4D gedruckt bifurcated Stents mit Kirigami-inspirierten Strukturen

Engineering

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Summary

Mit einem 3D-Drucker wird ein Formgedächtnis-Polymer-Filament zu einer verzweigten röhrenförmigen Struktur extrudiert. Die Struktur ist so gemustert und geformt, dass sie sich nach dem Falten zu einer kompakten Form zusammenziehen und dann beim Erhitzen zu ihrer geformten Form zurückkehren kann.

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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

Verzweigte Gefäße, typischerweise in Form des Buchstabens "Y", können eingeengt oder blockiert werden, was zu ernsthaften gesundheitlichen Problemen führt. Bifurcated Stents, die innen hohl und nach außen zu den verzweigten Gefäßen geformt sind, chirurgisch in die verzweigten Gefäße eingesetzt, fungieren als Tragendestruktur, so dass Körperflüssigkeiten frei durch das Innere der Stents ohne durch die verengten oder blockierten Schiffe behindert werden. Damit ein zweifarbiger Stent am Zielort eingesetzt werden kann, muss er in das Innere des Schiffes injiziert werden und innerhalb des Schiffes reisen, um den Zielstandort zu erreichen. Der Durchmesser des Gefäßes ist viel kleiner als die Begrenzungskugel des zweifarbigen Stents; Daher ist eine Technik erforderlich, damit der bifurcated Stent klein genug bleibt, um durch das Schiff zu reisen und sich auf das zielgerichtete verzweigte Schiff ausdehnt. Diese beiden widersprüchlichen Bedingungen, d. h. klein genug, um durchzugehen und groß genug, um verengte Passagen strukturell zu stützen, sind äußerst schwer gleichzeitig zu erfüllen. Wir verwenden zwei Techniken, um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen. Zunächst wird auf der Materialseite ein Formgedächtnispolymer (SMP) verwendet, um Formänderungen von klein nach groß, d. h. klein zu initiieren, wenn sie eingefügt werden und am Zielstandort groß werden. Zweitens wird auf der Konstruktionsseite ein Kirigami-Muster verwendet, um die Verzweigungsrohre in ein einzelnes Rohr mit einem kleineren Durchmesser zu falten. Die vorgestellten Techniken können verwendet werden, um Strukturen zu konstruieren, die während des Transports verdichtet werden können und bei Aktivierung wieder in ihre funktional versierte Form zurückkehren können. Obwohl unsere Arbeit auf medizinische Stents ausgerichtet ist, müssen Biokompatibilitätsprobleme vor der tatsächlichen klinischen Anwendung gelöst werden.

Introduction

Stents werden verwendet, um verengte oder stenosed Passagen beim Menschen zu verbreitern, wie Blutgefäße und Atemwege. Stents sind röhrenförmige Strukturen, die den Passagen ähneln und die Passagen mechanisch vor dem weiteren Einstürzen stützen. Typischerweise sind selbstausdehnende Metallstents (SEMS) weit verbreitet. Diese Stents bestehen aus Legierungen aus Kobaltchrom (Edelstahl) und Nickel-Titan (Nitinol)1,2. Der Nachteil von Metallstents ist, dass Drucknekrose bestehen kann, wenn die Metalldrähte des Stents mit den lebenden Geweben in Kontakt kommen und die Stents betroffen sind. Darüber hinaus können die Gefäße des Körpers unregelmäßig geformt sein und sind viel komplexer als einfache röhrenförmige Strukturen. Insbesondere gibt es viele spezialisierte klinische Verfahren, um Stents in verzweigten Lumen zu installieren. In einem Y-förmigen Lumen werden zwei zylindrische Stents gleichzeitig eingesetzt und an einem Ast3verbunden. Für jeden weiteren Zweig muss ein zusätzlicher chirurgischer Eingriff durchgeführt werden. Das Verfahren erfordert speziell ausgebildete Ärzte, und das Einführen ist aufgrund der hervorstehenden Eigenschaften der verzweigten Stents äußerst anspruchsvoll.

Die Komplexität der Form von bifurcated Stents macht es zu einem sehr geeigneten Ziel für den 3D-Druck. Herkömmliche Stents werden in standardisierten Größen und Formen in Massen hergestellt. Mit Der 3D-Druckfertigungsmethode ist es möglich, die Form des Stents für jeden Patienten anzupassen. Da Shapes durch wiederholtes Hinzufügen von Layer-für-Layer der Schnittformen des Zielobjekts erstellt werden, kann diese Methode theoretisch verwendet werden, um Teile jeder Form und Größe zu erstellen. Herkömmliche Stents sind meist zylindrisch geformt. Menschliche Gefäße haben jedoch Zweige, und die Durchmesser ändern sich entlang der Rohre. Mit dem vorgeschlagenen Ansatz können all diese Variationen in Form und Größe berücksichtigt werden. Darüber hinaus können sich die verwendeten Materialien, auch wenn sie nicht nachgewiesen werden, innerhalb eines einzigen Stents ändern. Beispielsweise können wir steifere Materialien verwenden, bei denen Unterstützung benötigt wird, und weichere Materialien, wo mehr Flexibilität erforderlich ist.

Die Formänderungsanforderung von bifurcated Stents erfordert den 4D-Druck, nämlich den 3D-Druck unter Berücksichtigung der Zeit. 3D-gedruckte Strukturen, die mit speziellen Materialien geformt wurden, können so programmiert werden, dass sie ihre Form durch eine externe Stimulation, wie z. B. Wärme, ändern. Die Transformation ist selbsttragend und erfordert keine externen Energiequellen. Ein spezielles Material, das für den 4D-Druck geeignet ist, ist ein SMP4,5,6,7,8,9, das Formgedächtniseffekte aufweist, wenn materialspezifische auslöseglasübergangstemperatur. Bei dieser Temperatur werden die Segmente weich, so dass die Struktur wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt. Nachdem die Struktur 3D gedruckt wurde, wird sie auf eine Temperatur etwas über der Glasübergangstemperatur erhitzt. An diesem Punkt wird die Struktur weich, und wir sind in der Lage, die Form durch die Anwendung von Kräften zu verformen. Unter Beibehaltung der eingesetzten Kräfte wird die Struktur abgekühlt, verhärtet und behält ihre verformte Form, auch wenn die angewendeten Kräfte entfernt wurden. In der Endphase, in der die Struktur zu ihrer ursprünglichen Form zurückkehren muss, z. B. dem Moment, in dem die Struktur den Zielort erreicht, wird die Wärme zugeführt, so dass die Struktur ihre Glasübergangstemperatur erreicht. Schließlich kehrt die Struktur zu ihrer auswendig gelernten ursprünglichen Form zurück. Abbildung 1 zeigt die verschiedenen zuvor erläuterten Phasen. Die SMPs können leicht gedehnt werden, und es gibt einige SMPs, die biokompatibel und biologisch abbaubarsind 9,10. Es gibt viele Anwendungen für SMPs im Bereich der Medizin9,10, und Stents11,12 sind einer von ihnen.

