4 ד מודפס סטנטים מלאכותיים עם מבנים בהשראת Kirigami

Dahong Kim; Taeyoung Kim; Yong-Gu Lee

doi:10.3791/59746

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

Summary

באמצעות מדפסת תלת-ממדית, פילמנט פולימר מסוג הצורה הינו הבלטת ממד כדי ליצור מבנה צינורי בענף. המבנה הוא בדוגמת ובצורת כך שהוא יכול להתכווץ לתוך טופס קומפקטי פעם מקופל ולאחר מכן לחזור לצורתו הנוצרת כאשר מחוממת.

Abstract

כלי שיט, בדרך כלל בצורת האות "Y", ניתן לצמצם או לחסום, וכתוצאה מכך בעיות בריאותיות חמורות. סטנטים משומנים, החלולים בפנים ובעלי צורה מבפנים לכלי השיט, מוכנסים בניתוח בתוך כלי השיט, משמשים כמבנה תומך כך שנוזלי גוף יכולים לנוע בחופשיות דרך פנים הסטנטים ללא בחסימת הכלים המצלוקים או החסומים. עבור סטנט מורכב להיות פרוס באתר היעד, זה צריך להיות מוזרק בתוך הכלי ולנסוע בתוך כלי כדי להגיע לאתר היעד. קוטרו של כלי הקיבול קטן בהרבה מהספרה התוחמת של הסטנט הביפראני; לכן, טכניקה נדרשת כך הסטנט שחור נשאר קטן מספיק כדי לנוע דרך כלי ומתרחב בכלי הספינה ממוקד. שני התנאים הסותרים, כלומר, קטנים מספיק כדי לעבור ולגדול מספיק כדי לתמוך באופן מבנית במעברים המצתים, הם קשים מאוד לסיפוק בו זמנית. אנו משתמשים בשתי טכניקות כדי למלא את הדרישות הנ ל. ראשית, על הצד החומרי, פולימר זיכרון הצורה (SMP) משמש לאתחול עצמי שינויים הצורה מ קטן לגדול, כלומר, להיות קטן כאשר הוכנס והופך גדול באתר היעד. שנית, בצד העיצוב, דפוס kirigami משמש כדי לקפל את צינורות הסתעפות לתוך צינור אחד עם קוטר קטן יותר. הטכניקות המוצגות ניתן להשתמש כדי להנדס מבנים שניתן לדחוס במהלך התחבורה ולחזור לצורה מיומנת פונקציונלית שלהם כאשר מופעל. למרות שעבודתנו מכוונת על סטנטים רפואיים, יש לפתור בעיות ביותאימות לפני שימוש קליני בפועל.

Introduction

סטנטים משמשים להרחבת מעברים או הקצצות בבני אדם, כגון כלי דם ונתיבי נשימה. סטנטים הם מבנים צינורי הדומים למעברים ולתמיכה מכנית במעברים מקריסה נוספת. בדרך כלל, סטנטים מתכתיים בעלי התרחבות עצמית (SEMS) מאומצים באופן נרחב. סטנטים אלה עשויים מסגסוגות מורכבות מקובלט כרום (פלדת אל-חלד) ומניקל-טיטניום (ניטינול)¹^,². החיסרון של סטנטים מתכתיים הוא שנמק בלחץ יכול להתקיים במקום שבו חוטי המתכת של הסטנט מגיעים במגע עם הרקמות החיות והסטנטים מושפעים. יתר על כן, כלי הדם של הגוף יכול להיות בצורה אסימטרית והם הרבה יותר מורכבים מאשר מבנים הכרישים פשוטה. בפרט, ישנם הרבה הליכים קליניים מיוחדים כדי להתקין סטנטים בענף לומן. ב לומן בצורת Y, שני סטנטים גליליים מוכנסים בו זמנית ומחוברים בסניף³. עבור כל ענף נוסף, יש לנהל נוהל כירורגי נוסף. ההליך מצריך רופאים מאומנים במיוחד, וההכנסה מאתגרת מאוד בשל התכונות הבולטות של סטנטים הסוקנים.

