4D मुद्रित किरीगामी-प्रेरित संरचनाओं के साथ द्विशाखित स्टेंट

Engineering

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Summary

एक 3 डी प्रिंटर का उपयोग करना, एक आकार स्मृति बहुलक फिलामेंट एक शाखा ट्यूबलर संरचना बनाने के लिए extruded है। संरचना पैटर्न और आकार का है कि यह एक कॉम्पैक्ट रूप में अनुबंध कर सकते हैं एक बार मुड़ा और फिर अपने गठन आकार पर लौटने के लिए जब गर्म.

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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

शाखाओं, आम तौर पर पत्र के रूप में "Y," संकीर्ण या अवरुद्ध किया जा सकता है, गंभीर स्वास्थ्य समस्याओं में जिसके परिणामस्वरूप. द्विशाखित स्टेंट, जो शाखाओं के आंतरिक और बाहरी आकार के में खोखले होते हैं, शल्य चिकित्सा शाखा वाले जहाजों के अंदर डाला जाता है, एक सहायक संरचना के रूप में कार्य करता है ताकि शारीरिक तरल पदार्थ बिना स्टेंट के इंटीरियर के माध्यम से स्वतंत्र रूप से यात्रा कर सकें संकीर्ण या अवरुद्ध वाहिकाओं द्वारा बाधित किया जा रहा है। लक्ष्य स्थल पर तैनात किए जाने वाले द्विशाखित स्टेंट के लिए पोत के अंदर इंजेक्शन लगाया जाना चाहिए और लक्ष्य स्थल तक पहुंचने के लिए पोत के भीतर यात्रा करनी होगी। पोत का व्यास द्विभाजनस्टेंट के बाउंडिंग गोले की तुलना में बहुत छोटा है; इस प्रकार, एक तकनीक की आवश्यकता है ताकि द्विभाजन स्टेंट इतना छोटा रहता है कि पोत के माध्यम से यात्रा करने के लिए और लक्षित शाखा पोत पर फैलता है। इन दो परस्पर विरोधी स्थितियों, कि है, के माध्यम से पारित करने के लिए पर्याप्त छोटे और काफी बड़े संरचनात्मक संकीर्ण मार्ग का समर्थन करने के लिए, एक साथ संतुष्ट करने के लिए बेहद मुश्किल हैं. हम उपरोक्त आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए दो तकनीकों का उपयोग करते हैं। सबसे पहले, सामग्री की ओर, एक आकार स्मृति बहुलक (एसएमपी) स्वयं छोटे से बड़े करने के लिए आकार परिवर्तन आरंभ करने के लिए प्रयोग किया जाता है, कि है, छोटे जा रहा है जब डाला और लक्ष्य स्थल पर बड़ा होता जा रहा है. दूसरा, डिजाइन पक्ष पर, एक kirigami पैटर्न एक छोटे व्यास के साथ एक ट्यूब में शाखा ट्यूब गुना करने के लिए प्रयोग किया जाता है. प्रस्तुत तकनीक संरचनाओं है कि परिवहन के दौरान संकुचित किया जा सकता है और उनके कार्यात्मक निपुण आकार में लौटने जब सक्रिय इंजीनियर करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. हालांकि हमारे काम चिकित्सा स्टेंट पर लक्षित है, biocompatibility मुद्दों वास्तविक नैदानिक उपयोग से पहले हल करने की जरूरत है.

Introduction

स्टेंट का उपयोग मनुष्यों में संकीर्ण या स्टेनोस्ड मार्ग को चौड़ा करने के लिए किया जाता है, जैसे रक्त वाहिकाओं और वायुमार्ग। स्टेंट ट्यूबलर संरचनाएं हैं जो मार्ग के समान होती हैं और यांत्रिक रूप से आगे गिरने से मार्ग का समर्थन करती हैं। आमतौर पर, आत्म विस्तार धातु स्टेंट (SEMS) व्यापक रूप से अपनाया जाता है. ये स्टेंट कोबाल्ट-क्रोमियम (स्टेनलेस स्टील) और निकल-टाइटेनियम (nitinol)1,2से बने मिश्र धातुओं से बने होते हैं। धातु स्टेंट का नकारात्मक पहलू यह है कि दबाव नेक्रोसिस मौजूद हो सकता है जहां स्टेंट के धातु के तार जीवित ऊतकों और स्टेंट के संपर्क में आते हैं। इसके अलावा, शरीर के जहाजों अनियमित आकार का हो सकता है और सरल ट्यूबलर संरचनाओं की तुलना में बहुत अधिक जटिल हैं। विशेष रूप से, शाखालुओं में स्टेंट स्थापित करने के लिए कई विशेष नैदानिक प्रक्रियाएं हैं। वाई-आकार के लुमेन में, दो बेलनाकार स्टेंट एक साथ सम्मिलित किए जाते हैं और एक शाखा3में शामिल हो जाते हैं। प्रत्येक अतिरिक्त शाखा के लिए, एक अतिरिक्त शल्य प्रक्रिया आयोजित करने की आवश्यकता है। प्रक्रिया विशेष रूप से प्रशिक्षित डॉक्टरों की आवश्यकता है, और प्रविष्टि शाखास्टेंट के बाहर फैला सुविधाओं के कारण बेहद चुनौतीपूर्ण है.

द्विभाजन स्टेंट के आकार की जटिलता यह 3 डी मुद्रण के लिए एक बहुत ही उपयुक्त लक्ष्य बनाता है। पारंपरिक स्टेंट बड़े पैमाने पर मानकीकृत आकार और आकार में उत्पादित कर रहे हैं। 3 डी मुद्रण निर्माण पद्धति का उपयोग करना, यह प्रत्येक रोगी के लिए स्टेंट के आकार को अनुकूलित करने के लिए संभव है। आकार बार-बार लक्ष्य वस्तु के अनुभागीय आकृतियों की परत-दर-परत जोड़ने के द्वारा किए जाते हैं, क्योंकि सिद्धांत रूप में, इस विधि का उपयोग किसी भी आकार और आकार के भागों को गढ़ने के लिए किया जा सकता है। पारंपरिक स्टेंट ज्यादातर बेलनाकार आकार में होते हैं। हालांकि, मानव वाहिकाओं शाखाओं है, और ट्यूबों के साथ व्यास परिवर्तन. प्रस्तावित दृष्टिकोण का उपयोग करना, आकार और आकार में इन सभी विविधताओं को समायोजित किया जा सकता है. इसके अतिरिक्त, हालांकि प्रदर्शन नहीं, इस्तेमाल सामग्री भी एक स्टेंट के भीतर बदल सकते हैं. उदाहरण के लिए, हम कड़ी सामग्री का उपयोग कर सकते हैं जहां समर्थन की आवश्यकता है और नरम सामग्री जहां अधिक लचीलापन की आवश्यकता है।

द्विभाजन स्टेंटों की आकार बदलने की आवश्यकता 4D प्रिंटिंग के लिए है, अर्थातसमय के अतिरिक्त विचार के साथ 3D मुद्रण। विशेष सामग्री का उपयोग करगठित 3 डी मुद्रित संरचनाओं को एक बाहरी उत्तेजना, जैसे गर्मी से उनके आकार को बदलने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है। परिवर्तन स्वयं बनाए रखा है और कोई बाहरी शक्ति स्रोतों की आवश्यकता है. एक विशेष सामग्री है कि 4D मुद्रण के लिए उपयुक्त है एक एसएमपी4,5,6,7,8,9, जो आकार स्मृति प्रभाव दर्शाती है जब एक के संपर्क में सामग्री विशेष ट्रिगर ग्लास संक्रमण तापमान। इस तापमान पर, खंड नरम हो जाते हैं ताकि संरचना अपने मूल आकार में लौट आती है। संरचना 3 डी मुद्रित होने के बाद, इसे कांच के संक्रमण तापमान से थोड़ा ऊपर तापमान पर गर्म किया जाता है। इस बिंदु पर, संरचना नरम हो जाता है, और हम बलों को लागू करने से आकार को विकृत करने में सक्षम हैं। लागू बलों को बनाए रखने के दौरान, संरचना ठंडा हो जाता है, कठोर हो जाता है और लागू बलों को हटा दिए जाने के बाद भी अपनी विकृत आकृति को बनाए रखता है। बाद में, अंतिम चरण में, जब संरचना को अपने मूल आकार पर लौटने की आवश्यकता होती है, जैसे कि जब संरचना लक्ष्य स्थल तक पहुंचती है, गर्मी की आपूर्ति की जाती है ताकि संरचना अपने कांच संक्रमण तापमान तक पहुंच सके। अंत में, संरचना अपने याद मूल आकार में लौटता है. चित्र 1 पूर्व में बताई गई विभिन्न अवस्थाओं को दर्शाता है। SMPs आसानी से बढ़ाया जा सकता है , और वहाँ कुछ SMPs कि bioसंगत और biodegradable9,10हैं. दवा के क्षेत्र में SMPs के लिए कई उपयोग कर रहे हैं9,10,और स्टेंट11,12 उनमें से एक हैं .

