4 ד מודפס סטנטים מלאכותיים עם מבנים בהשראת Kirigami

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

באמצעות מדפסת תלת-ממדית, פילמנט פולימר מסוג הצורה הינו הבלטת ממד כדי ליצור מבנה צינורי בענף. המבנה הוא בדוגמת ובצורת כך שהוא יכול להתכווץ לתוך טופס קומפקטי פעם מקופל ולאחר מכן לחזור לצורתו הנוצרת כאשר מחוממת.

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

כלי שיט, בדרך כלל בצורת האות "Y", ניתן לצמצם או לחסום, וכתוצאה מכך בעיות בריאותיות חמורות. סטנטים משומנים, החלולים בפנים ובעלי צורה מבפנים לכלי השיט, מוכנסים בניתוח בתוך כלי השיט, משמשים כמבנה תומך כך שנוזלי גוף יכולים לנוע בחופשיות דרך פנים הסטנטים ללא בחסימת הכלים המצלוקים או החסומים. עבור סטנט מורכב להיות פרוס באתר היעד, זה צריך להיות מוזרק בתוך הכלי ולנסוע בתוך כלי כדי להגיע לאתר היעד. קוטרו של כלי הקיבול קטן בהרבה מהספרה התוחמת של הסטנט הביפראני; לכן, טכניקה נדרשת כך הסטנט שחור נשאר קטן מספיק כדי לנוע דרך כלי ומתרחב בכלי הספינה ממוקד. שני התנאים הסותרים, כלומר, קטנים מספיק כדי לעבור ולגדול מספיק כדי לתמוך באופן מבנית במעברים המצתים, הם קשים מאוד לסיפוק בו זמנית. אנו משתמשים בשתי טכניקות כדי למלא את הדרישות הנ ל. ראשית, על הצד החומרי, פולימר זיכרון הצורה (SMP) משמש לאתחול עצמי שינויים הצורה מ קטן לגדול, כלומר, להיות קטן כאשר הוכנס והופך גדול באתר היעד. שנית, בצד העיצוב, דפוס kirigami משמש כדי לקפל את צינורות הסתעפות לתוך צינור אחד עם קוטר קטן יותר. הטכניקות המוצגות ניתן להשתמש כדי להנדס מבנים שניתן לדחוס במהלך התחבורה ולחזור לצורה מיומנת פונקציונלית שלהם כאשר מופעל. למרות שעבודתנו מכוונת על סטנטים רפואיים, יש לפתור בעיות ביותאימות לפני שימוש קליני בפועל.

Introduction

סטנטים משמשים להרחבת מעברים או הקצצות בבני אדם, כגון כלי דם ונתיבי נשימה. סטנטים הם מבנים צינורי הדומים למעברים ולתמיכה מכנית במעברים מקריסה נוספת. בדרך כלל, סטנטים מתכתיים בעלי התרחבות עצמית (SEMS) מאומצים באופן נרחב. סטנטים אלה עשויים מסגסוגות מורכבות מקובלט כרום (פלדת אל-חלד) ומניקל-טיטניום (ניטינול)1,2. החיסרון של סטנטים מתכתיים הוא שנמק בלחץ יכול להתקיים במקום שבו חוטי המתכת של הסטנט מגיעים במגע עם הרקמות החיות והסטנטים מושפעים. יתר על כן, כלי הדם של הגוף יכול להיות בצורה אסימטרית והם הרבה יותר מורכבים מאשר מבנים הכרישים פשוטה. בפרט, ישנם הרבה הליכים קליניים מיוחדים כדי להתקין סטנטים בענף לומן. ב לומן בצורת Y, שני סטנטים גליליים מוכנסים בו זמנית ומחוברים בסניף3. עבור כל ענף נוסף, יש לנהל נוהל כירורגי נוסף. ההליך מצריך רופאים מאומנים במיוחד, וההכנסה מאתגרת מאוד בשל התכונות הבולטות של סטנטים הסוקנים.