מורכבות הצורה של סטנטים ביפורבית הופכת אותו ליעד מתאים מאוד להדפסה תלת ממדית. סטנטים קונבנציונליים מיוצרים בכמויות בגדלים ובצורות סטנדרטיות. באמצעות מתודולוגיה לייצור הדפסה תלת ממדית, ניתן להתאים אישית את צורת הסטנט לכל מטופל. מכיוון שצורות משמשות על-ידי הוספת שכבה-אחר-שכבה של הצורות הסקצריות של אובייקט היעד, בתאוריה, ניתן להשתמש בשיטה זו כדי להמציא חלקים מכל צורה וגודל. סטנטים קונבנציונליים בעיקר מגליתים בצורה. עם זאת, לכלי הדם יש ענפים, והקטרים משתנים לאורך הצינורות. באמצעות הגישה המוצעת, ניתן לאכלס את כל הווריאציות האלה בצורות ובגדלים. בנוסף, למרות שלא הפגינו, החומרים המשמשים גם יכול לשנות בתוך סטנט אחד. לדוגמה, אנו יכולים להשתמש בחומרי שימוש בחומרים מסוימים, היכן שהתמיכה נחוצה וחומרים רכים יותר בהם נדרשת גמישות רבה יותר.

הצורה משנה את הדרישה של שיחות סטנטים ביופורטיים להדפסת 4 ד, כלומר, הדפסה תלת-ממדית עם התחשבות נוספת בזמן. 3D מבנים מודפסים שנוצרו באמצעות חומרים מיוחדים ניתן לתכנת כדי לשנות את צורתם על ידי גירוי חיצוני, כגון חום. השינוי מתמשך בעצמו ואינו דורש מקורות כוח חיצוניים. אחד החומר המיוחד המתאים הדפסה 4d הוא smp⁴^,⁵^,⁶^,⁷^,⁸^,⁹, אשר מציג אפקטים של זיכרון צורה כאשר נחשפים ל חומר ספציפי המפעיל טמפרטורה מעבר זכוכית. בטמפרטורה זו, המקטעים הופכים לרכים כך שהמבנה חוזר לצורתו המקורית. לאחר המבנה הוא 3D מודפס, הוא מחומם לטמפרטורה מעט מעל טמפרטורת המעבר זכוכית. בשלב זה המבנה הופך להיות רך, ואנו מסוגלים לגבש את הצורה על-ידי החלת כוחות. תוך שמירה על הכוחות המוחלים, המבנה מתקרר, הופך להיות מוקשח ושומר על צורתו המעוותת, גם לאחר הסרת הכוחות המוחלים. לאחר מכן, בשלב הסופי, כאשר המבנה צריך לחזור לצורתו המקורית, כגון הרגע שבו המבנה מגיע לאתר היעד, החום מסופק כך שהמבנה מגיע לטמפרטורת מעבר הזכוכית שלו. לבסוף, המבנה חוזר לצורתו המקורית בעלת הערך. איור 1 ממחיש את השלבים השונים שהוסברו בעבר. את smps ניתן למתוח בקלות, ויש כמה smps מתכלה ביולוגי⁹^,¹⁰. ישנם שימושים רבים עבור smps בתחום הרפואה⁹^,¹⁰, ו סטנטים¹¹^,¹² הם אחד מהם.

דפוסי הסטנטים והעיצוב המתקפל עקבו אחר עיצוב הנייר היפני המכונה "kirigami". תהליך זה דומה לטכניקת קיפול הנייר הידוע בשם "אוריגמי", אך ההבדל הוא שבנוסף לקיפול, חיתוך הנייר מותר גם בעיצוב. טכניקה זו שימש באמנות גם הוחל ביישומים הנדסיים²^,³^,¹³^,¹⁴. בקיצור, kirigami יכול לשמש כדי להפוך מבנה מישורי למבנה תלת מימדי על ידי החלת כוחות במקומות מעוצבים במיוחד. בדרישות העיצוב שלנו, סטנט צריך להיות צורה גליל פשוט כאשר הוכנס לתוך המסלולים, והצילינדר צריך להתחלק לאורך אורכו שבו כל חצי צריך להתפתח לצורה גליל מלא בכלי הספינה ממוקד. הפתרון טמון בעובדה שהספינה הראשית והענפים הצדדיים מקופלים לצילינדר אחד, כך שהענפים הצדדיים לא יפריעו לקירות כלי הקיבול בזמן ההוספה. אות הפקודה התגלגלות מגיע העלייה בטמפרטורת הסביבה מעל טמפרטורת המעבר זכוכית של SMP. בנוסף, הקיפול ייערך מחוץ לגוף המטופל על ידי ריכוך הסטנט המודפס התלת-ממדי וקיפול הענף הצדדי לתוך כלי הקיבול הראשי.

