دمجها معا.

وجدنا درجة حرارة مثالية من 220-230 درجة مئوية لحفظ شكل الدعامة ثنائية. وبناء على هذه الحقيقة، تم تعيين درجة حرارة الطارد إلى 230 درجة مئوية. عندما تم تعيين درجة الحرارة فوق هذه درجة الحرارة، تم اختراق دقة الشكل. عندما يتم تعيين درجة الحرارة تحت هذه درجة الحرارة، وSMP انسداد فوهة الطابعة 3D. إذا تم استخدام مواد مختلفة، ثم يجب تعديل درجة حرارة الطارد. تم تعيين درجة حرارة سرير الطابعة في درجة حرارة الغرفة. لقد اختبرنا تشوه غير مرغوب فيه من الهيكل عندما تم تعيين درجة حرارة سرير الطابعة أعلى. بالإضافة إلى ذلك، فمن المستحسن أن يتم تعيين التعبئة الداخلية إلى أعلى من 70٪. ويوصى بتجنب توليد المؤيدين أو التقليل منه إلى أدنى حد، حيث أنهم سيفرضون أعباء إضافية في مرحلة ما بعد المعالجة.

وكانت درجة حرارة انتقال الزجاج من SMP المستخدمة 55 درجة مئوية، وتليين الهيكل المطبوع حدث فوق هذه درجة الحرارة. عند طي الدعامة المطبوعة ثنائية الفرو، ونحن مغمورة الهيكل كله في حمام ساخنة المياه فوق هذه درجة الحرارة. عندما يتم استخدام SMPs مختلفة، ينبغي للمرء أن تجد أولا درجة حرارة الزجاج من مادة معينة. يمكن العثور على خصائص الانتعاش من درجات الحرارة الأخرى في كيم ولي15، حيث تم عرض استجابات أسرع لارتفاع درجات الحرارة.

استخدمنا طابعة FDM 3D لتلفيق الدعامة ثنائية. وكان حجم الدعامة المنتجة أكبر من أن يدخل في أوعية بشرية حقيقية. يجب على الباحثين النظر في استخدام أنواع مختلفة من الطابعات ثلاثية الأبعاد أو الطابعات ثلاثية الأبعاد ذات أقطار فوهة أصغر. هذا الأخير هو من الصعب من الناحية الفنية لأن SMPs غالبا ما تكون لزجة جدا، وسوف تسد بسهولة فوهة، وخاصة عندما يتم استخدام فوهات أصغر قطر الحجم.

والقيود المفروضة على عملنا هي كما يلي. وكانت درجة حرارة انتقال الزجاج عالية جدا ً بحيث لا يمكن استخدامها داخل المرضى. وعلاوة على ذلك، لم يثبت أن هذه المادة بالذات متوافقة بيولوجياً. ومن الأفضل أيضا أن تكون الدعامة قابلة للتحلل البيولوجي عندما لا تحتاج السفينة إلى الدعامة لدعمها من الانهيار. ويمكن حل هذه المشاكل باستخدام أنواع أخرى من الوجبات الخاصة والمزيد من التجارب الحية الواسعة النطاق.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدى أصحاب البلاغ ما يكشفون عنه.

Acknowledgments

تم دعم هذا العمل من قبل معهد تخطيط وتقييم تكنولوجيا المعلومات والاتصالات (IITP) منحة بتمويل من الحكومة الكورية (MSIT) (رقم 2018-0-01290، وتطوير مجموعة بيانات مفتوحة وتكنولوجيا المعالجة المعرفية ل الاعتراف بالميزات المستمدة من البشر غير المنظمين (ضباط الشرطة، وضباط السلامة المرورية، والمشاة، وما إلى ذلك) الاقتراحات المستخدمة في السيارات ذاتية القيادة) ومنحة معهد البحوث GIST (GRI) التي يمولها GIST في عام 2019.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Fortus380mc Stratasys Fortus 380mc FDM 3D printer for printing blood vessel mock-up
Moment1 3D printer Moment Moment 1 FDM 3D printer for printing bifurcated stent
PC(white) Filament Canister Stratasys PC(white) Filament Canister PC filament for printing blood vessel mock-up
PLM software NX 10.0 Siemens NX 10.0 3D CAD modeling software
Sandpaper DAESUNG CC-600CW Smooting out the surface of the bifurcated stent 
Shape Memory Polymer filament SMP Technologies Inc MM-5520 Shape memory polymer filament
silicon Shinetus KE-1606 silicon for blood vessel mock-up
Simplify3D Simplify3D Simplify3D 4.0.1 Slicing software for model slicing 

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics