快速形成和测试适用于微创植入物的小尺寸自膨胀 NiTi 框架

摘要

这项工作说明了一种低成本的制造技术，用于使用牺牲夹具对小外形尺寸的形状定型镍钛合金线/框架。该技术被演示用于制造专为复杂形状的微创植入物而设计的自膨胀框架。

摘要

NiTiNOL（通常称为镍钛合金或 NiTi）线材具有出色的形状记忆和超弹性特性，而定型通常是一个昂贵的过程。在此过程中的步骤中，热处理需要暴露在高温下进行形状定型。传统上，金属夹具用于此目的。然而，它们的制造成本可能很高，这对于迭代原型来说并不理想。这项工作展示了一种最近引入的方法，该方法使用由铜管制成的牺牲夹具，无需昂贵的夹具。这些铜管允许形成复杂的几何形状，并为制造过程的各个阶段提供支架。此外，过硫酸铵用于选择性铜蚀刻，这简化了 NiTi 框架的生产。这项工作的结果证实了这项技术的有效性，并证明了用于自膨胀框架的 NiTi 线的成功形状设定。这种方法为未来的研究铺平了道路，允许为各种应用（尤其是医疗设备中的应用）快速构建 NiTi 线框的原型。

引言

NiTi 线广泛用于医疗植入物，但在设备制造过程中需要初始形状定型过程¹。各种设备都由镍钛制成，包括导管、导丝、取石篮、过滤器、针头、牙科锉刀以及其他手术器械²。NiTi 的生物相容性、超弹性和抗疲劳性使其适用于这些应用。此外，它还应用于汽车和航空航天工业³。

由于 NiTi 的成本高且形状设定所需的工艺复杂，因此其使用受到限制。在定型过程中，NiTi 结构传统上暴露在高温（约 500 °C）中，同时被限制在夹具⁴ 中。这种升高的温度以及形状定型过程中的应力，需要具有高机械强度的夹具。这就是为什么典型的夹具通常由金属制成¹.因此，使用通常经过机械加工的金属夹具会增加成本，并为 NiTi 结构的快速原型制作和测试带来挑战。一种替代方法涉及使用由销钉和板¹ 构成的可重构夹具，这简化了过程;然而，这个过程在塑造复杂几何形状方面存在局限性。因此，对于需要定形 NiTi 框架的研究，使用低成本材料和制造的低成本定型工艺是非常可取的。

为了满足 NiTi 快速原型制作的需求，我们最近推出了一项协议，利用低成本的 3D 打印部件和精心制造的定型镍钛线⁵。这种方法结合了质量最小的牺牲夹具。该夹具被证明有助于在线材成型和定型（热处理）过程中固定 NiTi 线材。铜管被用作一种可访问且低成本的材料。它充当加固牺牲夹具，标准的线材弯曲技术可用于形状设置复杂的结构。据观察，黄铜管可以用作替代品。过硫酸铵在退火过程后用于铜的选择性蚀刻的最后阶段。这一步终于释放了形状集的 NiTi 线材。这种方法说明了牺牲结构作为垫片的创新使用。当这种方法与增材制造相结合时，可以实现复杂形状的制造。

体外部署测试是评估自膨胀原型植入物可行性的基本测试之一，该植入物旨在通过导管部署。这些测试包括评估自膨胀植入物是否可以成功穿过所需尺寸的护套/导管。此类测试已用于各种经导管设备或植入物原型;一些例子包括左心耳封堵器 ^6,7、软支架⁸、NiTi 分流器⁹ 和 NiTi 支架¹⁰。这些工作突出了一种快速制造具有复杂拓扑结构的 NiTi 框架的方法，该方法可以通过导管自我膨胀，从而满足经导管植入物的初步要求。

本文的目的是概述经济高效且精心设计的制造方法，并为每个过程提供详细的分步指南。它侧重于演示适用于植入物的各种自膨胀 NiTi 线框，并分析了使用经济实惠且高效的技术生产复杂拓扑所需的方法的关键方面。本文包括测试这些框架并通过 Fr-12 导管在模拟经端植入物输送到房间隔的台式设置中部署它们。该测试类似于先前工作 ^6,8 采用的基本测试。这种方法证明了在穿过导管后部署原型自膨胀框架的能力。最终，这种方法可以帮助确定 NiTi 框架的某种拓扑/设计是否能够满足通过特定导管部署的初步机械要求。

虽然这项工作的重点是 NiTi 框架原型的制造及其拓扑结构和保形性的基本表征，但各种其他表征¹¹ 和监管安全测试^12,13 对于植入物的开发是必要的。一些表征包括表面特性/化学表征¹⁴、腐蚀¹⁴、疲劳分析¹³、血液相容性¹³ 和生物相容性¹⁵。

研究方案

注意：有关本协议中使用的所有材料的详细信息，请参阅 材料表 。 图 1A 显示了铜/NiTi 框架的示例。使用安全手套。

1. NiTi 框架/原型的设计迭代

1. 将 NiTi 线对齐铜管（或黄铜管; 图 2A）。
   1. 选择 NiTi 丝 （0.008 英寸） 和铜管 （外径 1.00 毫米 x 400 毫米）。
   2. 打开立体镜，在作它们的同时直观地查看显示器上的 NiTi 和铜。对齐管内的电线。将电线完全推入管中。
2. 准备 3D 打印的固定装置（图 2B-D）。
   1. 下载一个 .夹具/模板的 STL 文件 （https://osf.io/54rm3/files/osfstorage）。
      注意：对于某些 .STL 文件示例，请参阅此存储库 （https://osf.io/54rm3/files/osfstorage）。
   2. 如果需要任何调整，请下载 .SDLRD 文件，在适当的 CAD 软件中进行设计调整，然后将其导出为 .STL 文件。或者，在开源 CAD 软件中创建模型并导出 .STL 文件。
      注意：对于某些 .SDLRD 或 .FCSTD 设计示例，请参阅此存储库 （https://osf.io/54rm3/files/osfstorage）。
   3. 打开切片软件（例如 Elegoo Cura）并导入 .STL 文件。选择要 3D 打印的对象，然后单击 切片窗格的底部。保存文件。gcode 并将其保存在 micro-SD 卡上。拉出 micro-SD 卡。
   4. 打开 FDM 3d 打印机。放入 micro-sd 卡。从屏幕中选择 准备 | 预热 |PLA.选择 “返回”|“打印”。选择 .gcode 文件，然后点击 打印。
   5. 让机器 3D 打印部件。
   6. 完成 3D 打印后，取出打印部件并使用钳子切割任何支撑部件。
   7. 锉平有粗边的零件，并用记号笔标记要钻孔的区域。
   8. 使用手钻在 3D 打印的几何形状上钻孔（图 2B）。
      注意： 使用安全手套和安全眼镜。
   9. 使用螺丝刀将螺钉穿过 3D 打印部件的孔（图 2C）。
3. 使用夹具和手动工具形成 Cu/NiTi 的 3D 结构。将电线穿过孔并逐步将其弯曲在螺钉上。如果需要，使用手动工具弯曲电线（图 2D、E）。
   1. 握住 NiTi/Cu 并将其穿过中心孔。接下来，使用镊子或钳子在所有螺钉周围折叠/弯曲铜管，以形成所需的形状（图 2E）。
   2. 拧下螺丝。使用焊枪加热以软化 3D 打印夹具（来自步骤 1.2）。
   3. 使用剪刀剪下 3D 打印的部件。使用镊子或钳子去除不需要的 3D 部分（图 2F）。
4. 对 NiTi/Cu 结构/框架进行热处理（图 2G）。
   1. 打开炉管并使用热电偶监测温度。当温度达到 500 °C 时，将 Cu/NiTi 框架放入炉中 3 分钟。
      注意：使用高温手套、实验室外套和安全面罩。
   2. 通过将温度计放入管式炉中，使用 K 型热电偶监测温度。
   3. 3 分钟后用钩子取出 NiTi/Cu 框架（图 2H），并在蒸馏水中淬火。
5. 蚀刻牺牲铜管（图 2I）。
   1. 在秤上称量过硫酸铵。也称量玻璃容器中的水。将它们混合，使过硫酸铵的重量为水的 23%。
      注意：在通风橱内进行此过程，并使用实验室外套、安全玻璃和安全手套。
   2. 添加过硫酸铵以达到 23% 的重量比（过硫酸铵与水）。使用玻璃搅拌器搅拌溶液，直到过硫酸铵溶解。
      注意：在通风橱内进行此过程，并使用实验室外套、安全玻璃和安全手套。
   3. 将步骤 1.3 中的 NiTi/Cu 框架浸入溶液中 ~8 小时以蚀刻铜（图 2I）。
      注意：在通风橱内执行此过程，并穿上实验室外套、安全眼镜和安全手套。
   4. 目视监控铜蚀刻。如果它们没有完全蚀刻，请丢弃蚀刻剂，生产新鲜的蚀刻剂（参见步骤 1.5.1 和 1.5.2），然后将新鲜的蚀刻剂倒入容器中。
   5. 如果铜被完全蚀刻，用镊子将其取出（图 2J），并在蒸馏水中清洗释放的 NiTi 框架，冲洗三遍。有关这些步骤后释放的 NiTi 帧的示例，请参见 图 1B 。
   6. 打开显微镜。将 NiTi 丝置于显微镜下;查找任何不需要的曲率或尺寸。

2. 用薄膜或织物覆盖框架的侧面

1. 旋涂芳香族聚氨酯弹性体（聚碳酸酯氨基甲酸乙酯是一种替代品，见 材料表;完整的方案在别处提供⁶）。
   1. 将 4 英寸硅晶片放入氧气等离子体机器中，对其进行等离子体处理 2 分钟。接下来，取出晶片。
   2. 打开真空干燥器，将几滴硅烷（C₈H₄Cl₃F₁₃Si;参见 材料表）倒入干燥器中的塑料容器中。
   3. 将晶圆放入干燥器中，盖上盖子，然后对干燥器施加真空。
   4. 关闭干燥器阀并关闭真空泵。
   5. 将干燥器放置 2 小时，然后取出硅晶片。
   6. 将晶圆放在旋涂机上，将其居中，然后将一些溶解在 DMAc 中的芳香族或脂肪族聚氨酯弹性体倒入其中心（参见 材料表）。
   7. 旋涂晶圆;然后，取出晶片并将其置于通风橱下的 80 °C 烘箱中 2 小时。
   8. 2 小时后，取出晶片并用镊子撕下固化的薄膜（如果需要，请使用手指）。
   9. 用剪刀将剥落的薄膜剪成小块。
2. 对 NiTi 框架上的芳香族聚氨酯弹性体薄膜进行热压。
   1. 为热加工过程设计垫片。
   2. 使用专有或开源 CAD 软件设计垫片，导出 .STL 文件，并对对象进行切片以创建 gcode 文件（参见步骤 1.2.3）。或者，下载并使用提供的垫片设计 （https://osf.io/54rm3/files/osfstorage）。
   3. 通过打开 .STL 文件切片软件（例如 CHITUBOX），或者，按照 1.2.4、1.2.5 中的 3D 打印步骤进行作，而不是 2.2.4、2.2.5 和 2.2.6。
      注意：通过后面的步骤制造的垫片将具有更长的耐用性。
   4. 选择要 3D 打印的对象，点击切片窗格并将文件保存在 .U 盘上的 CBT 格式。
   5. 将 U 盘放入 SLA 3D 打印机中，将光敏树脂倒入 3D 打印机的容器中，打开 3D 打印机，选择打印，点击三角形符号开始 3D 打印过程。
   6. 3D 打印过程完成后，从打印床上取下垫片，将其放入 UV LED 系统内 10 分钟，然后用水清洗，并储存以备下一步使用。
   7. 打开热压机。
   8. 将聚氨酯弹性体薄膜层压在垫片上（图 2K），并将 NiTi 线/框架放在垫片周围和薄膜顶部。在导线上层压第二层薄膜。将温度设置为 240 °F（如果需要，在两层之间或聚氨酯与垫片之间添加额外的弹性体层，以避免粘附）。
   9. 关闭压力机顶部并锁定;等待 60 秒。
   10. 对 NiTi 线框和垫片的另一侧重复相同的热压过程。
   11. 用剪刀剪下粘合薄膜的多余部分（图 2L）。
   12. 作为粘合热塑性材料的替代方案，通过缝制 PET 织物来覆盖 NiTi 线框。
       注意： 图 3 显示了由血液相容性聚合物层覆盖的框架。在这里，这些层包括夹在它们之间的另一层微图案化聚二甲基硅氧烷。

3. 测试框架部署

1. 用手握住 FR 12 导管（图 4A）并将其穿过扩张器和针头（图 4B、C）。
2. 将硅胶片固定在支架上（图 4E）。
3. 使用针头和扩张器，在硅胶片上打一个孔（图 4E）。
4. 逐渐将导管穿过孔（图 4F）并缩回扩张器和针头。
5. 折叠 NiTi 框架并将其推入导管的近端（图 4G）。
6. 使用聚四氟乙烯 （PTFE） 杆将框架推向导管的远端（图 4D）。
7. 移开 NiTi 框架的第一侧（图 4I）。
8. 缩回捕集器（图 4H）并将 NiTi 框架的第二侧移开硅橡胶的另一侧（图 5）。
9. 在显微镜下检查框架，以检查是否有任何类型的故障或意外变形。

结果

使用低成本的塑料固定装置和手动工具将 NiTi 框架的形状定型成各种拓扑结构（图 1）。在协议步骤 1.1 至 1.4 中（图 1A），NiTi/Cu 框架形成复杂的拓扑结构。按照协议步骤 1.5，蚀刻 Cu 以释放 NiTi 框架（图 1B）。在这里，Cu 夹具被完全蚀刻掉，允许使用 3D 打印的低成本夹具/夹具释放 NiTi 框架（步骤 1.2）?...

讨论

在该协议中，需要仔细关注多个步骤，例如热处理（退火）、蚀刻和 3D 打印夹具的设计。从 500 °C ¹⁷ 或 NiTi 退火时间开始的较大温度变化可能不利于 NiTi 线材的超弹性和实现所需的形状¹⁸。使用不准确的条件（温度和时间）进行热处理也会导致超弹性的丧失¹⁹。蚀刻过程需要足够量的过硫酸铵才能释放出具有正确形状?...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
304 SS Hypotubes Generic Name: Needle	Tegra Medical
3D printed frame for testing Generic Name: PLA filament	R3D
3D printed polymeric part for heat press Generic Name: PLA filament	R3D
Ammonium Persulfate Generic Name: Ammonium Persulfate	Sigma-Aldrich
Chronoflex AR 22% Generic Name: Polyurethane	AdvanSource biomaterials		aromatic polycarbonate urethane elastomer
Copper Web Type Electrodes (1.00 mm x 400 mm) Generic Name: Copper Tube	Holepop edm supplies &electrodes
Dilator Generic Name: Dilator	QOSINA
Ecoflex 00-30 Generic Name: Ecoflex 00-30	Smooth-on		silicone
Fr 12 or 13 Catheter Generic Name: Sheath	QOSINA
Nickel Titanium Wire (0.008) Generic Name: NiTi Wire	Malin Co.
PTFE Teflon rod 1/8" Diameter x 36" Generic Name: Polytetrafluoroethylene	Sterling Seal & Supply, Inc. (STCC)
Tecoflex Generic Name: Thermoplastic Polyurethane	Lubrizol		aliphatic polyurethane elastomer
Trichloro(1H,1H,2H,2H-tridecafluoro-n-octyl)silane Generic Name: C8H4Cl3F13Si	Sigma-Aldrich
Dimethylacetamide (DMAC) Generic Name: Dimethylacetamide	Sigma-Aldrich
SOLIDWORKS Generic Name: Proprietary CAD software	Dassault Systèmes
FreeCAD Generic Name: Open Source CAD software	freecad.org
ABS Like Photopolymer Resin Generic Name: Photopolymer Resin	ELEGOO