מורכבות הצורה של סטנטים ביפורבית הופכת אותו ליעד מתאים מאוד להדפסה תלת ממדית. סטנטים קונבנציונליים מיוצרים בכמויות בגדלים ובצורות סטנדרטיות. באמצעות מתודולוגיה לייצור הדפסה תלת ממדית, ניתן להתאים אישית את צורת הסטנט לכל מטופל. מכיוון שצורות משמשות על-ידי הוספת שכבה-אחר-שכבה של הצורות הסקצריות של אובייקט היעד, בתאוריה, ניתן להשתמש בשיטה זו כדי להמציא חלקים מכל צורה וגודל. סטנטים קונבנציונליים בעיקר מגליתים בצורה. עם זאת, לכלי הדם יש ענפים, והקטרים משתנים לאורך הצינורות. באמצעות הגישה המוצעת, ניתן לאכלס את כל הווריאציות האלה בצורות ובגדלים. בנוסף, למרות שלא הפגינו, החומרים המשמשים גם יכול לשנות בתוך סטנט אחד. לדוגמה, אנו יכולים להשתמש בחומרי שימוש בחומרים מסוימים, היכן שהתמיכה נחוצה וחומרים רכים יותר בהם נדרשת גמישות רבה יותר.

הצורה משנה את הדרישה של שיחות סטנטים ביופורטיים להדפסת 4 ד, כלומר, הדפסה תלת-ממדית עם התחשבות נוספת בזמן. 3D מבנים מודפסים שנוצרו באמצעות חומרים מיוחדים ניתן לתכנת כדי לשנות את צורתם על ידי גירוי חיצוני, כגון חום. השינוי מתמשך בעצמו ואינו דורש מקורות כוח חיצוניים. אחד החומר המיוחד המתאים הדפסה 4d הוא smp4,5,6,7,8,9, אשר מציג אפקטים של זיכרון צורה כאשר נחשפים ל חומר ספציפי המפעיל טמפרטורה מעבר זכוכית. בטמפרטורה זו, המקטעים הופכים לרכים כך שהמבנה חוזר לצורתו המקורית. לאחר המבנה הוא 3D מודפס, הוא מחומם לטמפרטורה מעט מעל טמפרטורת המעבר זכוכית. בשלב זה המבנה הופך להיות רך, ואנו מסוגלים לגבש את הצורה על-ידי החלת כוחות. תוך שמירה על הכוחות המוחלים, המבנה מתקרר, הופך להיות מוקשח ושומר על צורתו המעוותת, גם לאחר הסרת הכוחות המוחלים. לאחר מכן, בשלב הסופי, כאשר המבנה צריך לחזור לצורתו המקורית, כגון הרגע שבו המבנה מגיע לאתר היעד, החום מסופק כך שהמבנה מגיע לטמפרטורת מעבר הזכוכית שלו. לבסוף, המבנה חוזר לצורתו המקורית בעלת הערך. איור 1 ממחיש את השלבים השונים שהוסברו בעבר. את smps ניתן למתוח בקלות, ויש כמה smps מתכלה ביולוגי9,10. ישנם שימושים רבים עבור smps בתחום הרפואה9,10, ו סטנטים11,12 הם אחד מהם.

דפוסי הסטנטים והעיצוב המתקפל עקבו אחר עיצוב הנייר היפני המכונה "kirigami". תהליך זה דומה לטכניקת קיפול הנייר הידוע בשם "אוריגמי", אך ההבדל הוא שבנוסף לקיפול, חיתוך הנייר מותר גם בעיצוב. טכניקה זו שימש באמנות גם הוחל ביישומים הנדסיים2,3,13,14. בקיצור, kirigami יכול לשמש כדי להפוך מבנה מישורי למבנה תלת מימדי על ידי החלת כוחות במקומות מעוצבים במיוחד. בדרישות העיצוב שלנו, סטנט צריך להיות צורה גליל פשוט כאשר הוכנס לתוך המסלולים, והצילינדר צריך להתחלק לאורך אורכו שבו כל חצי צריך להתפתח לצורה גליל מלא בכלי הספינה ממוקד. הפתרון טמון בעובדה שהספינה הראשית והענפים הצדדיים מקופלים לצילינדר אחד, כך שהענפים הצדדיים לא יפריעו לקירות כלי הקיבול בזמן ההוספה. אות הפקודה התגלגלות מגיע העלייה בטמפרטורת הסביבה מעל טמפרטורת המעבר זכוכית של SMP. בנוסף, הקיפול ייערך מחוץ לגוף המטופל על ידי ריכוך הסטנט המודפס התלת-ממדי וקיפול הענף הצדדי לתוך כלי הקיבול הראשי.