स्टेंट और तह डिजाइन के पैटर्न "kirigami" नामक जापानी कागज काटने डिजाइन का पालन करें। इस प्रक्रिया को प्रसिद्ध कागज तह तकनीक "origami कहा जाता है जैसा दिखता है," लेकिन अंतर यह है कि तह के अलावा, कागज के काटने भी डिजाइन में अनुमति दी है. इस तकनीक का प्रयोग कलाओं में किया गया है और इसे इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों2,3,13,14में भी लागू किया गया है . संक्षेप में, किरिगमी का उपयोग विशेष रूप से डिजाइन किए गए स्थानों पर बलों को लागू करके एक समतल संरचना को त्रि-आयामी संरचना में बदलने के लिए किया जा सकता है। हमारे डिजाइन आवश्यकताओं में, स्टेंट एक सरल बेलनाकार आकार जब रास्ते में डाला जा करने की जरूरत है, और सिलेंडर अपनी लंबाई जहां प्रत्येक आधा लक्षित शाखा पोत पर एक पूरी तरह से बेलनाकार आकार करने के लिए प्रकट करना चाहिए साथ विभाजित करना चाहिए. समाधान इस तथ्य में निहित है कि मुख्य पोत और साइड शाखाओं को एक सिलेंडर में जोड़ दिया जाता है ताकि प्रवेश के दौरान पक्ष शाखाएं जहाजों की दीवारों में हस्तक्षेप न करें। खुलासा कमांड संकेत एसएमपी के कांच संक्रमण तापमान के ऊपर परिवेश के तापमान में वृद्धि से आता है। इसके अतिरिक्त, तह 3 डी मुद्रित द्विभाजन स्टेंट नरम और मुख्य पोत में पक्ष शाखा तह द्वारा रोगी के शरीर के बाहर आयोजित किया जाएगा.

पारंपरिक तरीकों कई बेलनाकार स्टेंट जिनकी संख्या शाखाओं की संख्या के बराबर होती है की प्रविष्टि की आवश्यकता है। यह विधि अपरिहार्य थी क्योंकि पक्ष शाखाओं के उभार ने रास्ते की दीवारों को बाधित किया और इसे पूरी तरह से एक पूर्ण द्विभाजन स्टेंट सम्मिलित करना असंभव बना दिया। kirigami संरचना और 4D मुद्रण का उपयोग करना, उपरोक्त समस्याओं को हल किया जा सकता है. यह प्रोटोकॉल रक्त वाहिकाओं के आकार के बाद निर्मित सिलिकॉन पोत मॉडल का उपयोग करके प्रस्तावित विधि की प्रभावशीलता के दृश्य को भी दर्शाता है। इस नकली अप के माध्यम से, प्रविष्टि प्रक्रिया के दौरान प्रस्तावित आविष्कार की प्रभावशीलता और नए अनुप्रयोगों की आगे संभावनाओं को देखा जा सकता है.

इस प्रोटोकॉल का उद्देश्य एक संगलित जमाव मॉडलिंग (FDM) प्रिंटर का उपयोग कर एक SMP मुद्रण में शामिल चरणों को स्पष्ट रूप से रेखांकित करना है. इसके अतिरिक्त, मुड़ा हुआ राज्य में मुद्रित द्विभाजन स्टेंट को विकृत करने में शामिल तकनीकें, मुड़ी हुई बिफरित स्टेंट को लक्षित साइट पर सम्मिलित करना, और संरचना को उसके मूल आकार में संकेतऔर प्रकट करना विस्तार से दिया जाता है। प्रविष्टि के प्रदर्शन रक्त वाहिकाओं के एक सिलिकॉन नकली अप का इस्तेमाल करता है. प्रोटोकॉल भी एक 3 डी प्रिंटर और मोल्डिंग का उपयोग कर इस नकली-अप fabricating में शामिल प्रक्रियाओं प्रदान करता है।

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Protocol

1. प्रदर्शन के लिए रक्त वाहिका नकली-अप डिजाइन

  1. सन्निकट मुख्य पोत का व्यास 25 मिमी, दूरस्थ मुख्य पोत का व्यास और 22 मिमी के बराबर की ओर शाखा का व्यास। 140 मिमी के बराबर जहाजों की कुल लंबाई निर्धारित करें। समीपस्थ मुख्य पोत की लंबाई, दूरस्थ मुख्य पोत और साइड शाखा को 6 क्रमशः 5 मिमी, 75 मिमी और 65 मिमी। संपूर्ण रक्त वाहिका चित्र 2 और चित्र 3में दर्शाया गया है।
  2. FDM 3D प्रिंटर का उपयोग करके शाखावाले पोत का कंप्यूटर मॉडल मुद्रित करें. पॉलीकार्बोनेट फिलामेंट का प्रयोग करें।

2. मोल्डिंग द्वारा रक्त वाहिका नकली-अप निर्माण

  1. एक बॉक्स के आकार का कंटेनर बनाएं जो 3 डी मुद्रित भाग को घर देगा। कंटेनर आयाम 110 x 105 x 70 मिमी करने के लिए सेट करें और एक एक्रिलिक प्लेट का उपयोग करें।
  2. बॉक्स के केंद्र में रखा 3 डी मुद्रित शाखा पोत के साथ, धीरे बुलबुला गठन को कम करने के लिए कंटेनर के अंदर सिलिकॉन डालना। तरल सिलिकॉन सूखी और यह 36 डिग्री 48 एच के लिए कठोर.
  3. कंटेनर से ठोस सिलिकॉन निकालें और 3 डी मुद्रित भाग को दूर करने के लिए इसे आधे में कटौती करें। कट विमान में विभाजित सिलिकॉन फिर से शामिल हों। परिणामस्वरूप जुड़ा हुआ शरीर रक्त वाहिका मॉकअप है। अंतिम परिणाम चित्र 4दिखाया गया है।

3. किरिगमी के आधार पर शाखास्टेंट का डिजाइन

नोट: शाखास्टेंट का आकार रक्त वाहिका मॉकअप के वाई-आकार के रास्ते के अंदर आराम से फिट करने के लिए किया जाता है। इंटीरियर खोखला बना दिया है, और सतह ट्यूबलर meshes कार्यात्मक गुना और पूर्ण सामने आया विन्यास पर लौटने के लिए डिज़ाइन कर रहे हैं.

  1. पारंपरिक स्टेंट के समान द्वि-विभाजनित स्टेंट के ट्रंक को निम्नलिखित लहरदार पैटर्न डिज़ाइन करें। ट्रंक का व्यास 22 मिमी और ट्रंक की लंबाई को 38 मिमी तक सेट करें।
  2. द्विशाखित शाखाओं को एक बेलन के रूप में डिजाइन करें, जैसा कि चित्र 5ख में दर्शाया गयाहै। शाखा का व्यास 18 मिमी और शाखा की लंबाई 34 मिमी तक निर्धारित करें।
  3. स्टेंट की कुल लंबाई 72 मिमी पर सेट करें। अंतिम आकृति चित्र 6में दिखाई गई है।

4. एसएमपी फिलामेंट के साथ 3 डी प्रिंटिंग

  1. एसएमपी फिलामेंट का उपयोग करके एक FDM 3D प्रिंटर में द्वि-गुणित स्टेंट मुद्रित करें. इस तंतु की प्रमुख संघटन पॉलीयूरेथेन है। वाणिज्यिक विक्रेता इन फिलामेंटों को छर्रों के रूप में भी प्रदान करता है ताकि अंतिम प्रयोक्ता सामग्री की विशेषताओं को अनुकूलित करने के लिए अतिरिक्त पदार्थ भी जोड़ सके (चित्र 7)।
  2. मॉडल टुकड़ा करने के लिए और 3 डी प्रिंटर की सेटिंग्स को नियंत्रित करने के लिए टुकड़ा करने वाले सॉफ़्टवेयर का उपयोग करें। extruder तापमान 230 डिग्री सेल्सियस और कमरे के तापमान के लिए प्रिंटर बिस्तर के तापमान सेट करें। सीढ़ी प्रभाव को कम करने के लिए 0.1 मिमी के लिए परत ऊंचाई सेट करें।
  3. मुद्रण की गति को 3,600 मिमी/मिनट पर सेट करें. आंतरिक भरण प्रतिशत की मात्रा को 80% पर सेट करें. मुद्रण के दौरान समर्थक गठन को शामिल करें, जिसकी आवश्यकता है क्योंकि संरचना इंटीरियर में खोखला है। चित्र 8 मुद्रण प्रक्रिया को दर्शाता है।

5. सतह बाहर smoothing

नोट: निम्न चरणों की आवश्यकता है क्योंकि किसी न किसी सतहों घर्षण से जहाजों को नुकसान पहुंचा सकता है।

  1. कटर का उपयोग करके समर्थकों को निकालें (चित्र 9A) . समर्थकों स्टेंट के इंटीरियर में जुड़े हुए हैं. स्टेंट निकालते समय, स्टेंट फाड़ने से बचने के लिए अत्यधिक सावधानी बरतें।
  2. मुद्रित सतह पर परत लाइनों, striations, या blemishes को दूर करने के लिए sandpaper (चित्र 9बी) के खिलाफ सतह रगड़ें। बार-बार चमकाने की जरूरत हो सकती है जहां समर्थकों कटर द्वारा हटा रहे हैं.
  3. एक अच्छी तरह से हवादार स्थान में एक स्प्रे का उपयोग कर सतह पेंट, और एक व्यक्तिगत मुखौटा पहनते हैं। साफ, रेत, और सतह सूखी. दोहराया पेंट की पतली परतों को लागू करने से overspraying से सुरक्षित रखें. सिलिकॉन पोत मॉकअप और स्टेंट के बीच अंतर बढ़ाने के लिए काले पेंटों का प्रयोग करें (चित्र 9ब्)

