キリガミ風構造の4Dプリント分岐ステント

Engineering

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Summary

3Dプリンターを用いて、形状記憶ポリマーフィラメントを押し出して分岐管構造を形成する。構造は、一度折りたたんでコンパクトな形に収縮し、加熱するとその形成された形状に戻ることができるようにパターン化され、形状化されています。

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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

分岐した血管は、典型的には文字「Y」の形で、狭窄またはブロックされ、深刻な健康上の問題を引き起こす。内側に中空され、分岐した血管に外側に形成された分岐したステントは、分岐した容器の中に外科的に挿入され、体液がステントの内部を自由に移動できるように支持構造として機能します。狭いまたはブロックされた容器によって妨げられている。二股ステントをターゲットサイトに展開するには、船内に注入し、対象部位に到達するために船内を移動する必要があります。容器の直径は、二股ステントの境界球よりもはるかに小さい。したがって、二股ステントが容器を通過するのに十分な小さなままで、標的枝の血管で膨張するように技術が必要です。これら2つの相反する条件、すなわち、通過するのに十分な小さく、構造的に狭い通路をサポートするのに十分な大きさは、同時に満たすることは非常に困難である。上記の要件を満たすために、2 つの手法を使用します。まず、材料側では、形状記憶ポリマー(SMP)を用いて形状変化を小さいものから大きく、すなわち、挿入時に小さく、ターゲット部位で大きくなってしまう。第二に、設計面では、折り紙パターンを使用して、より小さな直径を持つ単一のチューブに分岐チューブを折りたたみます。提示された技術は輸送の間に圧縮され、作動した時に機能的に熟練した形に戻ることができる構造を設計するために使用することができる。私たちの仕事は医療用ステントを対象としていますが、実際の臨床使用の前に生体適合性の問題を解決する必要があります。

Introduction

ステントは、血管や気道などのヒトの狭窄または狭窄した通路を広げるのに用いられる。ステントは、通路に似た管状の構造であり、機械的にさらなる崩壊からの通路をサポートします。典型的には、自己膨張金属ステント(SEMS)が広く採用されている。これらのステントはコバルトクロム(ステンレス鋼)およびニッケルチタン(ニチノール)1、2から成る合金からなされる。金属ステントの欠点は、ステントの金属ワイヤーが生組織に接触し、ステントが影響を受ける場合に、圧力壊死が存在する可能性があることです。さらに、体の血管は不規則な形にすることができ、単純な管状構造よりもはるかに複雑です。特に、分岐した内膜にステントを取り付ける多くの専門的な臨床手順があります。Y字型のルーメンでは、2つの円筒形のステントが同時に挿入され、分岐3で結合されます。各追加の分岐のために、追加の外科的処置を行う必要があります。プロシージャは特別な訓練を受けた医者を要求し、挿入は分岐したステントの突出した特徴のために非常に挑戦的である。

二股ステントの形状の複雑さは、3Dプリンティングに非常に適したターゲットになります。従来のステントは、標準化されたサイズと形状で大量生産されています。3Dプリンティング製作方法論を用いて、患者毎にステントの形状をカスタマイズすることができる。シェイプは、ターゲット オブジェクトの断面形状のレイヤーごとに繰り返し追加することで行われるため、理論的には、この方法を使用して、任意の形状とサイズのパーツを製造できます。従来のステントは、主に円筒形の形状である。しかし、人間の血管には枝があり、直径は管に沿って変化します。提案されたアプローチを使用して、形状およびサイズのすべてのこれらの変化を収容することができる。さらに、実証されていないが、使用される材料はまた、単一のステント内で変更することができます。例えば、サポートが必要な硬質な材料や、より柔軟性が求められる柔らかい素材を使用できます。

二股ステントの形状変化要件は、4Dプリンティング、すなわち、時間の追加の考慮と3D印刷を必要とします。特殊な材料を用いて形成された3Dプリント構造は、熱などの外部刺激によって形状を変化させるプログラムが可能です。変換は自立的であり、外部電源は必要ありません。4Dプリンティングに適した1つの特殊な材料は、SMP4、5、6、7、8、9であり、それにさらされたときに形状記憶効果を発揮する材料特異的トリガガラス遷移温度。この温度では、セグメントが柔らかくなり、構造が元のシェイプに戻ります。構造が3Dプリントされた後、ガラス転移温度をわずかに上回る温度に加熱される。この時点で構造が柔らかくなり、力を加えることで形状を変形させることができる。適用された力を維持しながら、構造は冷却され、硬化し、適用された力が除去された後でも、その変形形状を保持します。その後、最終段階で、構造がターゲット部位に到達した瞬間など、構造が元の形状に戻る必要がある場合、構造がガラス遷移温度に達するように熱が供給されます。最後に、構造体は記憶された元の形状に戻ります。図1は、前に説明した様々な段階を示す。SM は簡単に引き伸ばすことができ、生体適合性と生分解性910の SM があります。医学9、10、ステント11、12の分野ではSMの多くの用途があります。

ステントの模様と折りたたみデザインは、「切り紙」と呼ばれる和紙の切削デザインに従っています。このプロセスは、「折り紙」と呼ばれるよく知られている紙の折りたたみ技術に似ていますが、違いは、折りたたみに加えて、紙の切断も設計に許可されていることです。この技術は、芸術に使用され、また、エンジニアリングアプリケーション2、3、13、14に適用されています。要するに、キリガミは、具体的に設計されたスポットに力を加えることによって、平面構造を3次元構造に変換するために使用することができます。私たちの設計要件では、ステントは経路に挿入される際に単純な円筒形状である必要があり、シリンダーは、各半分がターゲット分岐容器で完全に円筒形に展開する必要があり、その長さに沿って分割する必要があります。解決策は、主な容器と側枝が挿入中に容器の壁に干渉しないように、単一のシリンダーに折り畳まれるという事実にあります。展開コマンド信号は、SMPのガラス遷移温度を上回る周囲温度の上昇から来ています。さらに、折りたたみは、3Dプリントされた二股ステントを柔らかくし、側面の枝をメイン容器に折りたたむことで、患者の体外で行われます。

従来の方法では、その数が分岐の数に等しい複数の円筒形ステントの挿入が必要でした。側枝の突起が経路の壁を妨げ、完全な二股ステントを完全に挿入することが不可能にしたため、この方法は避けられませんでした。切り紙構造と4Dプリンティングを用いて、上記の問題を解決することができます。このプロトコルはまた、血管の形状の後に製造されたシリコーン血管モデルを用いて提案された方法の有効性の可視化を示す。このモックアップを通じて、挿入プロセス中に提案された発明の有効性と新しいアプリケーションのさらなる可能性が見られます。

このプロトコルの目的は、融合堆積モデリング (FDM) プリンタを使用して SMP の印刷に関連する手順を明確に概説することです。さらに、印刷された二股ステントを折りたたまれた状態に変形させる技術、折り畳まれた分岐ステントをターゲット部位に挿入すること、および構造のシグナリングと展開を元の形状に詳細に与える。挿入のデモンストレーションは、血管のシリコーンモックアップを利用しています。このプロトコルは、3Dプリンターと成形を使用してこのモックアップを製造する手順も提供します。

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Protocol

1. デモンストレーション用血管モックアップ設計

  1. 近位主容器の直径を25mmに設定し、遠位主容器と側枝の直径を22mmに設定し、容器の全長を140mmに設定します。それぞれ5mm、75mm、65mm。完全な血管を図2図3に示します。
  2. FDM 3Dプリンターを使用して、分岐した容器のコンピュータモデルを印刷します。ポリカーボネートフィラメントを使用します。

2. 成形による血管モックアップ製作

  1. 3D 印刷部品を収納する箱型のコンテナを作成します。容器の寸法を110 x 105 x 70 mm に設定し、アクリルプレートを使用します。
  2. 箱の中央に置かれた3Dプリントされた分岐容器で、容器の中にシリコーンを穏やかに注ぎ、気泡の形成を最小限に抑えます。液体シリコーンを乾燥させ、36~48時間硬化させます。
  3. 固化シリコーンを容器から取り出し、半分に切って3Dプリント部品を取り除きます。切断面で分割されたシリコーンを再結合します。得られた結合体は、血管モックアップです。最終的な結果を図 4に示します。

3. 切上をベースにした分岐ステントの設計

注:分岐ステントのサイズは、血管モックアップのY字型経路内にぴったり収まるように作られています。内部は中空にされ、表面の管状のメシュは機能的に折り畳まれ、完全に展開された構成に戻るように設計されている。

  1. 従来のステントと同様の波状パターンに従って、二股ステントのトランクを設計します。トランクの直径を 22 mm、トランクの長さを 38 mm に設定します。
  2. 図 5Bに示すように、分岐した分岐を円柱に設計します。枝の直径を 18 mm に、枝の長さを 34 mm に設定します。
  3. ステントの全長を72mmに設定します。最後の形状を図6に示します。

4. SMPフィラメントを使用した3Dプリント

  1. SMPフィラメントを使用して、FDM 3Dプリンタで二股ステントを印刷します。このフィラメントの主な組成物はポリウレタンです。商用ベンダーはまた、エンドユーザーが材料の特性を調整するために追加の物質を追加できるように、ペレットの形でこれらのフィラメントを提供します(図7)。
  2. モデルスライスおよび3Dプリンタの設定を制御するためにスライスソフトウェアを使用します。押出機温度を230°Cに設定し、プリンタベッドの温度を室温に設定します。階段の効果を最小限に抑えるには、レイヤーの高さを 0.1 mm に設定します。
  3. 印刷速度を 3,600 mm/min に設定します。構造が内部に中空であるため、印刷中にサポーターの形成を含めます。図8は、印刷プロセスを示す。

5. サーフェスをスムージングする

注:粗い表面は摩耗によって容器を損傷する可能性があるため、次の手順が必要です。

  1. カッターを使用してサポーターを取り外します(図9A)。サポーターはステントの内側に取り付けられています。ステントを取り外す場合は、ステントを引き裂かないように細心の注意を払ってください。
  2. サンドペーパー(図9B)に対して表面をこすり、印刷された表面の層線、ストレーション、または傷を取り除きます。サポーターがカッターで取り外される場合は、繰り返し研磨が必要になる場合があります。
  3. 換気の良い場所にスプレーを使用して表面をペイントし、パーソナルマスクを着用してください。表面をきれいに、砂、乾燥させます。繰り返し塗料の薄い層を適用することにより、過剰散布から保護します。黒い塗料を使用して、シリコーン容器のモックアップとステントのコントラストを高めます(図9C)。

6. 分岐ステントの変形

  1. 二股ステントを温水に入れ、温度がガラス転移温度を上回る。ステントが柔らかくなったら、枝の半分を他の半分に押し付けなさい。図 10Aに示すように、残りの半分の半分をネストします。
  2. 2 つの枝を 1 つのシリンダーに折り、メインの容器を通過できるようにします。他のブランチに対して同じ入れ子プロセスを実行します。続いて、図 10Bに示すように、シリンダの 2 つの半分が 1 つに閉じられます。

7. 二股ステントを血管に挿入する

  1. タンクに温水を入れます。水温を55~60°Cに設定します。タンク内のシリコーン容器モックアップを浸します。モックアップの向きは、メインの容器が上にあり、枝が下にあるような位置にします。
  2. 折りたたまれた二股ステントを上からシリコーン容器モックアップの開口部に挿入します。折りたたまれた分岐ステントの向きを合い、枝が開口部に向かうようにします。折りたたまれた二股ステントが膨張し始め、下部の枝がY字部の分岐コアから交配経路に向かってスライドするように分割されます(図12)。

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Representative Results

このプロトコルでは、二股ステントを製造するために必要な手順を示した。ステントは、二股ステントをコンパクトな円筒形のチューブに折りたたむことを可能にするために、キリガミ構造を使用し、血管の狭い経路を滑るのに非常に適しています。SMPは、温度がガラス転移温度に達したときに、折り畳まれた構造を元の形状に戻すことを可能にします。SMP素材を使用して3Dプリントされたオリジナルの形状は、分岐した容器と密接に一致します。言い換えれば、体液が流れている分岐血管の内部表面は、製造されたステントの所定の厚さによってさらに内部に相殺される。内部サーフェスとオフセット サーフェスの間にソリッド フォームが作成されます。この固体形態は容器に正確に合い、ステントのモデルとして使用することができる。SMPが記憶された形状に戻る能力のために、折り畳まれた構造は、ガラス転移温度を超えて加熱されると、あらかじめ変形した形状に戻ります。2つの分岐ステントは、切り紙構造を利用して半円筒状チューブに容易に形成することができる。シリンダーの2つの半分は1つのシリンダーに結合され、統一された構造は主要な容器を通って滑り、分岐区域に達することを示されている。折りたたまれた構造を元の形状に戻すために、実験を60°Cの温度で水中で行った。各側枝が分割され、各枝が分岐領域のペアリング容器に移動することが示されています。二股状のステントは、1回の操作だけを必要とする全体としてY字型の容器に挿入された。これは、各分岐ステントを別々に挿入する必要がある従来の操作よりもはるかに簡単です。これらの結果は、ステント挿入操作を単一の操作に簡素化することができることを示し、一方、以前のステント操作では、側分岐血管の数と同じである側分岐ステントの挿入数が必要でした。

Figure 1
図 1: SMPの形状変換図。(A) 印刷された図形は元の図形です。(B) ガラス転移温度(Tg)を超えて加熱すると、構造が柔らかくなります。フォースを適用すると、構造体は目的の形状に変形します。(C)構造は冷却により変形形状に固定される。(D)ガラス転移温度を超えて再加熱すると、変形した形状を元の形状に戻す回収力が発生する。(E) 回収された形状は元の形状と同じです。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図 2:Y字型血管の部分の名前が表示されます。Y字型の容器は、主な容器と側枝を持っています。主な容器は近位の主要な容器および遠位の主要な容器から成っている。近位の主な容器は、側面の容器と、分岐したコアの上にある遠位の主な容器に分かれています。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図 3:血管の設計。(A) モデル化された血管の右側図。●本側は人体の実血管の立体性を表現するフック形状として設計されています。(B) モデル化された血管の正面図。図2に従ったY字型血管の回転図。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図 4:シリコーン血管モックアップ。アクリル板と3Dプリント血管モデルで作られた容器は、このモックアップを作成するために金型として使用されます。モックアップは、乾燥後に硬化した液体シリコーンを使用して行われました。正面図 (A) と側面図(B)が表示されます。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図 5:切り紙を使用した分岐ステントの枝のデザイン。(A) ステント分岐の概念設計。シートは黒い線に沿ってカットされます。その後、外力は、赤い矢印でマークされた、指定した方向の特定のポイントに適用されます。Aで説明した操作の結果として得られるジオメトリが、右側の B に示されます。平面シートが3次元管状に変形しました。(B) 切り紙構造に基づく管状ステントの設計。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 6
図 6:二股ステントの立体モデル。トランクは、従来のステントデザインと非常によく似た波状のパターンを使用しています。2つの上部の枝は、切り上構造を利用しています。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 7
図 7: SMPフィラメント。市販の3Dプリンターで印刷しやすいフィラメント状で製作しています。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 8
図 8: FDM(融合堆積モデリング)3Dプリンターを使用した3Dプリント分岐ステントの画像。3Dプリントされた二股ステントは、出力が滑らないように両面接着テープを使用して3Dプリンタベッドに取り付けられています。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 9
図 9: 3D 印刷結果の後処理。(A) サポーターの排除。二股ステントは内部に中空であるため、3D印刷中にサポーターが必要です。サポーターの除去が必要です。(B) サポーターを取り除いた分岐ステント。(C) 二股ステントは、シリコーン経路と明確に対照するためにスプレー塗装されています。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 10
図 10:二股ステントの変形と回収形状の図。(A) ステントを加熱して可鍛性にする。その後、力が半分円筒形に枝を折る力が適用されます。(B) 半円筒形状は、単一の管状構造に組み合わされます。折りたたみ手順は左から右に行われ、回復プロセスは右から左に行われる折りたたみの逆です。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 11
図 11:二股ステントの元の変形状態。変形した形状は円柱の形状であり、血管の幹部に容易に挿入することができることに注意してください。コンパクトに折りたたまれた形状をガラス転移温度より上に加熱すると、形状は元の二股形状に戻ります。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 12
図 12:分岐した血管に挿入された折り畳まれたステントの回復手順の経過時間が示されている。(A) 分岐ステントがY字型血管に挿入された場合の手続き展開工程を示す。最初は、単一の円筒形の管が挿入される。挿入されたチューブは、二股に達すると分割を開始し、展開された元の形状に戻ります。(B) 実験の時系列画像。左上は、折り畳まれたチューブが容器の開口部幹に挿入されたものである。右上は、分岐したコアに挿入されたステントの分割を示しています。一番下の行は、ステントの回復と、標的化血管の形態に完全に適合する最終的な分岐ステントの正確な適合度を示しています。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Supplementary Figure 1
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Supplementary Figure 2
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補足ファイル。容器モデルのデジタルモデル。

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Discussion

ステントは、しばしば患者の血管や気道などの詰まった内部経路をクリアするために使用されます。ステントを挿入する外科的手術は、患者の病気および人間の解剖学的特徴を慎重に考慮する必要がある。容器の形状は複雑で、多様な分岐条件が存在します。しかし、標準的なステントの操作手順は標準的なサイズが付いている大量生産されたステントに基づいている。このプロトコルでは、血管の正確な形状に基づいてステントの製造を個人的に調整する方法を示した。その際、内部が中空になり、表面の管状のメシュが折りたたまれ、活性化されたときに完全に展開された構成に戻るようにステントを設計しました。我々は、通常、複数のチューブステントを持つ操作中に使用される二股ステントをターゲットにしています。分岐したステントの設計は全体として行われ、分岐した容器にどれだけ複雑で何本の枝が存在するかに関係なく、単一の操作が必要です。この問題を解決するために使用した主要な有効化手法は、SMP です。構造が元の形状に戻る能力が期待されているので、再収縮から膨張経路を防ぐために力が働きます。

もう一つの重要な考え方は、切り紙構造の使用です。最も難しい部分は、Y字型の枝をコンパクトな円筒形のチューブに縮小する方法です。この問題は、切り紙構造を用いて解決された。各分岐は半円柱に折り畳まれ、一緒にマージされます。

220~230°Cの最適温度を見つけ、二股ステント形状を記憶した。この事実に基づいて、押出機温度を230°Cに設定した。この温度を超えて温度を設定すると、形状の精度が損なわれました。温度がこの温度より低く設定されると、SMPは3Dプリンタのノズルを詰まらせた。異なる材料を使用する場合は、押出機の温度を調整する必要があります。プリンターベッドの温度を室温に設定した。プリンターのベッド温度を高く設定すると、構造の不要な変形を経験しました。また、内部塗りつぶしは 70% 以上に設定することをお勧めします。後処理の負担が増えるため、サポーターの生成を回避または最小限に抑えることをお勧めします。

使用したSMPのガラス転移温度は55°Cであり、印刷構造の軟化はこの温度を上回った。印刷された二股ステントを折りたたむとき、我々はこの温度の上に水加熱浴に全体の構造を浸漬しました。異なる SM を使用する場合は、まず特定の材料のガラス温度を見つける必要があります。他の温度の回復特性は、より高い温度のためにより速い応答が示されたキムとリー15で見つけることができます。

FDM 3Dプリンターを使って、二股ステントを作製しました。生産されたステントの大きさが大きすぎて、実際の人間の血管に挿入することはできませんでした。研究者は、ノズルの直径が小さいさまざまなタイプの 3D プリンターまたは 3D プリンタの使用を検討する必要があります。SMは非常に粘性が高く、特に小さな直径サイズのノズルを使用する場合は、ノズルを簡単に詰まらせるため、後者は技術的に困難です。

私たちの仕事の限界は以下の通りです。ガラス転移温度が高すぎて患者内で使用できない。さらに、この特定の材料は、生体適合性であることが証明されなかった。また、容器が崩壊からそれを支えるためにステントを必要としなくなったときに、ステントが生分解性であることが好ましい。これらの問題は、他のタイプのSMを使用して解決することができ、さらに広範なライブ実験。

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Disclosures

著者は何も開示していない。

Acknowledgments

本研究は、韓国政府(MSIT)の助成を受けた情報通信技術企画評価研究所(IITP)の助成を受け、オープンデータセットと認知処理技術の開発に支えられた。自動運転車で使用される非構造化人間(警察官、交通安全士、歩行者など)の動きに由来する機能の認識と、2019年にGISTが出資するGIST研究所(GRI)の助成金。

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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