שיטות קונבנציונליות נדרשות להוספה של סטנטים גליליים מרובים שמספרם שווה למספר הענפים. שיטה זו הייתה בלתי נמנעת, משום שהבליטות של הענפים הצדדיים כללו את קירות המסלולים והפכו אותו לבלתי אפשרי להכניס סטנט מלא בשלמותו. באמצעות מבנה kirigami הדפסה 4D, הבעיות הנ ל ניתן לפתור. פרוטוקול זה מציג גם את ההדמיה של האפקטיביות של השיטה המוצעת באמצעות מודל כלי סיליקון מפוברק לאחר הצורה של כלי הדם. באמצעות זה מדגם-up, את האפקטיביות של ההמצאה המוצעת במהלך תהליך הכניסה ואפשרויות נוספות של יישומים חדשים ניתן לראות.

מטרת פרוטוקול זה היא לשרטט באופן ברור את השלבים המעורבים בהדפסת SMP באמצעות מדפסת מידול לתצהיר מחובר (FDM). בנוסף, טכניקות הכרוכות בביטול סטנטים הניתנים להדפסה מודפסים למדינה המקופלת, החדרת סטנטים מלאכותיים המקופלים לאתר היעד, והאיתות והתפתחות המבנה לצורתו המקורית מוענק בפרוטרוט. הפגנה של ההכנסה משתמשת בסיליקון מבוים של כלי דם. הפרוטוקול גם מספק את ההליכים המעורבים בדיית המודל הזה באמצעות מדפסת תלת-ממד ודפוס.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. מדגם כלי דם להפגנה

  1. הגדר את קוטר הכלי הראשי האבובי ל -25 מ"מ, הקטרים של כלי הקיבול העיקרי והענף הצדדי השווה ל -22 מ"מ. הגדר את האורך הכולל של כלי הקיבול השווה ל 140 מ"מ. הגדר את אורך הספינה הראשית האבופית, הכלי העיקרי והענף הצדדי ל -6 5 מ"מ, 75 מ"מ ו 65 מ"מ, בהתאמה. כלי הדם המלא מוצג באיור 2 ואיור 3.
  2. הדפס את מודל המחשב של כלי הקיבול באמצעות מדפסת תלת-ממד מסוג FDM. . השתמש בחוט פוליקרבונט

2. כלי דם בייצור מבוים על ידי דפוס

  1. צור מכולה בצורת תיבה שתגרום לבית את החלק המודפס התלת-ממדי. הגדר את ממדי המיכל כדי 110 x 105 x 70 מ"מ ולהשתמש לוחית אקריליק.
  2. עם כלי מודפס תלת-ממד ממוקם במרכז התיבה, בעדינות לשפוך את הסיליקון בתוך המיכל כדי למזער את היווצרות בועה. נגב את הסיליקון הנוזלי והכה אותו במשך 36 ~ 48 שעות.
  3. להסיר סיליקון התחזק מתוך המיכל ולחתוך אותו לחצי כדי להסיר את החלק המודפס 3D. הצטרף לסיליקון המחולק. במטוס החתוך הגוף המצורף המתקבל הוא כלי הדם מדגם. התוצאה הסופית מוצגת באיור 4.

3. עיצוב סטנט בענף מבוסס על kirigami

הערה: הגודל של סטנט בענף עשוי להתאים בצורה מבשלה בתוך מסלול Y בצורת מדגם של כלי הדם. הפנים מורכב חלול, ואת פני השטח הכרישים שינוי נועדו לקפל פונקציונלית ולחזור לתצורה מלא הפרש.

  1. לעצב את המטען של סטנט הביפררר בעקבות דפוסים גליים דומים סטנטים קונבנציונליים. הגדר את קוטר העורק ל -22 מ"מ ואורכו של העורק ל 38 מ"מ.
  2. עצב את הענפים הביופרטיות כדי להיות גליל, כמוצג באיור 5ב. הגדר את קוטר הענף ל -18 מ"מ ואורך הענף ל 34 מ"מ.
  3. הגדר את האורך הכולל של סטנט ל 72 מ"מ. הצורה הסופית מוצגת באיור 6.