Die Muster der Stents und das Faltdesign folgen dem japanischen Papierschnittdesign namens "kirigami". Dieser Prozess ähnelt der bekannten Papierfalttechnik namens "Origami", aber der Unterschied ist, dass neben dem Falten auch das Schneiden des Papiers im Design erlaubt ist. Diese Technik wurde in der Kunst verwendet und wurde auch in technischen Anwendungen2,3,13,14angewendet. Kurz gesagt, Kirigami kann verwendet werden, um eine planare Struktur in eine dreidimensionale Struktur zu transformieren, indem Kräfte an speziell entworfenen Stellen angewendet werden. In unseren Konstruktionsanforderungen muss der Stent eine einfache zylindrische Form sein, wenn er in die Bahnen eingeführt wird, und der Zylinder sollte sich entlang seiner Länge teilen, wobei sich jede Hälfte auf eine vollständig zylindrische Form am gezielt enderverzweigten Gefäß entfalten sollte. Die Lösung liegt darin, dass das Hauptgefäß und die Seitenäste in einen zylindergefaltet werden, so dass die Seitenäste während des Einsetzens nicht mit den Wänden der Gefäße stören. Das sich entfaltende Befehlssignal kommt von der Erhöhung der Umgebungstemperatur über der Glasübergangstemperatur des SMP. Zusätzlich wird die Faltung außerhalb des Patientenkörpers durchgeführt, indem der 3D-gedruckte bifurcated Stent entweicht und der Seitenzweig in das Hauptgefäß gefaltet wird.

Herkömmliche Methoden erforderten das Einfügen mehrerer zylindrischer Stents, deren Anzahl der Anzahl der Zweige entspricht. Diese Methode war unvermeidlich, weil die Vorsprünge der Seitenzweige die Wände der Wege behinderten und es unmöglich machten, einen kompletten zweifarbigen Stent in seiner Gesamtheit einzusetzen. Mit der Kirigami-Struktur und dem 4D-Druck können die oben genannten Probleme gelöst werden. Dieses Protokoll zeigt auch die Visualisierung der Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode mit einem Silikongefäßmodell, das nach der Form der Blutgefäße hergestellt wird. Durch dieses Mock-up kann die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Erfindung während des Insertionsprozesses und weitere Möglichkeiten neuer Anwendungen sichtbar werden.

Mit diesem Protokoll sollen die Schritte zum Drucken eines SMP mithilfe eines FDM-Druckers (FDM) (FUSED Deposition Modeling) klar beschrieben werden. Darüber hinaus werden Techniken zur Verformung der bedruckten bifurcated Stents in den gefalteten Zustand, das Einfügen der gefalteten zweifaltigen Stents an die Zielstelle und die Signalisierung und Entfaltung der Struktur in ihre ursprüngliche Form detailliert gegeben. Bei der Demonstration der Einfügung wird ein Silikon-Mock-up von Blutgefäßen verwendet. Das Protokoll stellt auch die Verfahren bei der Herstellung dieses Mock-upmit mit einem 3D-Drucker und Formgebung.

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Protocol

1. Blutgefäß-Mock-up-Design für die Demonstration

  1. Stellen Sie den Durchmesser des proximalen Hauptgefäßes auf 25 mm, die Durchmesser des distalen Hauptgefäßes und des Seitenzweigs auf 22 mm. Stellen Sie die Gesamtlänge der Gefäße auf 140 mm an. Legen Sie die Länge des proximalen Hauptgefäßes, des distalen Hauptgefäßes und des Seitenzweigs auf 6 5 mm, 75 mm bzw. 65 mm. Das vollständige Blutgefäß ist in Abbildung 2 und Abbildung 3dargestellt.
  2. Drucken Sie das Computermodell des verzweigten Behälters mit einem FDM 3D-Drucker. Verwenden Sie ein Polycarbonat-Filament.

2. Blutgefäß-Mock-up-Herstellung durch Formen

  1. Erstellen Sie einen kastenförmigen Behälter, in dem das 3D-gedruckte Teil untergebracht ist. Stellen Sie die Behälterabmessungen auf 110 x 105 x 70 mm ein und verwenden Sie eine Acrylplatte.
  2. Mit dem 3D gedruckten verzweigten Gefäß in der Mitte der Box platziert, gießen Sie das Silikon vorsichtig in den Behälter, um Blasenbildung zu minimieren. Trocknen Sie das flüssige Silikon und härten Sie es für 36 x 48 h aus.
  3. Entfernen Sie verfestigtes Silikon aus dem Behälter und schneiden Sie es in die Hälfte, um das 3D-gedruckte Teil zu entfernen. Schließen Sie sich dem geteilten Silikon an der Schnittebene an. Der resultierende gegsellte Körper ist das Blutgefäß-Mockup. Das Endergebnis ist Abbildung 4dargestellt.

3. Design des verzweigten Stents auf Basis von Kirigami

HINWEIS: Die Größe des verzweigten Stents ist so gemacht, dass er kuschelig in den Y-förmigen Weg des Blutgefäß-Mockups passt. Der Innenraum ist hohl gemacht, und die Oberflächenrohrnetze sind so konzipiert, dass sie funktional gefaltet werden und zur vollen entfalteten Konfiguration zurückkehren.

  1. Entwerfen Sie den Stamm des bifurcated Stent nach welligen Mustern ähnlich wie herkömmliche Stents. Stellen Sie den Durchmesser des Stammes auf 22 mm und die Länge des Stammes auf 38 mm ein.
  2. Entwerfen Sie die zweifarbigen Zweige als Zylinder, wie in Abbildung 5Bdargestellt. Stellen Sie den Durchmesser des Zweiges auf 18 mm und die Länge des Zweiges auf 34 mm ein.
  3. Stellen Sie die Gesamtlänge des Stents auf 72 mm ein. Die endgültige Form ist in Abbildung 6dargestellt.

4. 3D-Druck mit SMP-Filamenten

  1. Drucken Sie den bifurcated Stent in einem FDM 3D-Drucker mit einem SMP-Filament. Die Hauptzusammensetzung dieses Filaments ist Polyurethan. Der gewerbliche Anbieter stellt diese Filamente auch in Form von Pellets zur Verfügung, so dass der Endverbraucher auch zusätzliche Substanzen hinzufügen kann, um die Eigenschaften des Materials anzupassen (Abbildung 7).
  2. Verwenden Sie Schneidsoftware zum Modellschneiden und zur Steuerung der Einstellungen des 3D-Druckers. Stellen Sie die Extrudertemperatur auf 230 °C und die Temperatur des Druckerbetts auf Raumtemperatur ein. Stellen Sie die Schichthöhe auf 0,1 mm ein, um den Treppeneffekt zu minimieren.
  3. Stellen Sie die Druckgeschwindigkeit auf 3.600 mm/min ein. Stellen Sie den Anteil des Innenfüllwerts auf 80 % ein. Schließen Sie die Unterstützerbildung während des Drucks ein, die benötigt wird, da die Struktur im Inneren hohl ist. Abbildung 8 zeigt den Druckprozess.

5. Glätten der Oberfläche

HINWEIS: Die folgenden Schritte sind erforderlich, da raue Oberflächen die Gefäße durch Abrieb beschädigen können.

  1. Entfernen Sie die Unterstützer mit Fräsern (Abbildung 9A). Die Unterstützer sind im Inneren des Stents befestigt. Beim Entfernen der Stents, üben Sie äußerste Vorsicht, um zu vermeiden, die Stents zu reißen.
  2. Reiben Sie die Oberfläche gegen Schleifpapier (Abbildung 9B), um die Ebenenlinien, Ststriche oder Flecken auf der bedruckten Oberfläche zu entfernen. Wiederholtes Polieren kann erforderlich sein, wenn die Unterstützer von den Fräsern entfernt werden.
  3. Malen Sie die Oberfläche mit einem Spray an einem gut belüfteten Ort, und tragen Sie eine persönliche Maske. Reinigen, sanden und trocknen Sie die Oberfläche. Schützen Sie vor Übersprühen, indem Sie dünne Schichten wiederholter Farben auftragen. Verwenden Sie schwarze Farben, um den Kontrast zwischen dem Silikongefäß-Mockup und dem Stent zu verbessern (Abbildung 9C).

6. Deformieren des bifurcated Stent

  1. Legen Sie die zweifarbigen Stents in warmes Wasser, so dass die Temperatur über der Glasübergangstemperatur liegt. Wenn der Stent aufgeweicht wird, drücken Sie die eine Hälfte des Zweiges gegen die andere Hälfte. Nest eine Hälfte innerhalb der anderen Hälfte, wie in Abbildung 10Agezeigt.
  2. Falten Sie die beiden Zweige in einen einzigen Zylinder, so dass es durch das Hauptschiff reisen kann. Führen Sie denselben Verschachtelungsprozess für den anderen Zweig aus. Anschließend werden die beiden Zylinderhälften in einer geschlossen, wie in Abbildung 10Bdargestellt.

7. Einsetzen des bifurcated Stentins in die Gefäße

  1. Füllen Sie einen Tank mit warmem Wasser. Stellen Sie die Wassertemperatur auf 55-60 °C ein. Tauchen Sie das Silikongefäß-Mockup in den Tank ein. Richten Sie das Mockup so aus, dass das Hauptschiff oben und die Zweige unten sind.
  2. Setzen Sie den gefalteten zweifarbigen Stent von oben in die Öffnung des Silikongefäß-Mockups ein. Richten Sie den gefalteten zweifarbigen Stent so aus, dass seine Zweige zur Öffnung hin ausgerichtet sind. Der gefaltete zweifarbige Stent beginnt sich auszudehnen, und die unteren Zweige werden so geteilt, dass jeder Zweig vom Verzweigungskern der Y-förmigen Gefäße (Abbildung 12 ) zu seinem Paarungsweg gleitet (Abbildung 12).

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Representative Results

In diesem Protokoll zeigten wir die Verfahren, die erforderlich sind, um einen bifurcated Stent herzustellen. Der Stent verwendet eine Kirigami-Struktur, um den bifurcated Stent in ein kompaktes zylindrisches Rohr zu falten, das sehr gut zum Gleiten durch die schmalen Wege der Blutgefäße geeignet ist. Der SMP ermöglicht es der gefalteten Struktur, zu ihrer ursprünglichen Form zurückzukehren, wenn die Temperatur die Glasübergangstemperatur erreicht. Die ursprüngliche Form, 3D gedruckt mit dem SMP-Material, passt eng zu den verzweigten Gefäßen. Mit anderen Worten, die Innenfläche der verzweigten Gefäße, in denen die Körperflüssigkeit fließt, wird weiter innen durch die vorgeschriebene Dicke des hergestellten Stents versetzt. Zwischen der inneren Fläche und der Versatzfläche wird eine Volumenkörperform erstellt. Diese feste Form passt genau zum Gefäß und kann als Modell für den Stent verwendet werden. Aufgrund der Fähigkeit des SMP, zu seiner auswendig gelernten Form zurückzukehren, kehrt die gefaltete Struktur zu der vorgeformten Form zurück, sobald sie über ihre Glasübergangstemperatur erhitzt wurde. Die beiden verzweigten Stents lassen sich durch Die Nutzung der Kirigami-Struktur leicht zu halbzylindrischen Rohren formen. Die beiden Hälften der Zylinder werden zu einem Zylinder verschmolzen, und die vereinigte Struktur hat gezeigt, dass sie durch das Hauptgefäß gleitet und den Bifurkationsbereich erreicht. Um die gefaltete Struktur wieder in ihre ursprüngliche Form zu bringen, wurde das Experiment in einem Wasser bei einer Temperatur von 60 °C durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass jeder Seitenzweig sich teilt, und jeder Zweig wird zu seinen Paarungsgefäßen im Bifurkationsbereich gehen. Der bifurcated Stent wurde in die Y-förmigen Gefäße als Ganzes eingeführt, die nur eine einzige Operation erforderten. Dies ist viel einfacher als die herkömmliche Operation, die das Einstecken jedes Verzweigungssstents separat erfordert. Diese Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, den Stent-Einfügevorgang auf einen einzigen Vorgang zu vereinfachen, während bei früheren Stentoperationen die Anzahl der Einfügungen von Seitenzweig-Stents mit der Anzahl der seitlich verzweigten Blutgefäße identisch sein muss.

Figure 1
Abbildung 1 : Shape-Transformationsdiagramm des SMP. (A) Die gedruckte Form ist die ursprüngliche Form. (B) Wenn sie über der Glasübergangstemperatur (Tg) erhitzt wird, wird die Struktur weich. Wenn eine Kraft angewendet wird, wird die Struktur auf die gewünschte Form verformt. (C) Die Struktur wird durch Abkühlen an eine verformte Form fixiert. (D) Bei erneuter Erhitzung über der Glasübergangstemperatur wird eine Rückgewinnungskraft erzeugt, die die verformte Form in ihre ursprüngliche Form zurückgibt. (E) Die wiederhergestellte Form ist die gleiche wie die ursprüngliche Form. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 2
Abbildung 2 : Die Namen der Teile eines Y-förmigen Blutgefäßes werden angezeigt. Y-förmige Schiffe haben ein Hauptgefäß und einen Seitenzweig. Das Hauptschiff besteht aus einem proximalen Hauptschiff und einem distalen Hauptschiff. Das proximale Hauptgefäß ist in das Seitengefäß und das distale Hauptgefäß unterteilt, das über dem zweifarbigen Kern liegt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 3
Abbildung 3 : Design des Blutgefäßes. (A) Rechte Seitenansicht des modellierten Blutgefäßes. Diese Seite ist als Hakenform konzipiert, um die dreidimensionale Natur eines echten Blutgefäßes im menschlichen Körper auszudrücken. (B) Voransicht des modellierten Blutgefäßes. Gedrehte Ansicht des Y-förmigen Blutgefäßes gemäß Abbildung 2. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 4
Abbildung 4 : Silikon-Blutgefäß-Mock-up. Ein Behälter aus Acrylplatten und 3D-gedruckten Blutgefäßmodellen wird als Form verwendet, um dieses Mock-up zu erstellen. Das Mock-up wurde aus flüssigem Silikon hergestellt, das nach dem Trocknen gehärtet wurde. Die Frontansicht (A) und die Seitenansicht (B) werden angezeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 5
Abbildung 5 : Design der zweifarbigen Stentzweige mit Kirigami. (A) Konzeptionelles Design des Stentzweigs. Das Blatt wird entlang der schwarzen Linie geschnitten. Anschließend werden externe Kräfte an den spezifischen Punkten in der angegebenen Richtung angewendet, wie durch die roten Pfeile markiert. Die resultierende Geometrie der in A beschriebenen Operationen wird rechts gezeigt, B. Ein planares Blatt wurde in eine dreidimensionale röhrenförmige Form umgewandelt. (B) Das Design eines röhrenförmigen Stents auf der Grundlage der Kirigami-Struktur. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 6
Abbildung 6 : Das dreidimensionale Modell des bifurcated Stent. Der Stamm verwendet wellige Muster, die dem herkömmlichen Stent-Design sehr ähnlich sind. Die beiden oberen Zweige nutzen Kirigami-Strukturen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 7
Abbildung 7 : SMP-Filament. Es wird in einer Filamentform hergestellt, die einfach mit einem kommerziellen 3D-Drucker zu drucken ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 8
Abbildung 8 : Bild eines 3D-gedruckten bifurcated Stent mit einem FDM (fused deposition modeling) 3D-Drucker. Der 3D-gedruckte bifurcated Stent wird mit einem doppelseitigen Klebeband am 3D-Druckerbett befestigt, um ein Verrutschen der Ausgabe zu verhindern. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 9
Abbildung 9 : Nachbearbeitung des 3D-gedruckten Ergebnisses. (A) Entfernung der Unterstützer. Der bifurcated Stent ist im Innenraum hohl und benötigt daher beim 3D-Druck einen Unterstützer. Die Entfernung der Unterstützer ist erforderlich. (B) Der bifurcated Stent mit den Unterstützern entfernt. (C) Der bifurcated Stent ist sprühlackiert, um ihn deutlich von den Silikonwegen zu kontrastieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 10
Abbildung 10 : Abbildung der Verformung und der Erholungsform des bifurcated Stent. (A) Der Stent wird erhitzt, um ihn formbar zu machen. Anschließend werden Kräfte eingesetzt, um die Zweige in eine halbzylindrische Form zu falten. (B) Halbzylindrische Formen werden zu einer einzigen röhrenförmigen Struktur kombiniert. Die klappbaren Verfahrensschritte sind von links nach rechts, und der Wiederherstellungsprozess ist die Rückseite der Faltung, die von rechts nach links auftritt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 11
Abbildung 11 : Der ursprüngliche und deformierte Zustand des bifurcated Stent. Beachten Sie, dass die verformte Form die Form eines Zylinders ist und leicht in den Rumpfteil der Blutgefäße eingeführt werden kann. Wenn die kompakt gefaltete Form über die Glasübergangstemperatur erhitzt wird, kehrt die Form zu ihrer ursprünglichen zweifaltigen Form zurück. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Figure 12
Abbildung 12 : Gezeigt werden die zeitabgelaufenen Aufnahmen der Wiederherstellungsvorgänge des gefalteten Stents, der in die verzweigten Blutgefäße eingeführt wurde. (A) Die verfahrenstechnischen Entfaltungsschritte, wenn der bifurcated Stent in die Y-förmigen Gefäße eingeführt wird, werden angezeigt. Zunächst wird ein einzelnes zylindrisches Rohr eingesetzt. Das eingefügte Rohr beginnt zu teilen, sobald es den gespaltenen Kern erreicht hat, und kehrt zu seiner entfalteten ursprünglichen Form zurück. (B) Die zeitzeitlichen Bilder des Experiments. Die obere linke Seite zeigt das Einführen des gefalteten Rohres in den sich öffnenden Stamm des Gefäßes. Die obere rechte Seite zeigt die Teilung des eingesetzten Stents am bifurcated Kern. Die untere Reihe zeigt die Wiederherstellung des Stents und die exakte Passform des letzten zweifarbigen Stents, der perfekt zur Morphologie der zielgerichteten Blutgefäße passt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Supplementary Figure 1
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Supplementary Figure 2
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Ergänzende Dateien. Digitales Modell des Schiffsmodells.

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Discussion

Stents werden oft verwendet, um die verstopften inneren Bahnen wie die Blutgefäße und Atemwege der Patienten zu löschen. Die chirurgische Operation der Einfügung von Stents erfordert eine sorgfältige Abwägung der Erkrankung des Patienten und der menschlichen anatomischen Eigenschaften. Die Form des Schiffes ist komplex, und es gibt vielfältige Verzweigungsbedingungen. Die Standard-Stent-Betriebsverfahren basieren jedoch auf massenproduzierten Stents mit Standardgrößen. In diesem Protokoll haben wir gezeigt, wie man die Herstellung des Stents auf der Grundlage der exakten Geometrie der Blutgefäße persönlich zuschneiden kann. Dabei haben wir den Stent so gestaltet, dass das Innere hohl gemacht wird und die Oberflächenrohrnetze falten und bei Aktivierung zur vollen entfalteten Konfiguration zurückkehren. Wir haben bifurcated Stents, die in der Regel bei Operationen mit mehreren Anzahl von röhrenförmigen Stents verwendet werden. Das Design unserer zweifarbigen Stents wird als Ganzes durchgeführt, und es ist eine einzige Operation erforderlich, unabhängig davon, wie komplex und wie viele Zweige in den verzweigten Gefäßen vorhanden sind. Die Schlüssel-Aktivierungstechnik, die wir verwendet haben, um das Problem zu lösen, ist der SMP. Die Fähigkeit der Struktur, zu ihrer ursprünglichen Form zurückzukehren, wird erwartet, so dass Kräfte ausgeübt werden, um die erweiterten Pfade von der Re-Kontraktion zu verhindern.

Eine weitere wichtige Idee ist die Verwendung einer Kirigami-Struktur. Das Schwierigste ist, wie man die Y-förmigen Zweige zu einem kompakten zylindrischen Rohr verkleinern kann. Dieses Problem wurde mit einer Kirigami-Struktur gelöst. Jeder Ast wird in halbzylinder gefaltet und dann zusammengeführt.

Wir fanden eine optimale Temperatur von 220-230 °C, um die bifurcated Stent Form auswendig zu lernen. Auf dieser Grundlage wurde die Extrudertemperatur auf 230 °C eingestellt. Wenn die Temperatur über dieser Temperatur eingestellt wurde, wurde die Genauigkeit der Form beeinträchtigt. Wenn die Temperatur unter dieser Temperatur eingestellt ist, verstopft emittiert der SMP die 3D-Druckerdüse. Wenn verschiedene Materialien verwendet werden, sollte die Extrudertemperatur angepasst werden. Die Temperatur des Druckerbettes wurde auf Raumtemperatur eingestellt. Wir erlebten unerwünschte Verformungen der Struktur, wenn die Temperatur des Druckerbettes höher eingestellt wurde. Darüber hinaus wird empfohlen, dass die Innenfüllung auf über 70% eingestellt ist. Es wird empfohlen, die Generierung von Unterstützern zu vermeiden oder zu minimieren, da sie zusätzliche Nachbearbeitungslasten verursachen.

Die Glasübergangstemperatur des verwendeten SMP betrug 55 °C, und die Erweichung der gedruckten Struktur erfolgte oberhalb dieser Temperatur. Beim Falten des bedruckten bifurcated Stent, tauchten wir die gesamte Struktur in ein Wasser beheiztes Bad über dieser Temperatur. Wenn verschiedene SMPs verwendet werden, sollte man zuerst die Glastemperatur des jeweiligen Materials finden. Die Erholungseigenschaften anderer Temperaturen finden sich in Kim und Lee15, wo schnellere Reaktionen auf höhere Temperaturen gezeigt wurden.

Wir verwendeten einen FDM 3D-Drucker, um den bifurcated Stent herzustellen. Die Größe des produzierten Stents war zu groß, um in echte menschliche Gefäße eingesetzt zu werden. Die Forscher sollten verschiedene Arten von 3D-Druckern oder 3D-Druckern mit kleineren Düsendurchmessern verwenden. Letzteres ist technisch schwierig, da SMPs oft sehr zähflüssig sind und die Düse leicht verstopfen, insbesondere wenn kleinere Düsen mit größerem Durchmesser verwendet werden.

Die Grenzen unserer Arbeit sind wie folgt. Die Glasübergangstemperatur war zu hoch, um sie im Patientenbereich zu verwenden. Darüber hinaus wurde dieses spezielle Material nicht als biokompatibel erwiesen. Es ist auch vorzuziehen, dass der Stent biologisch abbaubar ist, wenn das Gefäß den Stent nicht mehr benötigt, um ihn vor dem Kollaps zu unterstützen. Diese Probleme könnten mit der Verwendung anderer Arten von SMPs und weiteren umfangreichen Live-Experimenten gelöst werden.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts zu verraten.

Acknowledgments

Diese Arbeit wurde durch das Vom Institute of Information & Communications Technology Planning and Evaluation (IITP) geförderte Stipendium der koreanischen Regierung (MSIT) (Nr. 2018-0-01290, Entwicklung eines offenen Datensatzes und kognitiver Verarbeitungstechnologie für die Anerkennung von Merkmalen, die von unstrukturierten Menschen (Polizeibeamte, Verkehrssicherheitsbeamte, Fußgänger usw.) in selbstfahrenden Autos abgeleitet wurden, und des GIST Research Institute (GRI), das 2019 vom GIST finanziert wird.

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

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