שיטות קונבנציונליות נדרשות להוספה של סטנטים גליליים מרובים שמספרם שווה למספר הענפים. שיטה זו הייתה בלתי נמנעת, משום שהבליטות של הענפים הצדדיים כללו את קירות המסלולים והפכו אותו לבלתי אפשרי להכניס סטנט מלא בשלמותו. באמצעות מבנה kirigami הדפסה 4D, הבעיות הנ ל ניתן לפתור. פרוטוקול זה מציג גם את ההדמיה של האפקטיביות של השיטה המוצעת באמצעות מודל כלי סיליקון מפוברק לאחר הצורה של כלי הדם. באמצעות זה מדגם-up, את האפקטיביות של ההמצאה המוצעת במהלך תהליך הכניסה ואפשרויות נוספות של יישומים חדשים ניתן לראות.

מטרת פרוטוקול זה היא לשרטט באופן ברור את השלבים המעורבים בהדפסת SMP באמצעות מדפסת מידול לתצהיר מחובר (FDM). בנוסף, טכניקות הכרוכות בביטול סטנטים הניתנים להדפסה מודפסים למדינה המקופלת, החדרת סטנטים מלאכותיים המקופלים לאתר היעד, והאיתות והתפתחות המבנה לצורתו המקורית מוענק בפרוטרוט. הפגנה של ההכנסה משתמשת בסיליקון מבוים של כלי דם. הפרוטוקול גם מספק את ההליכים המעורבים בדיית המודל הזה באמצעות מדפסת תלת-ממד ודפוס.

Protocol

1. מדגם כלי דם להפגנה

הגדר את קוטר הכלי הראשי האבובי ל -25 מ"מ, הקטרים של כלי הקיבול העיקרי והענף הצדדי השווה ל -22 מ"מ. הגדר את האורך הכולל של כלי הקיבול השווה ל 140 מ"מ. הגדר את אורך הספינה הראשית האבופית, הכלי העיקרי והענף הצדדי ל -6 5 מ"מ, 75 מ"מ ו 65 מ"מ, בהתאמה. כלי הדם המלא מוצג באיור 2 ואיור 3.
הדפס את מודל המחשב של כלי הקיבול באמצעות מדפסת תלת-ממד מסוג FDM. . השתמש בחוט פוליקרבונט

2. כלי דם בייצור מבוים על ידי דפוס

צור מכולה בצורת תיבה שתגרום לבית את החלק המודפס התלת-ממדי. הגדר את ממדי המיכל כדי 110 x 105 x 70 מ"מ ולהשתמש לוחית אקריליק.
עם כלי מודפס תלת-ממד ממוקם במרכז התיבה, בעדינות לשפוך את הסיליקון בתוך המיכל כדי למזער את היווצרות בועה. נגב את הסיליקון הנוזלי והכה אותו במשך 36 ~ 48 שעות.
להסיר סיליקון התחזק מתוך המיכל ולחתוך אותו לחצי כדי להסיר את החלק המודפס 3D. הצטרף לסיליקון המחולק. במטוס החתוך הגוף המצורף המתקבל הוא כלי הדם מדגם. התוצאה הסופית מוצגת באיור 4.

3. עיצוב סטנט בענף מבוסס על kirigami

הערה: הגודל של סטנט בענף עשוי להתאים בצורה מבשלה בתוך מסלול Y בצורת מדגם של כלי הדם. הפנים מורכב חלול, ואת פני השטח הכרישים שינוי נועדו לקפל פונקציונלית ולחזור לתצורה מלא הפרש.