4. הדפסה תלת ממדית עם חוטי SMP

  1. הדפס את הסטנט הדו במדפסת תלת-ממד של FDM בעזרת חוט מיון SMP. ההרכב העיקרי של חוט הלהט הזה הוא פוליאוריתן. הספק המסחרי מספק גם חוטים אלה בצורה של כדורי, כך שמשתמש הקצה יכול גם להוסיף חומרים נוספים כדי להתאים את מאפייני החומר (איור 7).
  2. השתמשו בתוכנת פריסה לחיתוך מודלים ולשליטה בהגדרות המדפסת התלת-ממדית. הגדר את טמפרטורת הבלטת משטח ל-230 ° צ' ולטמפרטורת המדפסת לטמפרטורת החדר. הגדר את גובה השכבה ל 0.1 מ"מ כדי למזער את אפקט מדרגות המדרגות.
  3. הגדר את מהירות ההדפסה ל-3,600 mm/min. הגדר את כמות אחוז המילוי הפנימי ל-80%. כלול את היווצרות תומך במהלך ההדפסה, אשר נדרש בגלל המבנה חלול בפנים. איור 8 ממחיש את תהליך ההדפסה.

5. החלקת המשטח

הערה: השלבים הבאים נדרשים מכיוון שמשטחים מחוספסים עלולים לגרום נזק לכלי בשחיקה.

  1. הסר את התומכים באמצעות מחתך (איור 9א). התומכים מחוברים בפנים של הסטנט. בעת הסרת סטנטים, יש לנקוט זהירות קיצונית כדי להימנע מקריעת סטנטים.
  2. שפשף את פני השטח מול נייר זכוכית (איור 9ב) כדי להסיר את שורות השכבה, הסטריציות או הפגמים במשטח המודפס. ייתכן שיהיה צורך בליטוש חוזר במקום בו התומכים מוסרים על ידי החותכי.
  3. צבעו את המשטח בעזרת תרסיס במיקום מאוורר היטב, וחבוש מסכה אישית. . נקי, חול ויבש את פני השטח הגנה מפני התזת יתר על ידי החלת שכבות דקות של צבעים חוזרים. השתמשו בצבעים שחורים כדי לשפר את הניגוד בין דגם כלי הסיליקון לבין הסטנט (איור 9ג).

6. היווצרות סטנט ביקרר

  1. מניחים את הסטנטים הביופרמיים במים חמימים, כך שהטמפרטורה מעל טמפרטורת המעבר מזכוכית. כאשר סטנט הופך מתרכך, לדחוף חצי אחד הענף נגד החצי השני. לקנן חצי אחד בחצי השני, כפי שמוצג באיור 10א.
  2. מקפלים את שני הענפים לתוך גליל אחד, כך שהוא יכול לנסוע דרך כלי הקיבול הראשי. בצע את אותו תהליך קינון לענף השני. לאחר מכן, שני חצאים של צילינדרים סגורים לתוך אחד, כפי שמוצג באיור 10ב.

7. החדרת סטנט מורכב לתוך כלי הדם

  1. ממלאים טנק עם מים חמים. הגדר את טמפרטורת המים ל-55-60 ° c. לטבול את כלי הסיליקון מדגם בתוך המיכל. כוון את הדגם כך שהספינה הראשית מעליה והענפים נמצאים למטה.
  2. הכנס את סטנט הביופרלי המקופל לפתיחת כלי הסיליקון דגם מלמעלה. האוריינט הסטנט המקופל מקופל כך שענפיו כלפי הפתח. סטנט מקופלת מקופל יתחיל להתרחב, ואת הענפים התחתון יהיה לחלק כזה שכל ענף יחליק לעבר מסלול ההזדווגות שלה מליבת הביקטיון של כלי בצורת Y (איור 12).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

