4D 打印分叉支架与基里加米启发结构

Engineering

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Summary

使用 3D 打印机,将形状记忆聚合物灯丝拉伸成分支管状结构。结构是图案和形状的,这样一旦折叠,它可以收缩成紧凑的形式,然后在加热时返回到其形成的形状。

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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).

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Abstract

分支容器,通常以字母"Y"的形式,可以缩小或阻塞,导致严重的健康问题。分叉支架,在内侧和外部形状为空心的分支血管,手术插入分支血管内,作为支撑结构,使体液可以自由通过支架的内部,而无需被狭窄或阻塞的船只阻塞。要在目标地点部署分叉支架,需要将其注入船只内部,并在船只内行驶才能到达目标地点。容器的直径比分叉支架的边界球小得多;因此,需要一种技术,使分叉支架保持足够小,以穿过容器并扩展到目标分支容器。这两个相互矛盾的条件,即小到足以通过,大到足以结构支持狭窄的通道,是极其困难的满足同时。我们使用两种技术来满足上述要求。首先,在材料方面,形状记忆聚合物 (SMP) 用于自启动形状从小到大的变化,即插入时变小,在目标站点变大。其次,在设计方面,使用 kirigami 图案将分支管折叠成直径较小的单个管。所展示的技术可用于设计可在运输过程中压缩的结构,并在激活时恢复到功能熟练的形状。虽然我们的工作以医疗支架为目标,但生物相容性问题在实际临床使用之前需要解决。

Introduction

支架用于拓宽人类的狭窄通道或带支架的通道,如血管和气道。支架是类似通道的管状结构,机械地支撑通道的进一步坍塌。通常,自膨胀金属支架 (SEMS) 被广泛采用。这些支架由由钴铬(不锈钢)和镍(硝醇)1、2组成的合金制成。金属支架的缺点是,当支架的金属导线与活组织接触并影响支架时,可能存在压力坏死。此外,身体的血管可以不规则的形状,比简单的管状结构复杂得多。特别是,有许多专门的临床程序,以安装支架在分支流明。在 Y 形流明中,两个圆柱形支架同时插入并连接在分支3处。对于每个额外的分支,需要进行额外的外科手术。手术需要经过专门培训的医生,由于分枝支架的突出特征,插入极具挑战性。

分叉支架形状的复杂性使其成为 3D 打印的非常合适的目标。传统的支架以标准化尺寸和形状大规模生产。使用 3D 打印制造方法,可以为每个患者自定义支架的形状。由于形状是通过逐层添加目标对象的截面形状来制作的,因此从理论上讲,此方法可用于制造任何形状和大小的零件。传统的支架大多是圆柱形的。然而,人类血管有分支,直径沿管变化。使用建议的方法,可以适应所有形状和尺寸的变化。此外,虽然没有演示,使用的材料也可以在一个单一的支架内变化。例如,我们可以在需要支持的地方使用更硬的材料,在需要更大的灵活性时使用更柔软的材料。

分叉支架的形状变化要求4D打印,即3D打印与时间的额外考虑。使用专用材料形成的 3D 打印结构可以通过外部刺激(如热量)来改变形状。转换是自我维持的,不需要外部电源。一种适合 4D 打印的特殊材料是 SMP4、5、6、7、8、9,它暴露在材料特定的触发玻璃过渡温度。在此温度下,线段变软,使结构返回到其原始形状。结构进行 3D 打印后,将其加热到略高于玻璃过渡温度的温度。此时,结构变得柔软,我们能够通过施加力来变形形状。在保持施加力的同时,结构会冷却、硬化并保持其变形形状,即使在应用力被移除后也是如此。随后,在最后阶段,当结构需要恢复到其原始形状时,例如结构到达目标地点的时刻,提供热量,使结构达到其玻璃过渡温度。最后,结构返回到其记忆的原始形状。图 1说明了前面解释的各个阶段。SM可以很容易地拉伸,并且有一些SM是生物相容性和可生物降解的9,10。在医学9、10和支架11、12是其中一种,SM在医学领域有许多用途。

