Rapida formazione e test di telai in NiTi autoespandibili con un fattore di forma ridotto adatti per impianti minimamente invasivi

Riepilogo

Questo lavoro illustra una tecnica di fabbricazione a basso costo per fili/telai in nitinol con un fattore di forma ridotto utilizzando dispositivi sacrificali. La tecnica è dimostrata per la fabbricazione di telai autoespandibili progettati per impianti minimamente invasivi con forme complesse.

Abstract

I fili NiTiNOL (comunemente indicati come nitinol o NiTi) presentano un'eccezionale memoria di forma e caratteristiche super elastiche, mentre la definizione della forma è spesso un processo costoso. Tra le fasi di questo processo, il trattamento termico richiede l'esposizione ad alte temperature per l'impostazione della forma. Tradizionalmente, a questo scopo vengono utilizzati infissi metallici. Tuttavia, i loro costi di produzione possono essere significativi, il che non è l'ideale per l'iterazione dei prototipi. Questo lavoro dimostra un approccio introdotto di recente che utilizza dispositivi sacrificali realizzati con tubi di rame, che elimina la necessità di dispositivi costosi. Questi tubi di rame consentono la formazione di geometrie complesse e offrono un'impalcatura per varie fasi del processo di fabbricazione. Inoltre, il persolfato di ammonio viene utilizzato per l'incisione selettiva del rame, che semplifica la produzione di telai in NiTi. I risultati di questo lavoro confermano l'efficacia di questa tecnica e dimostrano il successo dell'impostazione della forma dei fili NiTi per telai autoespandibili. Questa metodologia apre la strada alla ricerca futura, consentendo la prototipazione rapida di wireframe NiTi per varie applicazioni, in particolare quelle nei dispositivi medici.

Introduzione

I fili NiTi sono ampiamente utilizzati negli impianti medici, ma richiedono un processo iniziale di impostazione della forma durante la fabbricazione del dispositivo¹. Vari dispositivi sono realizzati in NiTi, tra cui tubi per catetere, fili guida, cestelli per il recupero dei calcoli, filtri, aghi, lime dentali e altri strumenti chirurgici². La biocompatibilità, la superelasticità e la resistenza alla fatica di NiTi lo rendono adatto a queste applicazioni. Inoltre, ha applicazioni nell'industria automobilistica e aerospaziale³.

L'uso di NiTi è limitato a causa del suo costo elevato e dei processi complessi necessari per la messa a punto della forma. Nel processo di impostazione della forma, le strutture in NiTi sono tradizionalmente esposte a temperature elevate (circa 500 °C) mentre sono confinate in un dispositivo⁴. Questa temperatura elevata, così come le sollecitazioni durante il processo di impostazione della forma, richiedono un dispositivo con un'elevata resistenza meccanica. Questo è il motivo per cui gli infissi tipici sono solitamente realizzati in metallo¹. Pertanto, l'uso di dispositivi metallici tipicamente lavorati a macchina aumenta i costi e pone sfide per la prototipazione rapida e il collaudo delle strutture in NiTi. Un approccio alternativo prevede l'uso di dispositivi riconfigurabili costruiti con perni e piastre¹, che semplificano il processo; Tuttavia, questo processo presenta dei limiti nella modellazione di geometrie complesse. Di conseguenza, un processo di definizione della forma a basso costo che utilizza materiali e produzione a basso costo è altamente desiderabile per la ricerca che richiede telai NiTi che fissano la forma.

Per soddisfare la necessità di una rapida prototipazione di NiTi, abbiamo recentemente introdotto un protocollo che utilizza parti stampate in 3D a basso costo e produzione artigianale^{per fili} NiTi 5 per l'impostazione della forma. Questo metodo incorpora dispositivi sacrificali con una massa minima. L'attrezzatura ha dimostrato di essere utile nel fissare il filo NiTi durante i processi di formatura e impostazione della forma del filo (trattamento termico). I tubi di rame sono stati impiegati come materiale accessibile e a basso costo. Funge da dispositivo sacrificale di rinforzo e le tecniche standard di piegatura del filo possono essere utilizzate per l'impostazione della forma di strutture complesse. È stato osservato che i tubi di ottone potevano essere utilizzati in alternativa. Il persolfato di ammonio è stato utilizzato nella fase finale per l'incisione selettiva del rame, dopo il processo di ricottura. Questo passaggio ha finalmente rilasciato i fili NiTi shape-set. Questo approccio illustra l'uso innovativo delle strutture sacrificali come distanziatori. Quando questo approccio è combinato con la produzione additiva, è possibile ottenere la fabbricazione di forme complesse.

Il test di dispiegamento in vitro è tra i test di base per valutare la fattibilità di un prototipo di impianto autoespandibile, progettato per essere distribuito attraverso un catetere. Questi test comportano la valutazione se un impianto autoespandibile può passare con successo attraverso una guaina/catetere con la dimensione richiesta. Tali test sono stati utilizzati in vari dispositivi transcateteri o prototipi di impianti; alcuni esempi includono gli occlusori dell'appendice atriale sinistra ^6,7, gli stent morbidi⁸, il deviatore di flusso NiTi⁹ e gli stent NiTi¹⁰. Questi lavori evidenziano la necessità di una metodologia per fabbricare rapidamente telai in NiTi con topologie complesse, che potrebbero espandersi automaticamente attraverso cateteri, soddisfacendo così i requisiti preliminari per un impianto transcatetere.

L'obiettivo di questo documento è quello di delineare metodi di produzione efficienti in termini di costi e ben realizzati, fornendo una guida dettagliata e passo dopo passo attraverso ogni processo. Si concentra sulla dimostrazione di una varietà di telai in filo NiTi autoespandibili adatti per impianti e analizza gli aspetti chiave del metodo necessario per produrre topologie complesse utilizzando tecniche convenienti ed efficienti. Questo documento include il test di questi telai e il loro dispiegamento attraverso un catetere Fr-12 in una configurazione da banco che simula l'erogazione dell'impianto transettale al setto atriale. Questo test è simile ai test di base, impiegati da un lavoro precedente ^6,8. Questo metodo ha dimostrato la capacità di dispiegamento di un prototipo di telaio autoespandibile dopo il passaggio attraverso un catetere. In definitiva, questa metodologia può aiutare a determinare se una determinata topologia/design per un telaio NiTi può soddisfare i requisiti meccanici preliminari per il dispiegamento attraverso un catetere specifico.

Mentre questo lavoro si concentra sulla fabbricazione di prototipi per telai in NiTi e sulla caratterizzazione di base della loro topologia e formalità, per lo sviluppo degli impianti sono necessarie varie altre caratterizzazioni¹¹ e test di sicurezza normativi^12,13. Alcune caratterizzazioni includono la caratterizzazione delle proprietà superficiali/chimica¹⁴, la corrosione¹⁴, l'analisi della fatica¹³, l'emocompatibilit๳ e la biocompatibilità¹⁵.

Protocollo

NOTA: Vedere la Tabella dei materiali per i dettagli relativi a tutti i materiali utilizzati in questo protocollo. La Figura 1A mostra un esempio del telaio in rame/NiTi. Utilizzare guanti di sicurezza.

1. Iterazione di un progetto di un telaio/prototipo NiTi

1. Allineare il filo NiTi all'interno di tubi di rame (o tubi di ottone; Figura 2A).
   1. Selezionare un filo NiTi (0,008 pollici) e un tubo di rame (diametro esterno 1,00 mm x 400 mm).
   2. Accendi lo stereoscopio e guarda visivamente il NiTi sul monitor e sul rame mentre li manipoli. Allineare il filo all'interno del tubo. Spingere completamente il filo nel tubo.
2. Preparare i dispositivi stampati in 3D (Figura 2B-D).
   1. Scaricane uno . File STL per l'attrezzatura/modello (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
      NOTA: Per alcuni . Esempi di file STL, vedere questo repository (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
   2. Se è necessaria una regolazione, scaricare il file . SDLRD dallo stesso repository, apportare le modifiche al progetto nel software CAD proprietario, quindi esportarlo come file . STL. In alternativa, è possibile creare un modello in un software CAD open source ed esportare un file . STL.
      NOTA: Per alcuni . SDLRD o . Esempi di progettazione FCSTD, vedere questo repository (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
   3. Apri il software di slicing (ad esempio, Elegoo Cura) e importa il file . STL. Selezionare l'oggetto da stampare in 3D e fare clic sulla parte inferiore del riquadro della sezione. Salva il file. gcode e salvarlo su una scheda micro-SD. Estrarre la scheda micro-SD.
   4. Accendi la stampante 3D FDM. Inserisci la scheda micro-sd. Dalla schermata, seleziona Prepara | Preriscalda | PLA. Seleziona indietro | stampa. Seleziona il file .gcode e quindi tocca Stampa.
   5. Lasciare che la macchina stampi in 3D la parte.
   6. Dopo il completamento della stampa 3D, rimuovere la parte stampata e tagliare l'eventuale parte di supporto utilizzando una pinza.
   7. Lima la parte, dove ci sono bordi ruvidi, e segna le aree da forare con un pennarello.
   8. Praticare dei fori nella geometria stampata in 3D utilizzando un trapano a mano (Figura 2B).
      ATTENZIONE: Utilizzare guanti e occhiali di sicurezza.
   9. Far passare le viti attraverso i fori della parte stampata in 3D utilizzando un cacciavite (Figura 2C).
3. Forma la struttura 3D del Cu/NiTi utilizzando l'attrezzatura e gli strumenti manuali. Passare il filo attraverso i fori e piegarlo sulle viti passo dopo passo. Se necessario, piegare il filo utilizzando strumenti manuali (Figura 2D, E).
   1. Tenere NiTi/Cu e farlo passare attraverso il foro centrale. Quindi, piegare/piegare il tubo di Cu usando una pinzetta o una pinza attorno a tutte le viti per formare la forma desiderata (Figura 2E).
   2. Svitare le viti. Riscaldare per ammorbidire l'apparecchio stampato in 3D (dal passaggio 1.2) utilizzando una pistola saldante.
   3. Usa le forbici per tagliare la parte stampata in 3D. Rimuovere la parte 3D indesiderata utilizzando una pinzetta o una pinza (Figura 2F).
4. Trattare termicamente la struttura/telaio NiTi/Cu (Figura 2G).
   1. Accendere il tubo del forno e monitorare la temperatura utilizzando una termocoppia. Quando la temperatura raggiunge i 500 °C, posizionare il telaio Cu/NiTi nel forno per 3 minuti.
      NOTA: Utilizzare guanti per alte temperature, camice da laboratorio e visiera di sicurezza.
   2. Monitorare la temperatura utilizzando termocoppie di tipo K posizionando il termometro nel forno tubolare.
   3. Estrarre il telaio NiTi/Cu utilizzando un gancio dopo 3 minuti (Figura 2H) e spegnerlo in acqua distillata.
5. Incidere i tubi di rame sacrificali (Figura 2I).
   1. Pesare il persolfato di ammonio su una bilancia. Pesare anche l'acqua in un contenitore di vetro. Mescolarli in modo tale che il peso del persolfato di ammonio sia il 23% di quello dell'acqua.
      NOTA: Eseguire questo processo all'interno della cappa aspirante e utilizzare un camice da laboratorio, un vetro di sicurezza e guanti di sicurezza.
   2. Aggiungere il persolfato di ammonio per ottenere un rapporto in peso del 23% (persolfato di ammonio per acqua). Mescolare la soluzione con un agitatore di vetro fino a quando il persolfato di ammonio non si è sciolto.
      NOTA: Eseguire questo processo all'interno della cappa aspirante e utilizzare un camice da laboratorio, un vetro di sicurezza e guanti di sicurezza.
   3. Immergere i telai NiTi/Cu dal passaggio 1.3 nella soluzione per ~8 ore per incidere il rame (Figura 2I).
      NOTA: Eseguire questo processo all'interno della cappa aspirante e indossare un camice da laboratorio, un vetro di sicurezza e guanti di sicurezza.
   4. Monitorare visivamente l'incisione su rame. Se non sono completamente mordenzati, smaltire il mordenzante, produrre il mordenzante fresco (vedere i passaggi 1.5.1 e 1.5.2) e versare quello fresco nel contenitore.
   5. Se il rame è completamente inciso, estrarlo con una pinzetta (Figura 2J) e lavare il telaio NiTi rilasciato in acqua distillata risciacquandolo tre volte. Vedere la Figura 1B per un esempio di un frame NiTi rilasciato dopo questi passaggi.
   6. Accendere il microscopio. Posizionare il filo NiTi sotto il microscopio; Cerca eventuali curvature o dimensioni indesiderate.

