Formation et test rapides de montures NiTi auto-expansibles avec un petit facteur de forme adapté aux implants mini-invasifs

Résumé

Ce travail illustre une technique de fabrication à faible coût pour façonner des fils/cadres en nitinol avec un petit facteur de forme à l’aide de luminaires sacrificiels. La technique est démontrée pour la fabrication de cadres auto-expansibles conçus pour des implants mini-invasifs aux formes complexes.

Résumé

Les fils NiTiNOL (communément appelés nitinol ou NiTi) présentent une mémoire de forme exceptionnelle et des caractéristiques super-élastiques, tandis que la mise en forme est souvent un processus coûteux. Parmi les étapes de ce processus, le traitement thermique nécessite une exposition à des températures élevées pour la mise en forme. Traditionnellement, des luminaires en métal sont utilisés à cette fin. Cependant, leurs coûts de fabrication peuvent être importants, ce qui n’est pas idéal pour itérer des prototypes. Ce travail démontre une approche récemment introduite utilisant des luminaires sacrificiels en tubes de cuivre, ce qui élimine le besoin de luminaires coûteux. Ces tubes en cuivre permettent la formation de géométries complexes et offrent un échafaudage pour les différentes phases du processus de fabrication. De plus, le persulfate d’ammonium est utilisé pour la gravure sélective du cuivre, ce qui simplifie la production de cadres NiTi. Les résultats de ce travail confirment l’efficacité de cette technique et démontrent le succès de la mise en forme des fils NiTi pour les cadres auto-expansibles. Cette méthodologie ouvre la voie à de futures recherches, permettant de prototypage rapide de wireframes NiTi pour diverses applications, en particulier celles dans les dispositifs médicaux.

Introduction

Les fils NiTi sont largement utilisés dans les implants médicaux, mais nécessitent un processus initial de mise en forme lors de la fabrication du dispositif¹. Divers dispositifs sont fabriqués à partir de NiTi, notamment des tubes de cathéter, des fils-guides, des paniers de récupération de pierres, des filtres, des aiguilles, des limes dentaires, ainsi que d’autres instruments chirurgicaux². La biocompatibilité, la superélasticité et la résistance à la fatigue du NiTi le rendent adapté à ces applications. De plus, il a des applications dans les industries automobile et aérospatiale³.

L’utilisation du NiTi est limitée en raison de son coût élevé et des processus complexes nécessaires à la mise en forme. Dans le processus de mise en forme, les structures NiTi sont traditionnellement exposées à des températures élevées (environ 500 °C) lorsqu’elles sont confinées dans un luminaire⁴. Cette température élevée, ainsi que les contraintes pendant le processus de mise en forme, nécessitent un dispositif à haute résistance mécanique. C’est pourquoi les luminaires typiques sont généralement fabriqués à partir de métaux¹. En tant que tel, l’utilisation de fixations métalliques qui sont généralement usinées augmente les coûts et pose des défis pour le prototypage et les tests rapides des structures NiTi. Une autre approche consiste à utiliser des montages reconfigurables construits à partir de broches et de plaques¹, ce qui simplifie le processus ; Cependant, ce processus présente des limites dans la mise en forme de géométries complexes. Par conséquent, un processus de mise en forme à faible coût utilisant des matériaux et une fabrication à faible coût est hautement souhaitable pour la recherche qui nécessite des cadres NiTi de mise en forme.

Pour répondre au besoin de prototypage rapide de NiTi, nous avons récemment introduit un protocole utilisant des pièces imprimées en 3D à faible coût et une fabrication artisanale pour les fils NiTi⁵. Cette méthode intègre des appareils sacrificiels avec une masse minimale. Le dispositif s’est avéré bénéfique pour sécuriser le fil NiTi pendant les processus de formation et de mise en forme du fil (traitement thermique). Les tubes en cuivre étaient utilisés comme un matériau accessible et peu coûteux. Il agit comme un dispositif sacrificiel de renforcement et les techniques standard de pliage de fil peuvent être utilisées pour façonner des structures complexes. Il a été observé que les tubes en laiton pouvaient être utilisés comme alternative. Le persulfate d’ammonium a été utilisé dans l’étape finale pour la gravure sélective du cuivre, après le processus de recuit. Cette étape a finalement permis de libérer les fils NiTi formatés. Cette approche illustre l’utilisation novatrice des structures sacrificielles comme espaceurs. Lorsque cette approche est combinée à la fabrication additive, la fabrication de formes complexes peut être réalisée.

L’essai de déploiement in vitro fait partie des tests de base permettant d’évaluer la faisabilité d’un prototype d’implant auto-expansible, conçu pour être déployé à travers un cathéter. Ces tests consistent à évaluer si un implant auto-expansible peut passer avec succès à travers une gaine/cathéter de la dimension requise. De tels tests ont été utilisés dans divers dispositifs transcathéter ou prototypes d’implants ; quelques exemples incluent les occluseurs de l’appendice auriculaire gauche ^6,7, les stents souples⁸, le déviateur de flux NiTi⁹ et les stents NiTi¹⁰. Ces travaux mettent en évidence la nécessité d’une méthodologie permettant de fabriquer rapidement des cadres NiTi avec des topologies complexes, qui pourraient s’auto-étendre à travers des cathéters, satisfaisant ainsi les exigences préliminaires d’un implant transcathéter.

L’objectif de ce document est de décrire des méthodes de fabrication rentables et bien conçues, en fournissant un guide détaillé, étape par étape, à travers chaque processus. Il se concentre sur la démonstration d’une variété de cadres métalliques NiTi auto-expansibles adaptés aux implants et analyse les aspects clés de la méthode nécessaire pour produire des topologies complexes à l’aide de techniques abordables et efficaces. Cet article comprend le test de ces cadres et leur déploiement à travers un cathéter Fr-12 dans une configuration de paillasse qui simule l’administration d’un implant transeptal au septum auriculaire. Ce test est similaire aux tests de base, utilisés par le travail antérieur ^6,8. Cette méthode a démontré la capacité de déploiement d’un prototype de cadre auto-expansible après passage dans un cathéter. En fin de compte, cette méthodologie peut aider à déterminer si une certaine topologie/conception pour un cadre NiTi peut répondre aux exigences mécaniques préliminaires pour le déploiement par le biais d’un cathéter spécifique.

Bien que ce travail se concentre sur la fabrication de prototypes de cadres NiTi et la caractérisation de base de leur topologie et de leur conformité, diverses autres caractérisations¹¹ et tests de sécurité réglementaires^12,13 sont nécessaires au développement d’implants. Certaines caractérisations comprennent la caractérisation des propriétés/chimie de surface¹⁴, de la corrosion¹⁴, de l’analyse de fatigue¹³, de l’hémocompatibilité¹³ et de la biocompatibilité¹⁵.

Protocole

REMARQUE : Voir le tableau des matériaux pour plus de détails sur tous les matériaux utilisés dans ce protocole. La figure 1A montre un exemple de cadre en cuivre/NiTi. Utilisez des gants de sécurité.