支架的图案和折叠设计遵循日本剪纸设计称为"kirigami"。这个过程类似于著名的折纸技术称为"折纸",但不同的是,除了折叠,在设计中还允许切割纸张。这项技术已应用于艺术,并已应用于工程应用2,3,13,14。简而言之,kirigami 可用于通过在专门设计的点处施加力将平面结构转换为三维结构。在我们的设计要求中,支架在插入通路时需要是一个简单的圆柱形,圆柱体应沿其长度进行分割,每半形状应在目标分支容器处展开为完全圆柱形。解决办法在于,主容器和侧分支折叠成一个圆柱体,使侧分支在插入过程中不会干扰容器的壁。展开的命令信号来自环境温度高于 SMP 玻璃过渡温度的增加。此外,通过软化3D打印的分叉支架和将侧分支折叠到主容器中,在患者身体外进行折叠。

传统方法要求插入多个圆柱形支架,其数量等于分支数。这种方法是不可避免的,因为侧枝的突起阻碍了路径的墙壁,使得不可能完全插入一个完全的分叉支架。使用 kirigami 结构和 4D 打印,可以解决上述问题。该协议还显示了使用血管形状后制造的硅胶容器模型对所建议方法有效性的可视化。通过这个模型,可以看到建议的发明在插入过程中的有效性以及新应用的进一步可能性。

此协议的目的是清楚地概述使用熔融沉积建模 (FDM) 打印机打印 SMP 所涉及的步骤。此外,还详细介绍了将打印的分叉支架变形到折叠状态、将折叠的分叉支架插入目标部位以及结构向原始形状展开的信号和展开的技术。插入的演示利用血管的硅胶模型。该协议还提供了使用 3D 打印机和成型来制造此模型所涉及的过程。

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Protocol

1. 示范用血管模型设计

  1. 将近端主容器的直径设置为25毫米,远端主容器和侧分支的直径等于22毫米。将容器的总长度设置为140毫米。将近端主容器、远端主容器和侧分支的长度设置为6。5 毫米、75 毫米和 65 毫米。完整的血管如图2图3所示。
  2. 使用 FDM 3D 打印机打印分支容器的计算机模型。使用聚碳酸酯灯丝。

2. 血管模塑制造

  1. 创建一个框形容器,用于容纳 3D 打印零件。将容器尺寸设置为 110 x 105 x 70 mm 并使用丙烯酸板。
  2. 将 3D 打印的分支容器放置在包装盒的中心,轻轻将硅胶倒入容器内,以尽量减少气泡形成。干燥液体硅胶并硬化36~48小时。
  3. 从容器中取出凝固硅胶,将其切成两半,以移除 3D 打印部件。在切割平面上重新加入分裂的硅胶。由此产生的连接体是血管模型。最终结果如图4所示。

3. 基于基里加米的分支支架的设计

注:分枝支架的大小要紧贴地适合血管模型的Y形通路内。内部是空心的,表面管状的网面设计为功能折叠,并返回到完全展开的配置。

  1. 按照类似于传统支架的波浪模式设计分叉支架的树干。将树干直径设置为 22 mm,将树干长度设置为 38 mm。
  2. 将分叉分支设计为圆柱体,如图5B所示。将分支的直径设置为 18 mm,将分支的长度设置为 34 mm。
  3. 将支架的总长度设置为 72 mm。最终形状如图6所示。

4. 带 SMP 灯丝的 3D 打印

  1. 使用 SMP 灯丝在 FDM 3D 打印机中打印分叉支架。这种灯丝的主要成分是聚氨酯。商业供应商还提供这些细丝以颗粒的形式,使最终用户也可以添加额外的物质,以定制材料的特性(图7)。
  2. 使用切片软件进行模型切片并控制 3D 打印机的设置。将挤出机温度设置为 230°C,将打印机床的温度设置为室温。将图层高度设置为 0.1 mm,以尽量减少楼梯效果。
  3. 将打印速度设置为 3,600 mm/min。将内部填充百分比设置为 80%。在打印过程中包括支撑层,因为内部结构是空心的,因此需要这种形成。图 8说明了打印过程。

5. 平滑表面

注:需要以下步骤,因为粗糙的表面可能会因磨损而损坏容器。

  1. 使用刀具拆下支持者 (图 9A)。支持者依附在支架内部。取出支架时,请格外小心,避免撕裂支架。
  2. 将表面与沙纸擦擦(图 9B),以去除打印表面上的层线、条纹或瑕疵。当刀具拆下支持者时,可能需要重复抛光。
  3. 在通风良好的位置使用喷雾器绘制表面,并戴上个人面罩。清洁、沙和干燥表面。通过应用多层重复油漆,防止过度喷涂。使用黑色涂料增强硅胶容器模型和支架之间的对比度(图 9C)。

6. 变形分叉支架

  1. 将分叉支架放入温水中,使温度高于玻璃过渡温度。当支架变软时,将树枝的一半推到另一半。将一半嵌套在第二半,如图10A所示。
  2. 将两个分支折叠成一个圆柱体,以便它可以穿过主容器。对另一个分支执行相同的嵌套过程。随后,气缸的两半部分合二为一,如图10B所示。

7. 将分叉支架插入容器

  1. 给水箱注上温水。将水温设置为 55-60 °C。将硅胶容器模拟浸入油箱内。定向模型,使主容器位于上方,分支位于下方。
  2. 将折叠的分叉支架从上方插入硅胶容器模型的开口中。定向折叠的分叉支架,使其树枝朝向开口。折叠的分叉支架将开始膨胀,下部分支将分裂,使每个分支从 Y 形容器的分叉核心滑向其交配路径(图 12)。

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Representative Results

在此协议中,我们展示了制造分叉支架所需的程序。支架使用 kirigami 结构,使分叉支架折叠成一个紧凑的圆柱形管,非常适合在狭窄的血管通路滑动。当温度达到玻璃过渡温度时,SMP 允许折叠结构恢复到原始形状。使用 SMP 材料打印的原始形状为 3D,与分支容器非常匹配。换句话说,体液流动的分支容器的内表面,被制造支架的指定厚度进一步抵消。在内部曲面和偏移曲面之间创建实体形状。这种固体形式完全适合容器,并可用作支架的模型。由于 SMP 能够返回到其记忆形状,折叠结构一旦加热到其玻璃过渡温度以上,将返回到预变形形状。利用基里加米结构,两个分支支架可以很容易地形成半圆柱形管。气缸的两半体合并成一个气缸,并且联合结构已被证明会滑过主容器并到达分叉区域。为了将折叠结构恢复到原来的形状,实验在60°C的水中进行。已经表明,每一侧分支将分割,每个分支将去其配对容器在分叉区。分叉支架入 Y 形容器中 , 整个容器只需一次操作。这比需要单独插入每个分支支架的传统操作要简单得多。这些结果表明,将支架插入操作简化为单个操作是可能的,而以前的支架操作要求侧分支支架的插入次数与侧分枝血管的数量相同。

Figure 1
图 1:SMP 的形状变换图。(A) 印刷的形状是原始形状.(B) 当加热到玻璃过渡温度 (Tg) 以上时, 结构变得柔软.应用力时,结构将变形为所需形状。(C) 结构通过冷却固定在变形的形状上。(D) 当再次加热到玻璃过渡温度以上时,会产生恢复力,使变形形状恢复到其原始形状。(E) 恢复的形状与原始形状相同。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 2
图 2:显示Y形血管各部分的名称。Y 形容器有主容器和侧分支。主船由近端主船和远端主船组成。近端主容器分为侧船和远端主容器,位于分叉岩芯上方。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 3
图 3:血管设计。(A) 模拟血管的右侧视图.这一面被设计成一个钩子形状,以表达人体真实血管的三维性质。(B) 模拟血管的前视图.根据图2,Y形血管的旋转视图。 请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 4
图 4:硅胶血管模型。用丙烯酸板和3D打印血管模型制成的容器被用作模具来制作这种模型。该模型是使用液体硅胶制成的,在干燥后经过硬化。显示前视图 (A) 和侧视图 (B) .请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 5
图 5:使用 kirigami 设计分叉支架的分支。(A) 支架分支的概念设计.纸张沿黑线切割。随后,外力在指定方向的特定点上应用,以红色箭头标记。生成的操作几何体在 A 中描述,显示在右侧 B。平面图已转换为三维管状形状。(B) 基于基里加米结构的管状支架的设计。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 6
图 6:分叉支架的三维模型。树干使用波浪图案,与传统的支架设计非常相似。两个上部分支利用基里加米结构。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 7
图 7:SMP 灯丝。它以长丝形式生产,使用商用 3D 打印机易于打印。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 8
图 8:使用 FDM(熔融沉积建模)3D 打印机打印的分叉支架的图片。3D 打印分叉支架使用双面胶胶胶带连接到 3D 打印机床,以防止输出打滑。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 9
图 9:3D 打印结果的后处理。(A) 清除支持者.分叉支架在内部是空心的,因此在 3D 打印过程中需要支撑。需要清除支持者。(B) 与支持者的分叉支架被拆除.(C) 分叉支架是喷漆的,以清楚地与硅胶通路形成对比。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 10
图 10:分叉支架变形和恢复形状的插图。(A) 支架被加热,使其具有可塑性.随后,施加力将树枝折叠成半圆柱形。(B) 半圆柱形组合成单个管状结构。折叠过程步骤从左到右,恢复过程与折叠相反,从右到左。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 11
图 11:分叉支架的原始和变形状态。请注意,变形的形状是圆柱体的形状,可以很容易地插入到血管的躯干部分。当压缩折叠的形状在玻璃过渡温度以上加热时,形状将返回到其原始分叉形状。请点击此处查看此图的较大版本。

Figure 12
图 12:显示插入分枝血管的折叠支架恢复过程的时间失效镜头。(A) 显示将分叉支架插入 Y 形容器时的程序展开步骤。最初,插入一个圆柱形管。插入的管开始分裂一旦到达分叉核心,并返回到其展开的原始形状。(B) 实验的时时图像.左上角显示折叠管插入容器的开口干箱。右上角显示分叉型芯处插入支架的分割。底行显示支架的恢复和最终分叉支架的精确拟合,完全适合靶向血管的形态。请点击此处查看此图的较大版本。

Supplementary Figure 1
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Supplementary Figure 2
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补充文件。船舶模型的数字模型。

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Discussion

支架通常用于清除阻塞的内部通路,如患者的血管和气道。插入支架的外科手术需要仔细考虑患者的病情和人体解剖学特征。容器的形状复杂,存在不同的分支条件。然而,标准支架操作程序基于标准尺寸的大规模生产支架。在此协议中,我们展示了如何根据血管的精确几何形状亲自定制支架的制造。在此过程中,我们设计了支架,使内部被空心,表面管状网将折叠,并在激活时返回到完全展开的配置。我们针对分叉支架,通常用于具有多个管状支架的操作。我们分叉支架的设计是整体执行的,无论分支容器中存在多复杂和多少分支,都需要一次操作。我们用来解决此问题的关键启用技术是 SMP。预计结构能够恢复到其原始形状,因此施加力以防止重新收缩的扩展路径。

另一个重要的想法是使用基里加米结构。最困难的部分是如何将Y形树枝收缩成一个紧凑的圆柱形管。此问题已使用 kirigami 结构得到解决。每个分支折叠成半圆柱体,然后合并在一起。

我们发现最佳温度为220-230°C,以记住分叉支架形状。基于这一事实,挤出机温度设置为230°C。当温度设定在此温度以上时,形状的准确性受到影响。当温度设定在此温度以下时,SMP 堵塞了 3D 打印机喷嘴。如果使用不同的材料,则应调整挤出机温度。打印机床的温度是在室温下设定的。当打印机床温度设定得更高时,我们经历了结构不必要的变形。此外,建议将内部填充设置为 70% 以上。建议避免或尽量减少支持者的产生,因为他们将施加额外的后处理负担。

使用的SMP的玻璃过渡温度为55°C,印刷结构的软化高于此温度。折叠印刷的分叉支架时,我们将整个结构浸入高于此温度的水加热浴缸中。当使用不同的SM时,应首先找到特定材料的玻璃温度。其他温度的恢复特性可以在Kim和Lee15中找到,在那里,对较高温度的反应更快。

我们使用 FDM 3D 打印机来制造分叉支架。所生产的支架尺寸太大,无法插入真正的人类容器。研究人员应考虑使用不同类型的 3D 打印机或喷嘴直径较小的 3D 打印机。后者在技术上是困难的,因为SMP通常非常粘稠,很容易堵塞喷嘴,尤其是在使用直径较小的喷嘴时。

我们的工作的局限性如下。玻璃过渡温度过高,无法在患者体内使用。此外,这种特殊材料没有证明具有生物相容性。当容器不再需要支架来支持其崩溃时,最好是可生物降解的支架。这些问题可以通过使用其他类型的SM和进一步广泛的现场实验来解决。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

这项工作得到了由韩国政府资助的信息与通信技术规划和评估研究所(IITP)赠款的支持(No.2018-0-01290),为识别自驾汽车中使用的非结构化人类(警察、交通安全人员、行人等)运动以及 GIST 研究所 (GRI) 2019 年资助的资助功能。

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 

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References

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