לעצב את המטען של סטנט הביפררר בעקבות דפוסים גליים דומים סטנטים קונבנציונליים. הגדר את קוטר העורק ל -22 מ"מ ואורכו של העורק ל 38 מ"מ.
עצב את הענפים הביופרטיות כדי להיות גליל, כמוצג באיור 5ב. הגדר את קוטר הענף ל -18 מ"מ ואורך הענף ל 34 מ"מ.
הגדר את האורך הכולל של סטנט ל 72 מ"מ. הצורה הסופית מוצגת באיור 6.

4. הדפסה תלת ממדית עם חוטי SMP

הדפס את הסטנט הדו במדפסת תלת-ממד של FDM בעזרת חוט מיון SMP. ההרכב העיקרי של חוט הלהט הזה הוא פוליאוריתן. הספק המסחרי מספק גם חוטים אלה בצורה של כדורי, כך שמשתמש הקצה יכול גם להוסיף חומרים נוספים כדי להתאים את מאפייני החומר (איור 7).
השתמשו בתוכנת פריסה לחיתוך מודלים ולשליטה בהגדרות המדפסת התלת-ממדית. הגדר את טמפרטורת הבלטת משטח ל-230 ° צ' ולטמפרטורת המדפסת לטמפרטורת החדר. הגדר את גובה השכבה ל 0.1 מ"מ כדי למזער את אפקט מדרגות המדרגות.
הגדר את מהירות ההדפסה ל-3,600 mm/min. הגדר את כמות אחוז המילוי הפנימי ל-80%. כלול את היווצרות תומך במהלך ההדפסה, אשר נדרש בגלל המבנה חלול בפנים. איור 8 ממחיש את תהליך ההדפסה.

5. החלקת המשטח

הערה: השלבים הבאים נדרשים מכיוון שמשטחים מחוספסים עלולים לגרום נזק לכלי בשחיקה.

הסר את התומכים באמצעות מחתך (איור 9א). התומכים מחוברים בפנים של הסטנט. בעת הסרת סטנטים, יש לנקוט זהירות קיצונית כדי להימנע מקריעת סטנטים.
שפשף את פני השטח מול נייר זכוכית (איור 9ב) כדי להסיר את שורות השכבה, הסטריציות או הפגמים במשטח המודפס. ייתכן שיהיה צורך בליטוש חוזר במקום בו התומכים מוסרים על ידי החותכי.
צבעו את המשטח בעזרת תרסיס במיקום מאוורר היטב, וחבוש מסכה אישית. . נקי, חול ויבש את פני השטח הגנה מפני התזת יתר על ידי החלת שכבות דקות של צבעים חוזרים. השתמשו בצבעים שחורים כדי לשפר את הניגוד בין דגם כלי הסיליקון לבין הסטנט (איור 9ג).

6. היווצרות סטנט ביקרר

מניחים את הסטנטים הביופרמיים במים חמימים, כך שהטמפרטורה מעל טמפרטורת המעבר מזכוכית. כאשר סטנט הופך מתרכך, לדחוף חצי אחד הענף נגד החצי השני. לקנן חצי אחד בחצי השני, כפי שמוצג באיור 10א.
מקפלים את שני הענפים לתוך גליל אחד, כך שהוא יכול לנסוע דרך כלי הקיבול הראשי. בצע את אותו תהליך קינון לענף השני. לאחר מכן, שני חצאים של צילינדרים סגורים לתוך אחד, כפי שמוצג באיור 10ב.

7. החדרת סטנט מורכב לתוך כלי הדם

ממלאים טנק עם מים חמים. הגדר את טמפרטורת המים ל-55-60 ° c. לטבול את כלי הסיליקון מדגם בתוך המיכל. כוון את הדגם כך שהספינה הראשית מעליה והענפים נמצאים למטה.
הכנס את סטנט הביופרלי המקופל לפתיחת כלי הסיליקון דגם מלמעלה. האוריינט הסטנט המקופל מקופל כך שענפיו כלפי הפתח. סטנט מקופלת מקופל יתחיל להתרחב, ואת הענפים התחתון יהיה לחלק כזה שכל ענף יחליק לעבר מסלול ההזדווגות שלה מליבת הביקטיון של כלי בצורת Y (איור 12).