1. Itération de la conception d’un cadre/prototype NiTi

1. Alignez le fil NiTi à l’intérieur des tubes en cuivre (ou des tubes en laiton ; Figure 2A).
   1. Sélectionnez un fil NiTi (0,008 po) et un tube en cuivre (OD 1,00 mm x 400 mm).
   2. Allumez le stéréoscope et regardez visuellement le NiTi sur le moniteur et le cuivre tout en les manipulant. Alignez le fil à l’intérieur du tube. Enfoncez complètement le fil dans le tube.
2. Préparez les montages imprimés en 3D (Figure 2B-D).
   1. Téléchargez un . Fichier STL pour le fixture/modèle (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
      REMARQUE : Pour certains . Exemples de fichiers STL, consultez ce dépôt (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
   2. Si un ajustement est nécessaire, téléchargez le . SDLRD à partir du même référentiel, effectuez des ajustements de conception dans le logiciel de CAO propriétaire, puis exportez-le au format . STL. Vous pouvez également créer un modèle dans un logiciel de CAO open source et exporter un fichier . STL.
      REMARQUE : Pour certains . SDLRD ou . Exemples de conception FCSTD, voir ce dépôt (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
   3. Ouvrez le logiciel de découpage (par exemple, Elegoo Cura) et importez le fichier . STL. Sélectionnez l’objet à imprimer en 3D et cliquez en bas du volet de tranche. Enregistrez le fichier. gCode et enregistrez-le sur une carte micro-SD. Retirez la carte micro-SD.
   4. Allumez l’imprimante 3D FDM. Insérez la carte micro-sd. À l’écran, sélectionnez préparer | préchauffer | PLA. Sélectionnez retour | imprimer. Sélectionnez le fichier .gcode, puis appuyez sur imprimer.
   5. Laissez la machine imprimer la pièce en 3D.
   6. Une fois l’impression 3D terminée, retirez la pièce imprimée et coupez toute pièce de support à l’aide d’une pince.
   7. Limez la pièce, où il y a des bords grossiers, et marquez les zones à percer avec un marqueur.
   8. Percez des trous dans la géométrie imprimée en 3D à l’aide d’une perceuse à main (Figure 2B).
      ATTENTION : Utilisez des gants de sécurité et des lunettes de sécurité.
   9. Passez les vis dans les trous de la pièce imprimée en 3D à l’aide d’un tournevis (Figure 2C).
3. Former la structure 3D du Cu/NiTi à l’aide du dispositif et des outils à main. Passez le fil dans les trous et pliez-le sur les vis étape par étape. Si nécessaire, pliez le fil à l’aide d’outils à main (Figure 2D,E).
   1. Tenez NiTi/Cu et passez-le dans le trou central. Ensuite, pliez/pliez le tube Cu à l’aide d’une pince à épiler ou d’une pince autour de toutes les vis pour former la forme souhaitée (Figure 2E).
   2. Dévissez les vis. Chauffez pour ramollir le luminaire imprimé en 3D (à partir de l’étape 1.2) à l’aide d’un pistolet à souder.
   3. Utilisez des ciseaux pour couper la pièce imprimée en 3D. Retirez la pièce 3D indésirable à l’aide d’une pince à épiler ou d’une pince (Figure 2F).
4. Traitez thermiquement la structure/le cadre NiTi/Cu (Figure 2G).
   1. Allumez le tube du four et surveillez la température à l’aide d’un thermocouple. Lorsque la température atteint 500 °C, placez le cadre Cu/NiTi dans le four pendant 3 min.
      REMARQUE : Utilisez des gants haute température, une blouse de laboratoire et un écran facial de sécurité.
   2. Surveillez la température à l’aide de thermocouples de type K en plaçant le thermomètre dans le four tubulaire.
   3. Retirez le cadre NiTi/Cu à l’aide d’un crochet au bout de 3 min (Figure 2H) et trempez-le dans de l’eau distillée.
5. Gravez les tubes de cuivre sacrificiels (Figure 2I).
   1. Pesez le persulfate d’ammonium sur une balance. Pesez également l’eau dans un récipient en verre. Mélangez-les de manière à ce que le poids du persulfate d’ammonium soit 23 % de celui de l’eau.
      REMARQUE : Faites ce processus à l’intérieur de la hotte et utilisez une blouse de laboratoire, du verre de sécurité et des gants de sécurité.
   2. Ajouter du persulfate d’ammonium pour obtenir un rapport massique de 23 % (persulfate d’ammonium par rapport à l’eau). Remuez la solution à l’aide d’un agitateur en verre jusqu’à ce que le persulfate d’ammonium soit dissous.
      REMARQUE : Faites ce processus à l’intérieur de la hotte et utilisez une blouse de laboratoire, du verre de sécurité et des gants de sécurité.
   3. Immergez les trames NiTi/Cu de l’étape 1.3 dans la solution pendant ~8 h pour graver le cuivre (Figure 2I).
      REMARQUE : Effectuez ce processus à l’intérieur de la hotte et portez une blouse de laboratoire, du verre de sécurité et des gants de sécurité.
   4. Surveillez visuellement la gravure sur cuivre. S’ils ne sont pas complètement gravés, jetez l’agent d’enrobage, produisez l’agent d’enrobage frais (voir les étapes 1.5.1 et 1.5.2) et versez l’agent frais dans le récipient.
   5. Si le cuivre est entièrement gravé, retirez-le à l’aide d’une pince à épiler (Figure 2J) et lavez le cadre NiTi libéré dans de l’eau distillée en le rinçant trois fois. Reportez-vous à la figure 1B pour un exemple de trame NiTi libérée après ces étapes.
   6. Allumez le microscope. Placez le fil NiTi sous le microscope ; Recherchez toute courbure ou dimension indésirable.