2. Coprire i lati del telaio con pellicole o tessuto

1. Spin coat l'elastomero poliuretanico aromatico (il policarbonato uretanico è un'alternativa, vedi la Tabella dei Materiali; il protocollo completo è fornito altrove⁶).
   1. Metti un wafer di silicio da 4 pollici nella macchina al plasma a ossigeno e trattalo al plasma per 2 minuti. Quindi, rimuovi l'ostia.
   2. Aprire l'essiccatore sottovuoto e versare alcune gocce di silano (C₈H₄Cl₃F₁₃Si; vedi Tabella dei materiali) in un contenitore di plastica dell'essiccatore.
   3. Posizionare il wafer nell'essiccatore, chiudere il coperchio e applicare il vuoto all'essiccatore.
   4. Chiudere la valvola dell'essiccatore e spegnere la pompa del vuoto.
   5. Lasciare l'essiccatore per 2 ore, dopodiché estrarre il wafer di silicone.
   6. Posizionare il wafer sulla centrifuga, centrarlo e versare al centro un po' di elastomero poliuretanico aromatico o alifatico disciolto in DMAc (vedi Tabella dei Materiali).
   7. Centrifugare il wafer; quindi, togliete la cialda e mettetela in forno a 80 °C per 2 h, sotto una cappa aspirante.
   8. Dopo 2 ore, estrarre la cialda e staccare la pellicola polimerizzata con una pinzetta (se necessario usare le dita).
   9. Tagliare la pellicola sbucciata in pezzi più piccoli usando le forbici.
2. Pressare a caldo i film di elastomero poliuretanico aromatico sui telai in NiTi.
   1. Progettare un distanziatore per la procedura di trattamento termico.
   2. Utilizza il software CAD proprietario o open source per progettare il distanziatore, esportare il file . STL nell'ambiente e sezionare l'oggetto per creare file gcode (vedere il passaggio 1.2.3). In alternativa, scaricare e utilizzare il design del distanziatore fornito (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
   3. Avvia la stampa 3D del distanziatore aprendo il file . STL nello slicing del software (ad esempio, CHITUBOX), In alternativa, seguire i passaggi di stampa 3D in 1.2.4, 1.2.5 invece di 2.2.4, 2.2.5 e 2.2.6.
      NOTA: Il distanziatore fabbricato attraverso gli ultimi passaggi avrà una durata maggiore.
   4. Scegli l'oggetto da stampare in 3D, premi il riquadro della sezione e salva il file in un file . Formato CBT su una chiavetta USB.
   5. Inserisci la chiavetta USB nella stampante 3D SLA, versa la resina fotopolimerica nel contenitore della stampante 3D, accendi la stampante 3D, scegli la stampa e premi il segno del triangolo per avviare il processo di stampa 3D.
   6. Al termine del processo di stampa 3D, rimuovere il distanziatore dal piano di stampa, posizionarlo per 10 minuti all'interno del sistema LED UV, quindi lavarlo in acqua e conservarlo per i passaggi successivi.
   7. Aprire la termopressa.
   8. Laminare il film di elastomero poliuretanico sul distanziatore (Figura 2K) e posizionare il filo/telaio NiTi attorno al distanziatore e sopra il film. Laminare un secondo strato di pellicola sul filo. Impostare la temperatura a 240 °F (se lo si desidera, aggiungere ulteriori strati di elastomeri tra i due strati o tra il poliuretano e il distanziatore per evitare l'adesione).
   9. Chiudere la parte superiore della pressa e bloccarla; attendere 60 s.
   10. Ripetere lo stesso processo di pressatura a caldo per l'altro lato del telaio in filo NiTi e il distanziatore.
   11. Tagliare le parti extra della pellicola incollata con le forbici (Figura 2L).
   12. In alternativa all'incollaggio di materiali termoplastici, coprire la struttura in filo metallico NiTi cucendo tessuti in PET.
       NOTA: La Figura 3 mostra il telaio ricoperto da strati di un polimero emocompatibile. Qui, gli strati includono uno strato aggiuntivo di polidimetilsilossano micromodellato che è inserito tra di loro.

3. Test della distribuzione del frame

1. Tenere a mano un catetere FR 12 (Figura 4A) e farlo passare attraverso un dilatatore e un ago (Figura 4B, C).
2. Fissare un pezzo di silicone sul supporto (Figura 4E).
3. Utilizzando l'ago e il dilatatore, creare un foro nel pezzo di silicone (Figura 4E).
4. Far passare gradualmente il catetere attraverso il foro (Figura 4F) e ritrarre il dilatatore e l'ago.
5. Piegare il telaio in NiTi e spingerlo attraverso l'estremità prossimale del catetere (Figura 4G).
6. Spingere il telaio verso l'estremità distale del catetere utilizzando l'asta in politetrafluoroetilene (PTFE) (Figura 4D).
7. Spostare il primo lato del telaio NiTi (Figura 4I).
8. Ritrarre il raccoglitore (Figura 4H) e rimuovere il secondo lato del telaio NiTi dall'altro lato della gomma siliconica (Figura 5).
9. Esaminare il telaio al microscopio per verificare la presenza di qualsiasi tipo di guasto o deformazione indesiderata.

Risultati

I telai NiTi sono stati inseriti in varie topologie utilizzando dispositivi in plastica a basso costo e utensili manuali (Figura 1). Nelle fasi del protocollo da 1.1 a 1.4 (Figura 1A), i frame NiTi/Cu sono stati formati in topologie complesse. Dopo la fase 1.5 del protocollo, il Cu è stato inciso per rilasciare i frame NiTi (Figura 1B). Qui, il dispositivo Cu è stato completamente inciso, consente...

Discussione

In questo protocollo, più fasi richiedono un'attenzione meticolosa, come il trattamento termico (ricottura), l'incisione e la progettazione di dispositivi stampati in 3D. Grandi variazioni di temperatura da 500 °C ¹⁷ o dal tempo di ricottura del NiTi possono essere dannose per la superelasticità del filo NiTi e per ottenere le forme desiderate¹⁸. Il trattamento termico con condizioni imprecise (temperatura e tempo) può anche portare ad ...

Materiali

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