6. द्विभाजनित स्टेंट को विकृत करना

  1. गर्म पानी में द्विभाजन स्टेंट को इस प्रकार रखें कि तापमान कांच के संक्रमण के तापमान से ऊपर हो। जब स्टेंट नरम हो जाता है, तो शाखा के आधे हिस्से को दूसरे भाग के विरुद्ध धकेलें। दूसरे आधे के भीतर एक आधा नेस्ट, जैसा कि चित्र 10में दिखाया गया है।
  2. दो शाखाओं को एक ही सिलेंडर में मोड़ें ताकि यह मुख्य पात्र से होकर यात्रा कर सके। अन्य शाखा के लिए एक ही नेस्टिंग प्रक्रिया निष्पादित करें। इसके बाद, सिलिंडरों के दो भाग एक में बंद हो जाते हैं, जैसा कि चित्र 10में दर्शाया गया है।

7. जहाजों में द्विभाजन स्टेंट की प्रविष्टि

  1. गर्म पानी के साथ एक टैंक भरें। पानी के तापमान को 55-60 डिग्री सेल्सियस पर सेट करें। टैंक के अंदर सिलिकॉन पोत मॉकअप विसर्जित करें। मॉकअप को इस तरह उन्मुख करें कि मुख्य पात्र ऊपर है और शाखाएं नीचे हैं।
  2. ऊपर से सिलिकॉन पोत मॉकअप के उद्घाटन में मुड़ा हुआ द्वि-विभाजनित स्टेंट डालें। मुड़ी हुई द्वि-विभाजनित स्टेंट को इस प्रकार उन्मुख करें कि इसकी शाखाएं खोलने की ओर हैं। मुड़ा हुआ द्विशाखित स्टेंट का विस्तार शुरू हो जाएगा, और निचली शाखाएं इस प्रकार विभाजित होंगी कि प्रत्येक शाखा Y-आकार के जहाजों के विभाजन कोर से अपने संभोग मार्ग की ओर खिसक जाएगी (चित्र 12)।

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Representative Results

इस प्रोटोकॉल में, हमने द्वि-विभाजनित स्टेंट बनाने के लिए आवश्यक प्रक्रियाओं को दिखाया। स्टेंट एक kirigami संरचना का उपयोग करता है द्विशाखित स्टेंट एक कॉम्पैक्ट बेलनाकार ट्यूब में गुना करने के लिए अनुमति देते हैं, जो रक्त वाहिकाओं के संकीर्ण रास्ते के माध्यम से फिसलने के लिए बहुत उपयुक्त है. एसएमपी मुड़ा हुआ संरचना को अपने मूल आकार में लौटने की अनुमति देता है जब तापमान कांच के संक्रमण के तापमान तक पहुंच जाता है। मूल आकार, 3 डी एसएमपी सामग्री का उपयोग कर मुद्रित, बारीकी से शाखाओं जहाजों से मेल खाता है। दूसरे शब्दों में, शाखाओं के जहाजों की आंतरिक सतह, जहां शारीरिक तरल पदार्थ बह रहा है, गढ़े हुए स्टेंट की निर्धारित मोटाई द्वारा आगे अंदर ऑफसेट किया जाता है। एक ठोस रूप आंतरिक सतह और ऑफसेट सतह के बीच बनाया जाता है। यह ठोस रूप वास्तव में पोत फिट बैठता है और स्टेंट के लिए एक मॉडल के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है. एसएमपी की अपनी याद आकार पर लौटने की क्षमता के कारण, मुड़ी हुई संरचना अपने कांच संक्रमण तापमान के ऊपर गर्म होने के बाद predeformed आकार पर वापस आ जाएगी। दो शाखाओं वाले स्टेंट को किरिगमी संरचना का लाभ उठाकर आसानी से अर्ध-सिलिनड्रिकल ट्यूबों में बनाया जा सकता है। सिलेंडरों के दो हिस्सों को एक सिलेंडर में मिला दिया जाता है, और संयुक्त संरचना को मुख्य पोत के माध्यम से स्लाइड करने और विभाजन क्षेत्र तक पहुंचने के लिए दिखाया गया है। मुड़ी हुई संरचना को उसके मूल आकार में वापस लाने के लिए, प्रयोग 60 डिग्री सेल्सियस के तापमान पर जल में किया गया था। यह दिखाया गया है कि प्रत्येक पक्ष की शाखा विभाजित होगी, और प्रत्येक शाखा विभाजन क्षेत्र में अपनी युग्मन वाहिकाओं में जाएगी। द्विशाखित स्टेंट को वाई-आकार के जहाजों में एक पूरे के रूप में डाला गया था जिसमें केवल एक ऑपरेशन की आवश्यकता होती है। यह पारंपरिक आपरेशन अलग से प्रत्येक शाखा स्टेंट के सम्मिलन की आवश्यकता की तुलना में बहुत आसान है. इन परिणामों से पता चलता है कि यह एक एकल आपरेशन के लिए स्टेंट प्रविष्टि आपरेशन को सरल करने के लिए संभव है, जबकि पिछले स्टेंट आपरेशन पक्ष शाखा स्टेंट के सम्मिलन की संख्या की आवश्यकता के लिए पक्ष शाखा रक्त वाहिकाओं की संख्या के रूप में ही है.