בפרוטוקול הזה, הצגנו את ההליכים. הדרושים להפיית סטנט מורכב סטנט משתמש במבנה kirigami כדי לאפשר סטנט ביפולרר לקפל לתוך צינור גליל קומפקטי, אשר מתאים מאוד להחליק דרך מסלולים צרים של כלי הדם. ה-SMP מאפשר למבנה המקופל לחזור לצורתו המקורית כאשר הטמפרטורה מגיעה לטמפרטורת מעבר הזכוכית. הצורה המקורית, תלת-ממד המודפסת באמצעות החומר SMP, מתאימה באופן הדוק לכלי השיט בענף. במילים אחרות, המשטח הפנימי של האוניות בענף, שבו נוזל הגוף זורם, הוא קיזוז נוסף בתוך העובי שנקבעו של סטנט מפוברק. צורה מוצקה נוצרת בין המשטח הפנימי לבין משטח ההסטה. זו צורה מוצקה בדיוק מתאים לכלי והוא יכול לשמש כמודל עבור סטנט. בשל היכולת של ה-SMP לחזור לצורתו השקופה, המבנה המקופל יחזור לצורה המעוותת לאחר שחומם מעל לטמפרטורת המעבר בזכוכית. שני סטנטים מסוקנים יכולים להיווצר בקלות בצינורות חצי-גליליים על-ידי ניצול מבנה הkirigami. שני החצאים של צילינדרים ממוזגים לתוך גליל אחד, והמבנה המאוחדת הוכח להחליק דרך הכלי הראשי ולהגיע לאזור הביקטיון. כדי להחזיר את המבנה המקופל לצורתו המקורית, הניסוי בוצע במים בטמפרטורה של 60 ° c. הוכח שכל ענף צדדי מתחלק, וכל ענף ילך לכלי הזיווג שלה באזור הביקטיון. הסטנט המוחדר הוכנס לכלי בצורת Y כמכלול המחייב רק פעולה אחת. זה הרבה יותר פשוט מאשר הפעולה המקובלת הדורשת הוספות של כל סטנט הסתעפות בנפרד. תוצאות אלה מראות כי ניתן לפשט את פעולת הכניסה סטנט לפעולה אחת, בעוד פעולות סטנט הקודם נדרש את מספר הוספות סטנטים צד להיות זהה למספר כלי הדם הסתעפות בצד.

