4D bedrukte, geprinte stents met Kirigami-geïnspireerde structuren

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

Met behulp van een 3D-printer wordt een vormgeheugen polymeer filament geëxtrudeerd om een vertakte buis structuur te vormen. De structuur is zodanig vormgegeven en gevormd dat het kan contracteren in een compacte vorm eenmaal gevouwen en vervolgens terugkeren naar de gevormde vorm bij verhitting.

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

Vertakte vaten, meestal in de vorm van de letter "Y", kunnen worden verkleind of geblokkeerd, wat resulteert in ernstige gezondheidsproblemen. Bifurerde stents, die hol zijn in het interieur en exteriorly gevormd tot de vertakte vaten, chirurgisch ingebracht in de vertakte vaten, fungeren als een ondersteunende structuur zodat lichaamsvloeistoffen vrijelijk door het inwendige van de stents kunnen reizen zonder gehinderd door de vernauwde of geblokkeerde vaten. Om een bifurerde stent op de doellocatie te kunnen inzetten, moet deze in het vaartuig worden geïnjecteerd en binnen het vaartuig reizen om de doellocatie te bereiken. De diameter van het vat is veel kleiner dan de begrenzings sfeer van de bifurerde stent; zo is een techniek vereist, zodat de gebifurceerde stent klein genoeg blijft om door het schip te reizen en zich uitbreidt naar het beoogde vertakte vat. Deze twee tegenstrijdige voorwaarden, dat wil doen, klein genoeg om door te gaan en groot genoeg om de verkleinde passages structureel te ondersteunen, zijn uiterst moeilijk om tegelijkertijd aan te passen. We gebruiken twee technieken om aan de bovenstaande vereisten te voldoen. Ten eerste wordt aan de materiële zijde een vormgeheugen-polymeer (SMP) gebruikt voor het zelf initiëren van vormwijzigingen van klein naar groot, dat wil klein zijn bij het invoegen en groot worden op de doelsite. Ten tweede wordt aan de ontwerp zijde een Kirigami-patroon gebruikt om de vertakkings buizen in een enkele buis met een kleinere diameter te vouwen. De gepresenteerde technieken kunnen worden gebruikt om constructies te engineeren die tijdens het transport kunnen worden gecomprimeerd en terugkeren naar hun functioneel bedreven vorm wanneer ze worden geactiveerd. Hoewel ons werk gericht is op medische stents, moeten biocompatibiliteitsproblemen worden opgelost voordat ze daadwerkelijk klinisch worden gebruikt.

Introduction

Stents worden gebruikt om vernauwde of stenosed passages bij mensen te verbreden, zoals bloedvaten en luchtwegen. Stents zijn buisvormige structuren die lijken op de passages en mechanisch ondersteunen de passages van verdere instorsing. Typisch, zelfexpanderende metalen stents (SEMS) worden algemeen toegepast. Deze stents zijn gemaakt van legeringen die zijn samengesteld uit kobalt-chroom (roestvast staal) en nikkel-Titanium (nitinol)1,2. Het nadeel van metalen stents is dat druk necrose kan bestaan waar de metalen draden van de stent in aanraking komen met de levende weefsels en de stents worden beïnvloed. Bovendien kunnen de vaten van het lichaam onregelmatig gevormd en zijn veel complexer dan eenvoudige buisvormige structuren. In het bijzonder zijn er veel gespecialiseerde klinische procedures om stents in vertakte lumen te installeren. In een Y-vormig lumen worden twee cilindrische stents gelijktijdig ingebracht en samengevoegd in een tak3. Voor elke extra tak moet een extra chirurgische ingreep worden uitgevoerd. De procedure vereist speciaal opgeleide artsen, en het inbrengen is zeer uitdagend als gevolg van de uitstekende eigenschappen van de vertakte stents.

De complexiteit van de vorm van de door de bifurvererde stents is een zeer geschikt doel voor 3D-printen. Conventionele stents zijn massa geproduceerd in gestandaardiseerde maten en vormen. Met behulp van de 3D Printing fabricage methodologie is het mogelijk om de vorm van de stent voor elke patiënt aan te passen. Omdat vormen worden gemaakt door herhaaldelijk laag-voor-laag van de sectionele vormen van het doelobject toe te voegen, kan deze methode in theorie worden gebruikt om delen van elke vorm en grootte te fabriceren. Conventionele stents zijn meestal cilindrisch van vorm. Echter, menselijke schepen hebben takken, en de diameters veranderen langs de buizen. Met behulp van de voorgestelde aanpak kunnen al deze variaties in vormen en maten worden ondergebracht. Bovendien, hoewel niet aangetoond, kunnen de gebruikte materialen ook binnen één stent veranderen. We kunnen bijvoorbeeld stijvere materialen gebruiken waar ondersteuning nodig is en zachtere materialen waar meer flexibiliteit nodig is.

De vorm veranderende eis van bifurerde stents vraagt om 4D Printing, namelijk 3D printen met de extra aandacht van tijd. 3D gedrukte structuren gevormd met behulp van gespecialiseerde materialen kunnen worden geprogrammeerd om hun vorm te veranderen door een externe stimulatie, zoals warmte. De transformatie is zelfvolgehouden en vereist geen externe stroombronnen. Een speciaal materiaal dat geschikt is voor 4D Printing is een SMP4,5,6,7,8,9, die vormgeheugen effecten vertoont bij blootstelling aan een materiaal-specifieke triggering glas overgangstemperatuur. Bij deze temperatuur worden de segmenten zacht, zodat de structuur terugkeert naar de oorspronkelijke vorm. Nadat de structuur is 3D afgedrukt, wordt het verwarmd tot een temperatuur iets boven de glazen overgangstemperatuur. Op dit punt wordt de structuur zacht en kunnen we de vorm vervormen door krachten toe te passen. Terwijl het behoud van de toegepaste krachten, de structuur wordt afgekoeld, wordt gehard en behoudt zijn misvormde vorm, zelfs nadat de toegepaste krachten worden verwijderd. Vervolgens, in het laatste stadium, wanneer de structuur moet terugkeren naar de oorspronkelijke vorm, zoals het moment waarop de structuur de doellocatie bereikt, wordt warmte geleverd, zodat de structuur zijn glazen overgangstemperatuur bereikt. Ten slotte keert de structuur terug naar de oorspronkelijke vorm van het geheugen. Figuur 1 illustreert de verschillende stadia die eerder werden toegelicht. De SMPS kunnen gemakkelijk worden uitgerekt, en er zijn enkele SMPS die biocompatibel en biologisch afbreekbaar zijn9,10. Er zijn vele toepassingen voor SMPS op het gebied van geneeskunde9,10, en stents11,12 zijn een van hen.

De patronen van de stents en het opvouwbare ontwerp volgen het Japanse papier snijontwerp dat "Kirigami" wordt genoemd. Dit proces lijkt op de bekende papier vouwen techniek genaamd "origami," maar het verschil is dat naast het vouwen, snijden van het papier ook is toegestaan in het ontwerp. Deze techniek is gebruikt in de kunst en is ook toegepast in de technische toepassingen2,3,13,14. Kortom, Kirigami kan worden gebruikt om een planaire structuur te transformeren naar een driedimensionale structuur door krachten op speciaal ontworpen plekken toe te passen. In onze ontwerpvereisten moet de stent een eenvoudige cilindrische vorm zijn wanneer deze in de paden wordt gestoken en moet de cilinder langs de lengte worden verdeeld, waarbij elke helft moet worden ontvouwen tot een volledig cilindrische vorm bij het beoogde vertakte vat. De oplossing ligt in het feit dat het hoofd vaartuig en de zijtakken in een enkele cilinder zijn gevouwen, zodat de zijtakken niet interfereren met de wanden van de vaten tijdens het inbrengen. Het ontvouwende commando signaal komt van de toename van de omgevingstemperatuur boven de Glasovergangstemperatuur van de SMP. Bovendien wordt het vouwen buiten het patiënt lichaam uitgevoerd door de 3D-gedrukte bifurerde stent te verzachten en de zijtak in het hoofd vat te vouwen.

Conventionele methoden vereist het inbrengen van meerdere cilindrische stents waarvan het aantal gelijk is aan het aantal takken. Deze methode was onvermijdelijk omdat de uitsteeksels van de zijtakken de wanden van de paden belemmerd en het onmogelijk maakten om een volledige, in zijn geheel uitvererde stent in te voegen. Met behulp van de Kirigami structuur en 4D Printing, kunnen de bovenstaande problemen worden opgelost. Dit protocol toont ook de visualisatie van de effectiviteit van de voorgestelde methode met behulp van een silicone vaartuig model gefabriceerd na de vorm van bloedvaten. Door deze mock-up kan de effectiviteit van de voorgestelde uitvinding tijdens het inbrengen proces en verdere mogelijkheden van nieuwe toepassingen worden gezien.

Het doel van dit protocol is om duidelijk de stappen te beschrijven die betrokken zijn bij het afdrukken van een SMP met behulp van een FDM-printer (Fused depositie Modeling). Daarnaast worden de technieken die betrokken zijn bij het vervormen van de geprinte, in de gevouwen toestand ingeklapte staat, het inbrengen van de gevouwen, aan de doellocatie, en de signalering en ontvouwing van de structuur in de oorspronkelijke vorm in detail gegeven. De demonstratie van de inbrengen maakt gebruik van een siliconen mock-up van bloedvaten. Het protocol biedt ook de procedures die betrokken zijn bij het vervaardigen van deze mock-up met behulp van een 3D-printer en molding.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. ontwerp van het bloedvat mock-up voor de demonstratie

  1. Stel de diameter van het proximale hoofd vat in op 25 mm, de diameters van het distale hoofd vaartuig en de zijtak gelijk aan 22 mm. Stel de totale lengte van de vaten gelijk aan 140 mm. Stel de lengte van het proximale hoofd vaartuig, het distale hoofd vaartuig en de zijtak in op 6 respectievelijk 5 mm, 75 mm en 65 mm. Het volledige bloedvat wordt weergegeven in Figuur 2 en Figuur 3.
  2. Druk het computermodel van het vertakte vat af met behulp van een FDM 3D-printer. Gebruik een polycarbonaat filament.

2. bloedvat mock-up fabricage door molding

  1. Maak een doosvormige container die het 3D-gedrukte deel zal huis. Stel de afmetingen van de container in op 110 x 105 x 70 mm en gebruik een acrylplaat.
  2. Met het 3D geprinte vertakte vat dat in het midden van de doos wordt geplaatst, giet zachtjes de siliconen in de container om de ballonvorming te minimaliseren. Droog de vloeibare siliconen en verharden het voor 36 ~ 48 h.
  3. Verwijder gestanste siliconen uit de container en snijd deze in tweeën om het 3D-gedrukte deel te verwijderen. Sluit de verdeelde siliconen weer aan op het snijvlak. De resulterende aangesloten lichaam is de bloedvat mockup. Het eindresultaat is afgebeeld in Figuur 4.

3. ontwerp van de vertakte stent op basis van kirigami

Opmerking: de grootte van de vertakte stent is gemaakt om in de Y-vormige route van de bloedvat mockup te passen. Het interieur is hol gemaakt en de oppervlakte buisvormige mazen zijn ontworpen om functioneel te vouwen en terug te keren naar de volledige uitgevouwen configuratie.

  1. Ontwerp de romp van de bifurerde stent na golvende patronen vergelijkbaar met conventionele stents. Stel de diameter van de kofferbak in op 22 mm en de lengte van de kofferbak tot 38 mm.
  2. Ontwerp de twee vertakkingen als cilinder, zoals weergegeven in Figuur 5B. Stel de diameter van de tak in op 18 mm en de lengte van de tak tot 34 mm.
  3. Stel de totale lengte van de stent in op 72 mm. De uiteindelijke vorm wordt weergegeven in Figuur 6.

4.3D printen met SMP filamenten

  1. Druk de bifurerde stent af in een FDM 3D-printer met een SMP-filament. De belangrijkste samenstelling van dit filament is polyurethaan. De commerciële verkoper verschaft deze filamenten ook in de vorm van pellets, zodat de eindgebruiker ook extra stoffen kan toevoegen om de eigenschappen van het materiaal aan te passen (Figuur 7).
  2. Gebruik snijden-software voor model snijden en om de instellingen van de 3D-printer te beheren. Stel de extruder-temperatuur in op 230 °C en de temperatuur van de printer bed op kamertemperatuur. Stel de laag hoogte in op 0,1 mm om het trap-effect te minimaliseren.
  3. Stel de afdruksnelheid in op 3.600 mm/min. Stel de hoeveelheid van het opvul percentage voor de binnenruimte in op 80%. Neem de supporters formatie tijdens het printen, die nodig is omdat de structuur is hol in het interieur. Afbeelding 8 illustreert het afdrukproces.

5. het oppervlak gladstrijken

Opmerking: de volgende stappen zijn vereist omdat ruwe oppervlakken de vaten kunnen beschadigen door slijtage.

  1. Verwijder de supporters met behulp van frezen (Figuur 9A). De supporters zijn bevestigd aan de binnenkant van de stent. Wanneer u de stents verwijdert, moet u uiterste voorzichtigheid betrachten om te voorkomen dat de stents scheuren.
  2. Wrijf het oppervlak tegen schuurpapier (Figuur 9B) om de laag lijnen, striations of vlekken op het afgedrukte oppervlak te verwijderen. Herhaald polijsten kan nodig zijn wanneer de supporters worden verwijderd door de frezen.
  3. Verf het oppervlak met een spray op een goed geventileerde plaats en draag een persoonlijk masker. Reinig, zand en droog het oppervlak. Bescherm tegen overspuiten door dunne lagen van herhaalde verven toe te passen. Gebruik zwarte verven om het contrast tussen de siliconen vat mockup en de stent (Figuur 9C) te verbeteren.

6. vervormen van de bifurerde stent

  1. Plaats de in warm water bereide stents zodanig dat de temperatuur boven de glazen overgangstemperatuur ligt. Wanneer de stent wordt verzacht, duw je de helft van de tak tegen de andere helft. Nest de ene helft in de andere helft, zoals afgebeeld in Figuur 10A.
  2. Vouw de twee takken in een enkele cilinder zodat deze door het hoofd vaartuig kan reizen. Voer hetzelfde geneste proces uit naar de andere vertakking. Vervolgens worden de twee helften van de cilinders in één gesloten, zoals weergegeven in Figuur 10B.

7. inbrengen van de bifurerde stent in de vaten

  1. Vul een tank met warm water. Stel de watertemperatuur in op 55-60 °C. Dompel de siliconen vat mockup in de tank. Oriënteer de mockup zodanig dat het hoofd schip boven is en de takken eronder.
  2. Steek de gevouwen bifurerde stent in de opening van de siliconen vat mockup van bovenaf. Oriënteer de gevouwen gevelde stent zodanig dat de takken naar de opening gaan. De gevouwen bifurerde stent zal beginnen uit te breiden, en de onderste takken zullen zodanig verdelen dat elke tak naar zijn parings traject zal glijden van de bifurcatie kern van de Y-vormige vaten (Figuur 12).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

In dit protocol hebben we de procedures laten zien die nodig zijn om een bifurerde stent te fabriceren. De stent maakt gebruik van een Kirigami structuur om de bifurerde stent te laten vouwen in een compacte cilindrische buis, die zeer geschikt is om door de nauwe trajecten van bloedvaten te glijden. De SMP laat de gevouwen structuur terugkeren naar de oorspronkelijke vorm wanneer de temperatuur de glazen overgangstemperatuur bereikt. De originele vorm, 3D geprint met behulp van het SMP materiaal, komt nauw overeen met de vertakte vaten. Met andere woorden, het binnenoppervlak van de vertakte vaten, waar de lichaamsvloeistof stroomt, wordt verder naar binnen verschoven door de voorgeschreven dikte van de gefabriceerde stent. Er wordt een vaste vorm gecreëerd tussen het binnenoppervlak en het offset oppervlak. Deze vaste vorm past precies in het vat en kan worden gebruikt als model voor de stent. Vanwege het vermogen van het SMP om terug te keren naar de gememoriseerde vorm, keert de gevouwen structuur terug naar de voorgevormde vorm, die eenmaal is verhit boven de glazen overgangstemperatuur. De twee vertakte stents kunnen gemakkelijk worden gevormd in half-cilindrische buizen door gebruik te maken van de Kirigami structuur. De twee helften van de cilinders worden samengevoegd tot één cilinder en de Verenigde structuur is aangetoond dat hij door het hoofd vaartuig schuift en het bifurcatie gebied bereikt. Om de gevouwen structuur terug te geven naar zijn oorspronkelijke vorm, werd het experiment uitgevoerd in een water bij een temperatuur van 60 °C. Het is aangetoond dat elke zijtak zal verdelen, en elke tak zal naar de koppelings schepen in de bifurcatie gebied. De bifurerde stent werd in de Y-vormige vaten ingebracht als een geheel dat slechts één bewerking nodig had. Dit is veel eenvoudiger dan de conventionele werking die invoegingen van elke vertakkings stent afzonderlijk vereist. Deze resultaten tonen aan dat het mogelijk is om de stent-plaatsings operatie te vereenvoudigen tot een enkele operatie, terwijl voorgaande stent-operaties het aantal invoegingen van zijtak stents moest zijn hetzelfde als het aantal zijvertakkings bloedvaten.