Figure 1
चित्र 1 : एसएमपी का आकार रूपांतरण आरेख. (क) मुद्रित आकृति मूल आकृति है। (ख) जब काँच संक्रमण ताप (टीजी) के ऊपर गर्म किया जाता है, तो संरचना नरम हो जाती है। जब कोई बल लगाया जाता है, तो संरचना वांछित आकृति में विकृत हो जाती है। () संरचना को ठंडा करके विकृत आकार में स्थिर किया जाता है। (घ) जब कांच के संक्रमण के तापमान के ऊपर फिर से गर्म किया जाता है, तो विकृत आकृति को उसके मूल आकार में वापस लाने वाला वसूली बल उत्पन्न होता है। () बरामद आकृति मूल आकृति के समान है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2 : वाई के आकार के रक्त वाहिका के कुछ हिस्सों के नाम दिखाए गए हैं। वाई के आकार के जहाजों में एक मुख्य पोत और एक पक्ष शाखा होती है। मुख्य पोत में एक निकटस्थ मुख्य पोत और एक दूरस्थ मुख्य पोत होता है। समीपस्थ मुख्य पोत को पक्ष पोत और दूरस्थ मुख्य पोत में विभाजित किया जाता है, जो द्विशाखित कोर के ऊपर स्थित है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3 : रक्त वाहिका का डिजाइन. (ए) मॉडलिंग की गई रक्त वाहिका का दाईं ओर दृश्य। इस पक्ष को मानव शरीर में एक वास्तविक रक्त वाहिका के तीन आयामी प्रकृति को व्यक्त करने के लिए हुक आकार के रूप में डिज़ाइन किया गया है। () मॉडल रक्त वाहिका का फ्रंट व्यू। चित्र 2के अनुसार Y-आकार के रक्त वाहिका का घूर्णन दृश्य। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्र 4 : सिलिकॉन रक्त वाहिका नकली अप. एक्रिलिक प्लेट और 3 डी मुद्रित रक्त वाहिका मॉडल के साथ बनाया एक कंटेनर इस नकली अप बनाने के लिए एक मोल्ड के रूप में उपयोग किया जाता है। नकली अप तरल सिलिकॉन, जो सुखाने के बाद कठोर किया गया था का उपयोग कर बनाया गया था। सामने का दृश्य () और साइड व्यू (बी) दिखाए जाते हैं. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र 5 : किरिगामी का उपयोग करके द्विशाखित स्टेंट की शाखाओं का डिजाइन। (क) स्टेंट शाखा का संकल्पनात्मक डिजाइन। शीट काली रेखा के साथ काट रहा है। बाद में, बाहरी बलों को निर्दिष्ट दिशा में विशिष्ट बिंदुओं पर लागू किया जाता है, जैसा कि लाल तीरों द्वारा चिह्नित किया गया है। A में वर्णित प्रचालनों की परिणामी ज्यामिति को दाईं ओर दिखाया गया है, B. एक समतल शीट को त्रि-आयामी ट्यूबलर आकार में परिवर्तित कर दिया गया है। (बी) किरिगमी संरचना पर आधारित एक ट्यूबलर स्टेंट का डिजाइन। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्र 6 : द्विभाजन स्टेंट का तीन आयामी मॉडल. ट्रंक काफी पारंपरिक स्टेंट डिजाइन करने के लिए इसी तरह लहराती पैटर्न का उपयोग करता है। दो ऊपरी शाखाएं किरिगामी संरचनाओं का उपयोग करती हैं। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्र 7 : एसएमपी फिलामेंट। यह एक फिलामेंट के रूप में उत्पादन किया है कि एक वाणिज्यिक 3 डी प्रिंटर का उपयोग कर मुद्रित करने के लिए आसान है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 8
चित्र 8 : एक 3 डी मुद्रित bifurcated स्टेंट का चित्र एक FDM (फ्यूज्ड जमा मॉडलिंग) 3 डी प्रिंटर का उपयोग कर. 3 डी मुद्रित द्विगुणित स्टेंट एक डबल पक्षीय gluing टेप का उपयोग कर 3 डी प्रिंटर बिस्तर से जुड़ा हुआ है फिसल से उत्पादन को रोकने के लिए. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 9
चित्र 9 : 3 डी मुद्रित परिणाम के postprocessing. (ए) समर्थकों को हटाना। द्विशाखित स्टेंट इंटीरियर में खोखला है और इस प्रकार 3 डी मुद्रण के दौरान एक समर्थक की आवश्यकता है। समर्थकों को हटाने की आवश्यकता है। (ख) समर्थकों के साथ दो-दो स्टेंट हटा दिए गए। () द्विशाखित स्टेंट को सिलिकॉन मार्ग से स्पष्ट रूप से विपरीत करने के लिए स्प्रे पेंट किया जाता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 10
चित्र 10 : विरूपण की चित्रण और द्विशाखित स्टेंट की वसूली आकार. () स्टेंट को आघात करने योग्य बनाने के लिए गर्म किया जाता है। इसके बाद, शाखाओं को अर्ध-सिलिनड्रिकल आकार में मोड़ने के लिए बल लागू किए जाते हैं। (बी) अर्ध-सिलिनड्रिक आकृतियों को एकल ट्यूबलर संरचना में संयोजित किया जाता है। तह प्रक्रियात्मक कदम बाईं से दाईं ओर हैं, और वसूली की प्रक्रिया तह के रिवर्स है, जो दाएं से बाईं ओर होती है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 11
चित्र 11 : द्विभाजन स्टेंट की मूल और विकृत अवस्था. ध्यान दें विकृत आकार एक सिलेंडर का आकार है और आसानी से रक्त वाहिकाओं के ट्रंक भाग में डाला जा सकता है। जब कॉम्पैक्ट लीड आकार कांच के संक्रमण के तापमान के ऊपर गर्म किया जाता है, तो आकृति अपने मूल द्विगुणित आकार में लौट आती है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 12
चित्र 12 : शाखामें डाले गए स्टेंट की ठीक प्रक्रियाओं के समय चूक गए शॉट्स दिखाए जाते हैं। (क) जब द्विशाखित स्टेंट को वाई-आकार के जहाजों में डाला जाता है, तो प्रक्रियात्मक खुलासा करने वाले चरण दिखाए जाते हैं। प्रारंभ में, एक बेलनाकार ट्यूब डाला जाता है. डाला ट्यूब एक बार द्विभाजन कोर तक पहुँचने और अपने सामने आया मूल आकार के लिए रिटर्न विभाजित करने के लिए शुरू होता है। () प्रयोग के समय पर चित्र. ऊपरी बाएँ पोत के प्रारंभिक ट्रंक में मुड़ी हुई ट्यूब की प्रविष्टि को दर्शाते हैं। ऊपरी दाएँ द्विभाजन कोर पर सम्मिलित स्टेंट के विभाजन को दर्शाते हैं। नीचे पंक्ति स्टेंट की वसूली और अंतिम द्विभाजन स्टेंट की सटीक फिट से पता चलता है कि पूरी तरह से लक्षित रक्त वाहिकाओं की आकृति विज्ञान फिट बैठता है. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Supplementary Figure 1
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Supplementary Figure 2
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अनुपूरक फ़ाइलें. पोत मॉडल का डिजिटल मॉडल.