Figure 1
איור 1 : התמרת צורה דיאגרמה של SMP. (א) הצורה המודפסת היא הצורה המקורית. (ב) כאשר הוא מחומם מעל טמפרטורת המעבר מזכוכית (Tg), המבנה הופך רך. כאשר מוחל כוח, המבנה מעוות לצורה הרצויה. (ג) המבנה קבוע לצורה מעוותת על ידי קירור. (ד) כאשר התחמם שוב מעל טמפרטורת המעבר זכוכית, כוח שחזור המחזיר את הצורה מעוותת לצורתו המקורית נוצרת. (ה) הצורה המשוחזרת זהה לצורה המקורית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 2
איור 2 : שמות חלקי כלי הדם בצורת Y מוצגים. כלי בצורת Y כוללים כלי ראשי וענף צדדי. כלי הקיבול הראשי מורכב מכלי. קיבול ראשי וכלי קיבול מרכזי הספינה הראשית האבותית מחולקת לכלי הקיבול ולכלי הקיבול המרכזי, הנמצא מעל הליבה הביופרתית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 3
איור 3 : עיצוב כלי הדם. (א) צד ימין להציג את כלי הדם המודל. הצד הזה מעוצב כצורת וו כדי לבטא את הטבע התלת-מימדי של כלי דם אמיתי בגוף האדם. (ב) מבט חזיתי של כלי הדם המודל. תצוגה מסובבת של כלי הדם בצורת Y לפי איור 2. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 4
איור 4 : כלי דם סיליקון מבוים. מכולה שנעשתה עם צלחות אקריליק ו 3D מודפס כלי דם מודלים משמשים כתבנית כדי ליצור את זה מבוים. המודל נעשה באמצעות סיליקון נוזלי, שהיה מוקשה לאחר ייבוש. התצוגה הקדמית (A) והתצוגה הצדדית (B) מוצגים. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 5
איור 5 : עיצוב ענפים של סטנט ביפוררר באמצעות kirigami. (א) עיצוב קונספטואלי של ענף סטנט. הגיליון נחתך לאורך הקו השחור. לאחר מכן, כוחות חיצוניים מוחלים בנקודות הספציפיות בכיוון שצוין, כפי שמסומן בחצים אדומים. הגיאומטריה המתקבלת של הפעולות המתוארות ב-A מוצג מימין, B. סדין מישורי הוסב לצורת צינורי תלת-ממדית. (ב) העיצוב של סטנט צינורי המבוסס על מבנה kirigami. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 6
איור 6 : הדגם התלת מימדי של סטנט מורכב. העורק משתמש בדפוסים גליים דומים מאוד לעיצוב הסטנט המקובל. שני ענפים עליונים לנצל מבנים kirigami. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 7
איור 7 : חוט הלהט Smp. הוא מופק בצורת פילמנט קל להדפסה באמצעות מדפסת תלת-ממד מסחרית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 8
איור 8 : תמונה של סטנט תלת-ממדי מודפס מורכב באמצעות FDM (מידול תצהיר התמזגו) 3d מדפסת. סטנט תלת-ממדי מודפס מוצמד למיטת המדפסת התלת-ממדית באמצעות סרט הדבקה דו צדדי כדי למנוע החלקה של הפלט. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 9
איור 9 : עיבוד הדואר של התוצאה המודפסת תלת-ממדית. (א) הסרה של תומכי התומכים. סטנט ביפוררר חלול בפנים ובכך דורש תומך במהלך הדפסה תלת-ממדית. הסרת התומכים נדרשת. (ב) סטנט הביפררר עם התומכים הוסרו. (ג) סטנט הביפררר הוא ספריי צבוע כדי להבדיל בבירור ממסלולי הסיליקון. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 10
איור 10 : איור של דפורמציה ואת צורת ההחלמה של סטנט ביפוררר. (א) סטנט מחומם כדי להפוך אותו מחושל. לאחר מכן, מוחלים כוחות כדי לקפל את הענפים לצורת חצי גליל. (ב) צורות חצי-גליליות משולבות למבנה צינורי אחד. הצעדים הפרוצדורליים המתקפלים הם משמאל לימין, ותהליך ההחלמה הוא היפוך הקיפול, המתרחש מימין לשמאל. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 11
איור 11 : המצב המקורי והמעוות של סטנט הביפררר. שימו לב לצורה המעוותת היא צורת גליל וניתן להוסיפה בקלות לחלק העורק של כלי הדם. כאשר הצורה בדיוק מקופל מחומם מעל טמפרטורת המעבר זכוכית, הצורה חוזרת לצורתו המקורית הביופרטית. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Figure 12
איור 12 : הזמן שנגמר היריות של הליכים מחלים של סטנט מקופל הוכנס לתוך כלי הדם בענף מוצגים. (א) צעדים התפתחות פרוצדורליים כאשר הסטנט הדו מוכנס לתוך כלי בצורת Y מוצגים. בתחילה, מוכנס צינורית גליל אחת. הצינור שהוכנס מתחיל להתחלק פעם אחת להגיע לליבה הביופרטית וחוזר לצורתו המקורית המופרש. (ב) תמונות מתוזמן של הניסוי. השמאלית העליונה מראה את החדרת הצינור המקופל לתוך העורק הפותח של כלי הקיבול. הימנית העליונה מראה את החלוקה של סטנט שהוכנס על הליבה הדו. השורה התחתונה מראה את ההתאוששות של סטנט ואת ההתאמה המדויקת של סטנט ביפרנל הסופי המתאים באופן מושלם את המבנה של כלי הדם מיקוד. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.

Supplementary Figure 1
אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.

Supplementary Figure 2
אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קבצים משלימים. הדגם הדיגיטלי של דגם כלי הקיבול.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

סטנטים משמשים לעתים קרובות כדי לנקות את המסלולים הפנימיים הסתומים כגון כלי הדם ונתיבי הנשימה של החולים. פעולה כירורגית של החדרת סטנטים דורשת שיקול קפדני של מחלת החולה ומאפיינים אנטומיים אנושיים. צורת הכלי מורכבת וקיימים תנאי הסתעפות מגוונים. עם זאת, הנהלים הסטנדרטיים סטנט מבוססים על סטנטים המיוצרים המוני עם גדלים סטנדרטיים. בפרוטוקול זה, הצגנו כיצד להתאים אישית את הייצור של הסטנט בהתבסס על הגיאומטריה המדויקת של כלי הדם. בלעשות זאת, עיצבנו את הסטנט כך הפנים מעשה חלול ואת פני השטח שינוי הצינורי יהיה לקפל ולחזור לתצורה המלאה הלאה כאשר מופעל. יש לנו ממוקד סטנטים מלאכותיים, אשר משמשים בדרך כלל במהלך פעולות עם מספר רב של סטנטים צינורי. העיצוב של סטנטים הביופרקיים שלנו מבוצע כמכלול, ונדרש ניתוח יחיד ללא קשר למידת המורכבות ולמספר הענפים הקיימים בכלי השיט. הטכניקה המאפשרת המפתח שנהגנו לפתור את הבעיה היא ה-SMP. היכולת של המבנה לחזור לצורתו המקורית צפויה, ולכן הכוחות מופעל כדי למנוע את המסלולים המורחבים מן ההתכווצות מחדש.