Figure 1
Figuur 1 : Vorm transformatie schema van de smp. A) de afgedrukte vorm is de oorspronkelijke vorm. B) bij verhitting boven de Glasovergangstemperatuur (TG) wordt de structuur zacht. Wanneer een kracht wordt toegepast, wordt de structuur vervormd tot de gewenste vorm. C) de structuur wordt door afkoeling aan een vervormde vorm bevestigd. D) bij weer verwarming boven de Glasovergangstemperatuur wordt een terugwinnings kracht gegenereerd die de misvormde vorm naar de oorspronkelijke vorm teruggeeft. E) de herstelde vorm is hetzelfde als de oorspronkelijke vorm. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 2
Figuur 2 : De namen van de delen van een Y-vormig bloedvat worden weergegeven. Y-vormige vaten hebben een hoofd vaartuig en een zijtak. Het hoofd vaartuig bestaat uit een proximaal hoofd vaartuig en een distale hoofd vaartuig. Het proximale hoofd vaartuig is verdeeld in het zijvat en het distale hoofd schip, dat boven de door de bifurerde kern ligt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 3
Figuur 3 : Ontwerp van het bloedvat. (A) rechter aanzicht van de gemodelleerde bloedvat. Deze kant is ontworpen als een haak vorm om de driedimensionale aard van een echte bloedvat in het menselijk lichaam te uiten. B) vooraanzicht van het gemodelleerde bloedvat. Geroteerde weergave van het Y-vormige bloedvat volgens Figuur 2. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 4
Figuur 4 : Siliconen bloedvat mock-up. Een container gemaakt met acryl platen en 3D gedrukte bloedvat modellen worden gebruikt als een mal om deze mock-up te maken. De mock-up werd gemaakt met behulp van vloeibare siliconen, die werd gehard na het drogen. De Vooraanzicht (a) en de zijaanzicht (B) worden weergegeven. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 5
Figuur 5 : Ontwerp van de vertakkingen van de twee takken met behulp van kirigami. A) conceptueel ontwerp van de stent-tak. Het blad wordt langs de zwarte lijn gesneden. Vervolgens worden externe krachten toegepast op de specifieke punten in de opgegeven richting, zoals aangegeven door de rode pijlen. De resulterende geometrie van de in A beschreven bewerkingen wordt rechts, B. Een planaire plaat is omgevormd tot een driedimensionale buisvorm. B) het ontwerp van een buis stent op basis van de Kirigami-structuur. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 6
Figuur 6 : Het driedimensionale model van de bifurerde stent. De kofferbak maakt gebruik van golvende patronen die behoorlijk lijken op het conventionele stent-ontwerp. De twee bovenste takken maken gebruik van Kirigami structuren. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 7
Figuur 7 : Smp-filament. Het wordt geproduceerd in een filament vorm die gemakkelijk te printen is met behulp van een commerciële 3D-printer. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 8
Figuur 8 : Afbeelding van een 3D gedrukte bifurerde stent met behulp van een FDM (Fused afzetting Modeling) 3D-printer. De 3D-gedrukte bifurerde stent is bevestigd aan de 3D-printer bed met behulp van een dubbelzijdige lijm tape om te voorkomen dat de uitgang uitglijdt. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 9
Figuur 9 : Nabewerking van het 3D gedrukte resultaat. (A) opheffing van de supporters. De bifurerde stent is hol in het interieur en vereist dus een supporter tijdens 3D-printen. Het verwijderen van de supporters is vereist. B) de met de supporters afgekoerde stent wordt verwijderd. C) de bifurerde stent is gespoten om deze duidelijk te contrasteren met de siliconen paden. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 10
Figuur 10 : Illustratie van de vervorming en de herstel vorm van de bifurerde stent. A) de stent wordt verhit om deze te kunnen vervormen. Vervolgens worden krachten toegepast om de takken in een halfcilindrische vorm te vouwen. B) half-cilindrische vormen worden samengevoegd tot een enkele buisvormige structuur. De opklapbare procedurele stappen zijn van links naar rechts, en het herstelproces is het omgekeerde van het vouwen, dat zich van rechts naar links voordoet. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 11
Figuur 11 : De originele en gedeformeerde toestand van de bifurerde stent. Merk op dat de vervormd vorm de vorm van een cilinder is en gemakkelijk in het kofferbak gedeelte van de bloedvaten kan worden ingebracht. Wanneer de compact gevouwen vorm boven de Glasovergangstemperatuur wordt verhit, keert de vorm terug naar de originele vorm. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Figure 12
Figuur 12 : De tijd verstreken schoten van de terugstellende procedures van de gevouwen stent die in de vertakte bloedvaten zijn ingebracht, worden getoond. A) de procedurele ontvouwende stappen die worden uitgevoerd wanneer de in de Y-vormige vaartuigen geplaatste stent wordt ingevoegd. In eerste instantie wordt een enkele cilindrische buis ingebracht. De ingevoegde buis begint te verdelen zodra de gebifurerde kern bereikt en keert terug naar zijn uitgevouwen oorspronkelijke vorm. B) de getimede beelden van het experiment. Linksboven toont het inbrengen van de gevouwen buis in de opening kofferbak van het vat. De rechterbovenhoek toont de verdeling van de geplaatste stent bij de bifurerde kern. De onderste rij toont het herstel van de stent en de exacte pasvorm van de laatste gepelsde stent die perfect past bij de morfologie van de gerichte bloedvaten. Klik hier om een grotere versie van dit cijfer te bekijken.

Supplementary Figure 1
Klik hier om dit bestand te downloaden.

Supplementary Figure 2
Klik hier om dit bestand te downloaden.
Aanvullende bestanden. Digitaal model van het scheepsmodel.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Stents worden vaak gebruikt om de verstopte interne trajecten zoals de bloedvaten en de luchtwegen van patiënten te wissen. Chirurgische werking van het inbrengen van stents vereist zorgvuldige afweging van de ziekte van de patiënt en menselijke anatomische eigenschappen. De vorm van het schip is complex en er bestaan diverse vertakkings condities. De standaard stent-operationele procedures zijn echter gebaseerd op massa geproduceerde stents met standaard maten. In dit protocol hebben we laten zien hoe we de fabricage van de stent persoonlijk kunnen aanpassen op basis van de exacte geometrie van de bloedvaten. Daarbij ontwierpen we de stent zodat het interieur hol wordt gemaakt en de oppervlakte buisvormige mazen opvouwen en terugkeren naar de volledige uitgevouwen configuratie wanneer ze worden geactiveerd. We hebben gerichte bifurerde stents, die meestal worden gebruikt tijdens operaties met meerdere aantallen buisvormige stents. Het ontwerp van onze voorbereide stents wordt als geheel uitgevoerd en een enkele bewerking is vereist, ongeacht hoe complex en hoeveel takken er in de vertakte vaten bestaan. De belangrijkste schakel techniek die we hebben gebruikt om het probleem op te lossen is het SMP. Het vermogen van de structuur om terug te keren naar de oorspronkelijke vorm wordt verwacht, dus krachten worden uitgeoefend om te voorkomen dat de uitgebreide trajecten van de re-contractie.