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Discussion

स्टेंट अक्सर इस तरह के रक्त वाहिकाओं और रोगियों के वायुमार्ग के रूप में भरा आंतरिक रास्ते साफ करने के लिए उपयोग किया जाता है। स्टेंट डालने के सर्जिकल ऑपरेशन के लिए रोगी की बीमारी और मानव शारीरिक विशेषताओं पर सावधानीपूर्वक विचार करना आवश्यक है। पोत का आकार जटिल है, और विविध शाखाओं की स्थिति मौजूद है। हालांकि, मानक स्टेंट परिचालन प्रक्रियाएं मानक आकारों के साथ बड़े पैमाने पर उत्पादित स्टेंट पर आधारित हैं। इस प्रोटोकॉल में, हमने दिखाया कि रक्त वाहिकाओं की सटीक ज्यामिति के आधार पर स्टेंट के निर्माण को व्यक्तिगत रूप से कैसे दर्जी किया जाए। ऐसा करने में, हम स्टेंट डिजाइन इतना है कि इंटीरियर खोखला बना दिया है और सतह ट्यूबलर meshes गुना और जब सक्रिय पूर्ण सामने आया विन्यास के लिए वापस आ जाएगा. हम द्विभाजन स्टेंट, जो आम तौर पर ट्यूबलर स्टेंट के कई नंबरों के साथ संचालन के दौरान उपयोग किया जाता है लक्षित किया है. हमारे द्विभाजन स्टेंट का डिजाइन एक पूरे के रूप में किया जाता है, और एक एकल ऑपरेशन की आवश्यकता होती है चाहे वह कितना जटिल हो और शाखाओं में कितनी शाखाएं मौजूद हों। महत्वपूर्ण सक्षम तकनीक है कि हम इस समस्या को हल करने के लिए इस्तेमाल किया है SMP है. संरचना की क्षमता को अपने मूल आकार में लौटने की उम्मीद है, इसलिए बलों को फिर से संकुचन से विस्तारित रास्ते को रोकने के लिए लागू कर रहे हैं.

