Stents bifurqués imprimés 4D avec des structures inspirées de Kirigami

Résumé

À l'aide d'une imprimante 3D, un filament polymère de mémoire de forme est extrudé pour former une structure tubulaire ramifiée. La structure est modelée et façonnée de telle sorte qu'elle puisse se contracter sous une forme compacte une fois pliée, puis revenir à sa forme formée lorsqu'elle est chauffée.

Résumé

Les navires ramifiés, généralement sous la forme de la lettre « Y », peuvent être rétrécis ou bloqués, ce qui entraîne de graves problèmes de santé. Les endoprothèses bifurquées, qui sont creuses à l'intérieur et en forme extérieure aux vaisseaux ramifiés, insérées chirurgicalement à l'intérieur des vaisseaux ramifiés, agissent comme une structure de soutien de sorte que les fluides corporels puissent librement voyager à travers l'intérieur des endoprothèses sans obstrués par les navires rétrécis ou bloqués. Pour qu'un stent bifurqué soit déployé sur le site cible, il doit être injecté à l'intérieur du navire et se déplacer à l'intérieur du navire pour atteindre le site cible. Le diamètre du navire est beaucoup plus petit que la sphère délimitée de l'endoprothèse bifurquée; ainsi, une technique est nécessaire pour que l'endoprothèse bifurquée reste assez petite pour traverser le navire et s'étende au navire ramifié ciblé. Ces deux conditions conflictuelles, c'est-à-dire assez petites pour passer à travers et assez grandes pour soutenir structurellement des passages rétrécis, sont extrêmement difficiles à satisfaire simultanément. Nous utilisons deux techniques pour répondre aux exigences ci-dessus. Tout d'abord, du côté matériel, un polymère de mémoire de forme (SMP) est utilisé pour auto-initier les changements de forme de petit à grand, c'est-à-dire, étant petit lorsqu'il est inséré et devenant grand au site cible. Deuxièmement, du côté de la conception, un motif kirigami est utilisé pour plier les tubes de ramification dans un seul tube avec un diamètre plus petit. Les techniques présentées peuvent être utilisées pour concevoir des structures qui peuvent être compactées pendant le transport et revenir à leur forme fonctionnellement habile lorsqu'elles sont activées. Bien que nos travaux soient ciblés sur les endoprothèses médicales, les problèmes de biocompatibilité doivent être résolus avant l'utilisation clinique réelle.

Introduction

Les endoprothèses sont utilisées pour élargir les passages rétrécis ou sténosés chez l'homme, comme les vaisseaux sanguins et les voies respiratoires. Les endoprothèses sont des structures tubulaires qui ressemblent aux passages et soutiennent mécaniquement les passages de l'effondrement ultérieur. Typiquement, les endoprothèses métalliques auto-expansion (SEMS) sont largement adoptées. Ces endoprothèses sont fabriquées à partir d'alliages composés de cobalt-chrome (acier inoxydable) et de nickel-titanium (nitinol)^1,2. L'inconvénient des endoprothèses métalliques est que la nécrose de pression peut exister là où les fils métalliques de l'endoprothèse entrent en contact avec les tissus vivants et les endoprothèses sont touchées. En outre, les vaisseaux du corps peuvent être de forme irrégulière et sont beaucoup plus complexes que de simples structures tubulaires. En particulier, il existe de nombreuses procédures cliniques spécialisées pour installer des endoprothèses dans les lumens ramifiés. Dans un lumen en forme de Y, deux endoprothèses cylindriques sont insérées simultanément et jointes à une branche³. Pour chaque branche supplémentaire, une intervention chirurgicale supplémentaire doit être effectuée. La procédure nécessite des médecins spécialement formés, et l'insertion est extrêmement difficile en raison des caractéristiques saillantes des endoprothèses ramifiées.