רעיון חשוב נוסף הוא השימוש במבנה kirigami. החלק הקשה ביותר הוא כיצד ניתן לכווץ את הענפים בצורת Y לתוך צינורית גליל קומפקטית. בעיה זו נפתרה באמצעות מבנה kirigami. כל ענף מקופל לחצי צילינדרים ולאחר מכן ממוזג יחד.

מצאנו טמפרטורה אופטימלית של 220-230 מעלות צלזיוס כדי לשנן את צורת סטנט ביפוררר. בהתאם לעובדה זו, טמפרטורת הבלטת מכבש הוגדרה כ-230 ° c. כאשר הטמפרטורה הוגדרה מעל טמפרטורה זו, הדיוק של הצורה נפרץ. כאשר הטמפרטורה מוגדרת מתחת לטמפרטורה זו, ה-SMP הסתומות את זרבובית המדפסת התלת-ממדית. אם נעשה שימוש בחומרים שונים, יש לכוונן את טמפרטורת הבלטת ממד. הטמפרטורה של מיטת המדפסת הוגדרה בטמפרטורת החדר. אנו חוו עיוות בלתי רצוי של המבנה כאשר הטמפרטורה במיטה המדפסת הוגדר גבוה יותר. בנוסף, מומלץ כי המילוי הפנימי מוגדר מעל 70%. מומלץ להימנע או למזער את דור התומכים, שכן הם יכפו עול נוסף בעיבוד הדואר.

טמפרטורת מעבר הזכוכית של ה-SMP הייתה בשימוש היה 55 ° c, וריכוך המבנה המודפס עלה מעל טמפרטורה זו. כאשר מתקפלים סטנט מורכב מודפס, אנו שקוע את כל המבנה לתוך אמבטיה מחוממת מים מעל טמפרטורה זו. כאשר נעשה שימוש ב-SMPs שונים, יש למצוא תחילה את טמפרטורת הזכוכית של החומר המסוים. מאפייני ההתאוששות של טמפרטורות אחרות ניתן למצוא קים ולי15, שם התגובות מהר יותר הוצגו לטמפרטורות גבוהות יותר.

השתמשנו במדפסת תלת-ממד של FDM כדי להמציא את הסטנט הביופראני. הגודל של סטנט המיוצר היה גדול מדי כדי להיות מוכנס לתוך כלי האנושי האמיתי. החוקרים צריכים לשקול שימוש בסוגים שונים של מדפסות תלת-ממד או מדפסות תלת-ממד עם קטרים קטנים יותר של חרירים. האחרון הוא מבחינה טכנית קשה כי SMPs הם לעתים קרובות צמיגי מאוד ובקלות לסתום את הזרבובית, במיוחד כאשר בגודל קטן יותר חרירים משמשים.

המגבלות של עבודתנו הן כדלקמן. טמפרטורת המעבר זכוכית היה גבוה מדי כדי לשמש בתוך החולים. יתר על כן, חומר מסוים זה לא הוכח להיות תואם biocompatible רצוי גם כי סטנט להיות מתכלה כאשר כלי כבר לא צריך סטנט כדי לתמוך בו מתמוטט. ניתן לפתור בעיות אלה עם שימוש בסוגים אחרים של SMPs ועוד ניסויים חיים נרחבים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgments

עבודה זו נתמכת על ידי המכון למידע & התכנון וההערכה של טכנולוגיית תקשורת (iitp) מענק ממומן על ידי ממשלת קוריאה (msit) (מס ' 2018-0-01290, פיתוח מערכת נתונים פתוחה וטכנולוגיית עיבוד קוגניטיבית ל הכרה בתכונות הנגזרות מבני אדם בלתי מובנים (שוטרים, קציני בטיחות תעבורה, הולכי רגל, וכו ') תנועות המשמשות מכוניות נהיגה עצמית) ואת מכון מחקר של מרכז המחקר (מענק) ממומן על ידי התמצית ב 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