एक अन्य महत्वपूर्ण विचार एक kirigami संरचना का उपयोग है. सबसे कठिन हिस्सा है कि कैसे एक एक कॉम्पैक्ट बेलनाकार ट्यूब में वाई के आकार की शाखाओं हटना कर सकते हैं. इस समस्या को एक kirigami संरचना का उपयोग कर हल किया गया है. प्रत्येक शाखा आधा सिलेंडरों में मुड़ा हुआ है और फिर एक साथ विलय कर दिया जाता है।

हमें द्विगुणित स्टेंट आकृति को याद करने के लिए 220-230 डिग्री सेल्सियस का इष्टतम तापमान मिला। इस तथ्य के आधार पर, एक्सट्रूडर तापमान 230 डिग्री सेल्सियस पर सेट किया गया था। जब तापमान इस तापमान से ऊपर सेट किया गया था, आकार की सटीकता समझौता किया गया था. जब तापमान इस तापमान से नीचे सेट किया जाता है, तो एसएमपी ने 3D प्रिंटर नोजल को भरा। यदि विभिन्न सामग्रियों का उपयोग किया जाता है, तो एक्सट्रूडर तापमान को समायोजित किया जाना चाहिए। प्रिंटर बिस्तर का तापमान कमरे के तापमान पर निर्धारित किया गया था। हम संरचना के अवांछित विरूपण का अनुभव जब प्रिंटर बिस्तर तापमान अधिक सेट किया गया था. साथ ही, यह अनुशंसा की जाती है कि आंतरिक भरण 70% से ऊपर सेट है। यह से बचने या समर्थकों की पीढ़ी को कम करने की सिफारिश की है, के रूप में वे अतिरिक्त postprocessing बोझ लागू होगा.

प्रयुक्त एसएमपी का कांच संक्रमण तापमान 55 डिग्री सेल्सियस था, और मुद्रित संरचना का नरम होना इस तापमान से ऊपर हुआ। जब मुद्रित द्विभाजन स्टेंट तह, हम इस तापमान के ऊपर एक पानी गर्म स्नान में पूरी संरचना डूब. जब विभिन्न SMPs उपयोग किया जाता है, एक पहले विशेष सामग्री के कांच के तापमान मिल जाना चाहिए. अन्य तापमान की वसूली विशेषताओं किम और ली15में पाया जा सकता है, जहां तेजी से प्रतिक्रियाओं उच्च तापमान के लिए दिखाया गया.

हमने द्विशाखित स्टेंट बनाने के लिए एक FDM 3D प्रिंटर का उपयोग किया। उत्पादित स्टेंट का आकार वास्तविक मानव वाहिकाओं में डालने के लिए बहुत बड़ा था। शोधकर्ताओं को विभिन्न प्रकार के 3 D प्रिंटर या छोटे नोजल व्यास वाले 3D प्रिंटर का उपयोग करने पर विचार करना चाहिए. बाद तकनीकी रूप से मुश्किल है क्योंकि SMPs अक्सर बहुत चिपचिपा रहे हैं और आसानी से नोजल रोकना होगा, खासकर जब छोटे व्यास के आकार नलिका का उपयोग किया जाता है.

हमारे काम की सीमाएं इस प्रकार हैं। कांच संक्रमण तापमान रोगियों के अंदर इस्तेमाल किया जा करने के लिए बहुत अधिक था। इसके अलावा, इस विशेष सामग्री bioसंगत साबित नहीं किया गया था. यह भी बेहतर है कि स्टेंट biodegradable हो सकता है जब पोत अब स्टेंट की जरूरत है यह गिरने से समर्थन करते हैं. इन समस्याओं SMPs के अन्य प्रकार के उपयोग और आगे व्यापक लाइव प्रयोगों के साथ हल किया जा सकता है.

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Disclosures

लेखकों को खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.

Acknowledgments

यह काम सूचना और संचार प्रौद्योगिकी योजना और मूल्यांकन संस्थान (IITP) कोरियाई सरकार द्वारा वित्त पोषित अनुदान द्वारा समर्थित किया गया था (एमएसआईटी) (नहीं 2018-0-01290, के लिए एक खुला डेटासेट और संज्ञानात्मक प्रसंस्करण प्रौद्योगिकी के विकास असंरचित मनुष्यों (पुलिस अधिकारियों, यातायात सुरक्षा अधिकारियों, पैदल चलने वालों, आदि) से प्राप्त सुविधाओं की मान्यता स्व-ड्राइविंग कारों में इस्तेमाल की जाने वाली गति) और जीआईस्ट रिसर्च इंस्टीट्यूट (जीआरआई) अनुदान 2019 में जीआईस्ट द्वारा वित्त पोषित है।

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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