Een ander belangrijk idee is het gebruik van een Kirigami structuur. Het moeilijkste deel is hoe men de Y-vormige takken kan verkleinen tot een compacte cilindrische buis. Dit probleem is opgelost met behulp van een Kirigami structuur. Elke tak wordt in halve cilinders gevouwen en vervolgens samengevoegd.

We vonden een optimale temperatuur van 220-230 °C om de bifurerde stent vorm te onthouden. Op basis van dit feit werd de extrudertemperatuur ingesteld op 230 °C. Toen de temperatuur boven deze temperatuur werd ingesteld, werd de nauwkeurigheid van de vorm aangetast. Wanneer de temperatuur onder deze temperatuur wordt ingesteld, verstopt de SMP de 3D-printer nozzle. Als er verschillende materialen worden gebruikt, moet de extrudertemperatuur worden aangepast. De temperatuur van het printerbed werd op kamertemperatuur gezet. We ondervonden ongewenste vervorming van de structuur wanneer de temperatuur van de printer bed hoger was ingesteld. Bovendien is het raadzaam dat de opvulling van de binnenkant is ingesteld op boven 70%. Het wordt aanbevolen om de generatie van supporters te vermijden of te minimaliseren, omdat ze extra postverwerkings lasten zullen opleggen.

De Glasovergangstemperatuur van de gebruikte SMP was 55 °C en de verzachting van de gedrukte structuur vond plaats boven deze temperatuur. Bij het vouwen van de bedrukte, geprinte stent hebben we de hele structuur ondergedompeld in een waterverwarmd Bad boven deze temperatuur. Wanneer verschillende SMPs worden gebruikt, moet men eerst de glas temperatuur van het betreffende materiaal vinden. De herstel karakteristieken van andere temperaturen zijn te vinden in Kim en Lee15, waar snellere reacties werden getoond voor hogere temperaturen.

We gebruikten een FDM 3D-printer om de bifurerde stent te fabriceren. De grootte van de geproduceerde stent was te groot om in echte menselijke vaten te worden ingebracht. Onderzoekers moeten overwegen verschillende soorten 3D-printers of 3D-printers te gebruiken met kleinere nozzle-diameters. Het laatste is technisch moeilijk omdat Smp's vaak erg visceus zijn en het mondstuk gemakkelijk verstoppen, vooral wanneer er kleinere nozzles worden gebruikt.

De beperkingen van ons werk zijn als volgt. De Glasovergangstemperatuur was te hoog om binnen patiënten te worden gebruikt. Bovendien is dit specifieke materiaal niet bewezen biologisch compatibel te zijn. Het verdient ook de voorkeur dat de stent biologisch afbreekbaar is wanneer het schip de stent niet meer nodig heeft om het te laten instineren. Deze problemen kunnen worden opgelost met het gebruik van andere soorten SMPs en verdere uitgebreide live experimenten.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

Dit werk werd gesteund door het Institute of Information & Communications Technology planning and Evaluation (IITP) subsidie gefinancierd door de Koreaanse overheid (MSIT) (No. 2018-0-01290, de ontwikkeling van een open dataset en cognitieve verwerkingstechnologie voor de herkenning van functies afgeleid van ongestructureerde mensen (politieagenten, verkeersveiligheid officieren, voetgangers, enz.) bewegingen gebruikt in zelfrijdende auto's) en het GIST Research Institute (GRI) subsidie gefinancierd door de GIST in 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