2. Couvrir les côtés du cadre avec des films ou du tissu

1. Appliquez l’élastomère de polyuréthane aromatique (le polycarbonate uréthane est une alternative, voir le tableau des matériaux ; le protocole complet est fourni ailleurs⁶).
   1. Placez une plaquette de silicium de 4 pouces dans la machine à plasma d’oxygène et traitez-la au plasma pendant 2 min. Ensuite, retirez la plaquette.
   2. Ouvrez le dessiccateur sous vide et versez quelques gouttes de silane (C₈H₄Cl₃F₁₃Si ; voir tableau des matériaux) dans un récipient en plastique dans le dessiccateur.
   3. Placez la plaquette dans le dessiccateur, fermez le couvercle et appliquez le vide sur le dessiccateur.
   4. Fermez la vanne du dessiccateur et éteignez la pompe à vide.
   5. Laissez le dessiccateur pendant 2 h, puis retirez la plaquette de silicium.
   6. Placez la plaquette sur la machine à revêtir, centrez-la et versez un peu d’élastomère de polyuréthane aromatique ou aliphatique dissous dans du DMAc (voir le tableau des matériaux) en son centre.
   7. Essorez la gaufrette ; ensuite, retirez la plaquette et placez-la dans le four à 80 °C pendant 2 h, sous une hotte.
   8. Au bout de 2 h, sortez la gaufrette et décollez le film durci à l’aide d’une pince à épiler (utilisez les doigts si nécessaire).
   9. Coupez le film pelé en petits morceaux à l’aide de ciseaux.
2. Pressez à chaud les films aromatiques d’élastomère de polyuréthane sur les cadres NiTi.
   1. Concevoir une entretoise pour le processus de traitement thermique.
   2. Utilisez le logiciel de CAO propriétaire ou open source pour concevoir l’entretoise, exportez le . STL dans l’environnement, et découpez l’objet pour créer des fichiers gcode (voir étape 1.2.3). Vous pouvez également télécharger et utiliser le modèle d’entretoise fourni (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
   3. Commencez à imprimer en 3D l’entretoise en ouvrant le . STL lors du découpage du logiciel (par exemple, CHITUBOX), Vous pouvez également suivre les étapes d’impression 3D décrites dans 1.2.4, 1.2.5 au lieu de 2.2.4, 2.2.5 et 2.2.6.
      REMARQUE : L’entretoise fabriquée à travers les dernières étapes aura une durée de vie plus longue.
   4. Choisissez l’objet à imprimer en 3D, cliquez sur le volet Tranche et enregistrez le fichier dans un fichier . Format CBT sur une clé USB.
   5. Insérez la clé USB dans l’imprimante 3D SLA, versez la résine photopolymère dans le récipient de l’imprimante 3D, allumez l’imprimante 3D, choisissez imprimer et appuyez sur le signe triangulaire pour démarrer le processus d’impression 3D.
   6. Une fois le processus d’impression 3D terminé, retirez l’entretoise du lit d’impression, placez-la pendant 10 minutes à l’intérieur du système LED UV, puis lavez-la à l’eau et rangez-la pour les étapes suivantes.
   7. Ouvrez la presse à chaud.
   8. Plastifiez le film d’élastomère de polyuréthane sur l’entretoise (Figure 2K) et placez le fil/cadre NiTi autour de l’entretoise et sur le film. Laminez une deuxième couche de film sur le fil. Réglez la température à 240 °F (si vous le souhaitez, ajoutez des couches supplémentaires d’élastomères entre les deux couches ou entre le polyuréthane et l’entretoise pour éviter l’adhérence).
   9. Fermez le haut de la presse et verrouillez-la ; Attendez 60 s.
   10. Répétez le même processus de pressage à chaud pour l’autre côté du cadre en fil NiTi et l’entretoise.
   11. Coupez les parties supplémentaires du film collé à l’aide de ciseaux (Figure 2L).
   12. Comme alternative au collage de matériaux thermoplastiques, couvrez le cadre en fil NiTi en cousant des tissus PET.
       REMARQUE : La figure 3 montre le cadre recouvert de couches d’un polymère hémocompatible. Ici, les couches comprennent une couche supplémentaire de polydiméthylsiloxane à micromotifs qui est prise en sandwich entre elles.

3. Test du déploiement du cadre

1. Tenez un cathéter FR 12 à la main (Figure 4A) et passez-le dans un dilatateur et une aiguille (Figure 4B,C).
2. Fixez une pièce en silicone sur le support (Figure 4E).
3. À l’aide de l’aiguille et du dilatateur, faites un trou dans la pièce de silicone (Figure 4E).
4. Passez le cathéter dans le trou progressivement (Figure 4F) et rétractez le dilatateur et l’aiguille.
5. Pliez le cadre NiTi et enfoncez-le à travers l’extrémité proximale du cathéter (Figure 4G).
6. Poussez le cadre vers l’extrémité distale du cathéter à l’aide de la tige en polytétrafluoroéthylène (PTFE) (Figure 4D).
7. Délogez le premier côté du cadre NiTi (Figure 4I).
8. Rétractez le récupérateur (Figure 4H) et délogez le deuxième côté du cadre NiTi de l’autre côté du caoutchouc de silicone (Figure 5).
9. Examinez le cadre au microscope pour vérifier s’il n’y a pas de défaillance ou de déformation indésirable.

Résultats

Les cadres NiTi ont été façonnés dans diverses topologies à l’aide de fixations en plastique peu coûteuses et d’outils à main (Figure 1). Dans les étapes de protocole 1.1 à 1.4 (Figure 1A), les trames NiTi/Cu ont été formées en topologies complexes. Après l’étape 1.5 du protocole, le Cu a été gravé pour libérer les trames NiTi (Figure 1B). Ici, le dispositif Cu a été compl?...

Discussion

Dans ce protocole, plusieurs étapes nécessitent une attention méticuleuse telles que le traitement thermique (recuit), la gravure et la conception des luminaires imprimés en 3D. De grandes variations de température à partir de 500 °C ¹⁷ ou du temps de recuit du NiTi peuvent nuire à la superélasticité du fil NiTi et à l’obtention des formes souhaitées¹⁸. Un traitement thermique avec des conditions imprécises (température et t...

matériels

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