La complexité de la forme des endoprothèses bifurquées en fait une cible très appropriée pour l'impression 3D. Les endoprothèses conventionnelles sont produites en masse dans des tailles et des formes standardisées. En utilisant la méthode de fabrication d'impression 3D, il est possible de personnaliser la forme de l'endoprothèse pour chaque patient. Parce que les formes sont faites en ajoutant à plusieurs reprises couche par couche des formes sectionnelles de l'objet cible, en théorie, cette méthode peut être utilisée pour fabriquer des pièces de n'importe quelle forme et taille. Les endoprothèses conventionnelles sont pour la plupart cylindriques. Cependant, les vaisseaux humains ont des branches, et les diamètres changent le long des tubes. En utilisant l'approche proposée, toutes ces variations de formes et de tailles peuvent être prises en compte. En outre, bien qu'ils ne aient pas été démontrés, les matériaux utilisés peuvent également changer au sein d'un seul stent. Par exemple, nous pouvons utiliser des matériaux plus rigides lorsque le soutien est nécessaire et des matériaux plus doux où une plus grande flexibilité est nécessaire.

L'exigence de changement de forme des endoprothèses bifurquées nécessite l'impression 4D, à savoir l'impression 3D avec la considération supplémentaire du temps. Les structures imprimées en 3D formées à l'aide de matériaux spécialisés peuvent être programmées pour changer leur forme par une stimulation externe, comme la chaleur. La transformation est auto-soutenue et ne nécessite aucune source d'énergie externe. Un matériau spécial qui convient à l'impression 4D est un SMP^4,5,^6,7,8,9, qui présente des effets de mémoire de forme lorsqu'il est exposé à un température de transition de déclenchement de verre spécifique au matériau. À cette température, les segments deviennent mous de sorte que la structure retrouve sa forme d'origine. Une fois la structure imprimée en 3D, elle est chauffée à une température légèrement supérieure à la température de transition du verre. À ce stade, la structure devient molle, et nous sommes en mesure de déformer la forme en appliquant des forces. Tout en maintenant les forces appliquées, la structure est refroidie, se durcit et conserve sa forme déformée, même après que les forces appliquées sont enlevées. Par la suite, à l'étape finale, lorsque la structure doit retrouver sa forme d'origine, comme le moment où la structure atteint le site cible, la chaleur est fournie de sorte que la structure atteigne sa température de transition en verre. Enfin, la structure retrouve sa forme originale mémorisée. La figure 1 illustre les différentes étapes expliquées précédemment. Les SMP peuvent être facilement étirés, et il ya quelques SMP qui sont biocompatibles et biodégradables^9,10. Il existe de nombreuses utilisations pour les SMP dans le domaine de la médecine^9,10, et les endoprothèses^11,12 sont l'un d'eux.

Les motifs des endoprothèses et la conception pliante suivent la conception japonaise de découpe de papier appelée « kirigami ». Ce processus ressemble à la technique bien connue de pliage de papier appelée « origami », mais la différence est qu'en plus du pliage, la coupe du papier est également autorisée dans la conception. Cette technique a été utilisée dans les arts et a également été appliquée dans les applications d'ingénierie^2,3,13,14. En bref, kirigami peut être utilisé pour transformer une structure planaire en une structure tridimensionnelle en appliquant des forces à des endroits spécialement conçus. Dans nos exigences de conception, l'endoprothèse doit être une forme cylindrique simple lorsqu'il est inséré dans les voies, et le cylindre doit se diviser le long de sa longueur où chaque moitié doit se dérouler à une forme entièrement cylindrique au navire ramifié ciblé. La solution réside dans le fait que le navire principal et les branches latérales sont repliés dans un seul cylindre de sorte que les branches latérales n'interfèrent pas avec les parois des navires pendant l'insertion. Le signal de commande qui se déroule provient de l'augmentation de la température ambiante au-dessus de la température de transition en verre du SMP. En outre, le pliage sera effectué à l'extérieur du corps du patient en ramollissant l'endoprothèse bifurquée imprimée en 3D et en pliant la branche latérale dans le récipient principal.

Les méthodes conventionnelles ont exigé l'insertion de plusieurs endoprothèses cylindriques dont le nombre est égal au nombre de branches. Cette méthode était inévitable parce que les saillies des branches latérales empêchaient les parois des voies et rendaient impossible l'insertion d'un stent bifurqué complet dans son intégralité. En utilisant la structure kirigami et l'impression 4D, les problèmes ci-dessus peuvent être résolus. Ce protocole montre également la visualisation de l'efficacité de la méthode proposée à l'aide d'un modèle de vaisseau en silicone fabriqué après la forme des vaisseaux sanguins. Grâce à cette maquette, l'efficacité de l'invention proposée au cours du processus d'insertion et d'autres possibilités de nouvelles applications peuvent être vus.

Le but de ce protocole est de décrire clairement les étapes de l'impression d'un SMP à l'aide d'une imprimante de modélisation de dépôt fusionnée (FDM). En outre, les techniques impliquées dans la déformation des endoprothèses bifurquées imprimées à l'état plié, l'insertion des endoprothèses pliées bifurquées sur le site cible, et la signalisation et le déploiement de la structure à sa forme originale sont donnés en détail. La démonstration de l'insertion utilise une maquette en silicone des vaisseaux sanguins. Le protocole fournit également les procédures impliquées dans la fabrication de cette maquette à l'aide d'une imprimante 3D et de moulage.

Protocole

1. Conception de maquette de vaisseau sanguin pour la démonstration

1. Définir le diamètre du navire principal proximal à 25 mm, les diamètres du vaisseau principal distal et la branche latérale égale à 22 mm. Définir la longueur totale des navires égale à 140 mm. Définir la longueur du navire principal proximal, le navire principal distal et la branche latérale à 6 5 mm, 75 mm et 65 mm, respectivement. Le vaisseau sanguin complet est représenté dans la figure 2 et la figure 3.
2. Imprimez le modèle informatique du navire ramifié à l'aide d'une imprimante FDM 3D. Utilisez un filament en polycarbonate.

2. Fabrication de maquette de vaisseau sanguin par moulage

1. Créez un contenant en forme de boîte qui abritera la pièce imprimée en 3D. Fixez les dimensions du contenant à 110 x 105 x 70 mm et utilisez une plaque acrylique.
2. Avec le récipient ramifié imprimé en 3D placé au centre de la boîte, versez doucement le silicone à l'intérieur du récipient pour minimiser la formation de bulles. Séchez le silicone liquide et durcissonz-le pendant 36 à 48 h.
3. Retirez le silicone solidifié du récipient et coupez-le en deux pour enlever la pièce imprimée en 3D. Rejoindre le silicone divisé à l'avion coupé. Le corps joint qui en résulte est la maquette des vaisseaux sanguins. Le résultat final est affiché Figure 4.

3. Conception de l'endoprothèse ramifiée basée sur le kirigami

REMARQUE : La taille de l'endoprothèse ramifiée est faite pour s'adapter confortablement à l'intérieur de la voie en forme de Y de la maquette de vaisseau sanguin. L'intérieur est fait creux, et les mailles tubulaires de surface sont conçues pour se plier fonctionnellement et revenir à la configuration complète dépliée.

1. Concevoir le tronc de l'endoprothèse bifurquée en suivant des motifs ondulés semblables aux endoprothèses conventionnelles. Définir le diamètre du tronc à 22 mm et la longueur du tronc à 38 mm.
2. Concevoir les branches bifurquées pour être un cylindre, comme le montre la figure 5B. Définir le diamètre de la branche à 18 mm et la longueur de la branche à 34 mm.
3. Définir la longueur totale de l'endoprothèse à 72 mm. La forme finale est indiquée dans la figure 6.

4. Impression 3D avec filaments SMP

1. Imprimez l'endoprothèse bifurquée dans une imprimante FDM 3D à l'aide d'un filament SMP. La composition principale de ce filament est le polyuréthane. Le vendeur commercial fournit également ces filaments sous forme de granulés afin que l'utilisateur final puisse également ajouter des substances supplémentaires pour adapter les caractéristiques du matériau (Figure 7).
2. Utilisez un logiciel de découpe pour le découpage du modèle et pour contrôler les paramètres de l'imprimante 3D. Fixer la température extrudeuse à 230 oC et la température du lit de l'imprimante à la température ambiante. Définir la hauteur de la couche à 0,1 mm pour minimiser l'effet d'escalier.
3. Définir la vitesse d'impression à 3 600 mm/min. Définir le pourcentage de remplissage intérieur à 80 %. Inclure la formation de support pendant l'impression, ce qui est nécessaire parce que la structure est creuse à l'intérieur. La figure 8 illustre le processus d'impression.

5. Lisser la surface

REMARQUE : Les étapes suivantes sont nécessaires parce que les surfaces rugueuses peuvent endommager les navires par abrasion.

1. Retirez les supporters à l'aide de coupeurs (Figure 9A). Les supporters sont attachés à l'intérieur de l'endoprothèse. Lorsque vous retirez les endoprothèses, faites preuve d'une extrême prudence pour éviter de déchirer les endoprothèses.
2. Frotter la surface contre du papier de verre (Figure 9B) pour enlever les lignes de couche, les stries ou les imperfections sur la surface imprimée. Un polissage répété peut être nécessaire lorsque les supporters sont enlevés par les coupeurs.
3. Peignez la surface à l'aide d'un spray dans un endroit bien aéré et portez un masque personnel. Nettoyer, sabler et sécher la surface. Protégez-vous contre la pulvérisation excessive en appliquant de fines couches de peintures répétées. Utilisez des peintures noires pour rehausser le contraste entre la maquette du navire en silicone et l'endoprothèse (Figure 9C).

6. Déformer l'endoprothèse bifurquée

1. Placez les endoprothèses bifurquées dans de l'eau chaude de sorte que la température est au-dessus de la température de transition en verre. Lorsque l'endoprothèse s'adoucit, poussez la moitié de la branche contre l'autre moitié. Nid une moitié dans l'autre moitié, comme le montre la figure 10A.
2. Pliez les deux branches dans un seul cylindre afin qu'il puisse voyager à travers le navire principal. Effectuez le même processus de nidage à l'autre branche. Par la suite, les deux moitiés des cylindres sont fermées en une seule, comme le montre la figure 10B.

7. Insertion de l'endoprothèse bifurquée dans les navires

1. Remplir un réservoir d'eau chaude. Fixer la température de l'eau à 55-60 oC. Immerger la maquette du récipient en silicone à l'intérieur du réservoir. Orientez la maquette de telle sorte que le navire principal est au-dessus et les branches sont ci-dessous.
2. Insérez l'endoprothèse bifurquée pliée dans l'ouverture de la maquette du récipient en silicone d'en haut. Orientez l'endoprothèse bifurquée pliée de telle sorte que ses branches sont vers l'ouverture. L'endoprothèse bifurquée pliée commencera à s'agrandir, et les branches inférieures se diviseront de telle sorte que chaque branche glissera vers sa voie d'accouplement à partir du noyau de bifurcation des vaisseaux en forme de Y (figure 12).

Résultats

Dans ce protocole, nous avons montré les procédures requises pour fabriquer un stent bifurqué. L'endoprothèse utilise une structure kirigami pour permettre à l'endoprothèse bifurquée de se plier en un tube cylindrique compact, qui est très approprié pour glisser à travers les voies étroites des vaisseaux sanguins. Le SMP permet à la structure pliée de retrouver sa forme d'origine lorsque la température atteint la température de transition du verre. La forme originale, imprimée en 3D à l'aide du matériau...

Discussion

Les endoprothèses sont souvent utilisées pour dégager les voies internes obstruées telles que les vaisseaux sanguins et les voies respiratoires des patients. L'opération chirurgicale des endoprothèses d'insertion exige l'examen soigneux de la maladie du patient et des caractéristiques anatomiques humaines. La forme du navire est complexe et des conditions de ramification variées existent. Cependant, les procédures opérationnelles standard d'endoprothèse sont basées sur des endoprothèses produites en série a...

matériels

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