תוצאות

בפרוטוקול הזה, הצגנו את ההליכים. הדרושים להפיית סטנט מורכב סטנט משתמש במבנה kirigami כדי לאפשר סטנט ביפולרר לקפל לתוך צינור גליל קומפקטי, אשר מתאים מאוד להחליק דרך מסלולים צרים של כלי הדם. ה-SMP מאפשר למבנה המקופל לחזור לצורתו המקורית כאשר הטמפרטורה מגיעה לטמפרטורת מעבר הזכוכית. הצורה המקורית, ?...

Discussion

סטנטים משמשים לעתים קרובות כדי לנקות את המסלולים הפנימיים הסתומים כגון כלי הדם ונתיבי הנשימה של החולים. פעולה כירורגית של החדרת סטנטים דורשת שיקול קפדני של מחלת החולה ומאפיינים אנטומיים אנושיים. צורת הכלי מורכבת וקיימים תנאי הסתעפות מגוונים. עם זאת, הנהלים הסטנדרטיים סטנט מבוססים על סטנ?...

Disclosures

. למחברים אין מה לגלות

Acknowledgements

עבודה זו נתמכת על ידי המכון למידע & התכנון וההערכה של טכנולוגיית תקשורת (iitp) מענק ממומן על ידי ממשלת קוריאה (msit) (מס ' 2018-0-01290, פיתוח מערכת נתונים פתוחה וטכנולוגיית עיבוד קוגניטיבית ל הכרה בתכונות הנגזרות מבני אדם בלתי מובנים (שוטרים, קציני בטיחות תעבורה, הולכי רגל, וכו ') תנועות המשמשות מכוניות נהיגה עצמית) ואת מכון מחקר של מרכז המחקר (מענק) ממומן על ידי התמצית ב 2019.

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

References

Migliavacca, F., et al. Stainless and shape memory alloy coronary stents: a computational study on the interaction with the vascular wall. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2 (4), 205-217 (2004).
Kuribayashi, K., et al. Self-deployable origami stent grafts as a biomedical application of Ni-rich TiNi shape memory alloy foil. Material Science and Engineering A. 419, 131-137 (2006).
Suwaidi, A. I., et al. Immediate and long-term outcome of intracoronary stent implantation for true bifurcation lesions. Journal of the American College of Cardiology. 35 (4), 929-936 (2000).
Mao, Y., et al. Sequential self-folding structures by 3D printed digital shape memory polymers. Scientific Reports. 5, 13616 (2015).
Ge, Q., Qi, H. J., Dunn, M. L. Active materials by four-dimension printing. Applied Physics Letters. 103, 131901 (2013).
Wu, J., et al. Multi-shape active composites by 3D printing of digital shape memory polymers. Scientific Reports. 6, 24224 (2016).
Chen, S., Zhang, Q., Feng, J. 3D printing of tunable shape memory polymer blends. Journal of Materials Chemistry C. 5, 8361-8365 (2017).
Qi, G., et al. Multimaterial 4D printing with tailorable shape memory polymers. Scientific Reports. 6, 31110 (2016).
Lendlein, A., et al. Biodegradable, elastic shape-memory polymers for potential biomedical applications. Science. 296, 1673-1676 (2002).
Lendlein, A., et al. Shape memory polymers. Angewandte chemie. 41, 2034-2057 (2002).
Baer, G. M., et al. Fabrication and in vitro deployment of a laser-activated shape memory polymer vascular stent. BioMedical Engineering OnLine. 6, 43 (2007).
Wache, H. M., Tartakowska, D. J., Hentrich, A., Wagner, M. H. Development of a polymer stent with shape memory effect as a drug delivery system. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 14 (2), 109-112 (2003).
Shyu, T. C., et al. A kirigami approach to engineering elasticity in nanocomposites through patterned defects. Nature Materials. 14, 785-789 (2015).
Rossiter, J., Sareh, S. Kirigami design and fabrication for biomimetic robotics. Proc. SPIE. 9055, (2014).
Kim, T., Lee, Y. G. Shape transformable bifurcated stents. Scientific Reports. 8, 13911 (2018).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

149 3D 4D kirigami

This article has been published

Video Coming Soon

Keep me updated: