キリガミ風構造の4Dプリント分岐ステント

要約

3Dプリンターを用いて、形状記憶ポリマーフィラメントを押し出して分岐管構造を形成する。構造は、一度折りたたんでコンパクトな形に収縮し、加熱するとその形成された形状に戻ることができるようにパターン化され、形状化されています。

要約

分岐した血管は、典型的には文字「Y」の形で、狭窄またはブロックされ、深刻な健康上の問題を引き起こす。内側に中空され、分岐した血管に外側に形成された分岐したステントは、分岐した容器の中に外科的に挿入され、体液がステントの内部を自由に移動できるように支持構造として機能します。狭いまたはブロックされた容器によって妨げられている。二股ステントをターゲットサイトに展開するには、船内に注入し、対象部位に到達するために船内を移動する必要があります。容器の直径は、二股ステントの境界球よりもはるかに小さい。したがって、二股ステントが容器を通過するのに十分な小さなままで、標的枝の血管で膨張するように技術が必要です。これら2つの相反する条件、すなわち、通過するのに十分な小さく、構造的に狭い通路をサポートするのに十分な大きさは、同時に満たすることは非常に困難である。上記の要件を満たすために、2 つの手法を使用します。まず、材料側では、形状記憶ポリマー(SMP)を用いて形状変化を小さいものから大きく、すなわち、挿入時に小さく、ターゲット部位で大きくなってしまう。第二に、設計面では、折り紙パターンを使用して、より小さな直径を持つ単一のチューブに分岐チューブを折りたたみます。提示された技術は輸送の間に圧縮され、作動した時に機能的に熟練した形に戻ることができる構造を設計するために使用することができる。私たちの仕事は医療用ステントを対象としていますが、実際の臨床使用の前に生体適合性の問題を解決する必要があります。

概要

ステントは、血管や気道などのヒトの狭窄または狭窄した通路を広げるのに用いられる。ステントは、通路に似た管状の構造であり、機械的にさらなる崩壊からの通路をサポートします。典型的には、自己膨張金属ステント(SEMS)が広く採用されている。これらのステントはコバルトクロム(ステンレス鋼)およびニッケルチタン(ニチノール)1、2から成る合金からなされる。金属ステントの欠点は、ステントの金属ワイヤーが生組織に接触し、ステントが影響を受ける場合に、圧力壊死が存在する可能性があることです。さらに、体の血管は不規則な形にすることができ、単純な管状構造よりもはるかに複雑です。特に、分岐した内膜にステントを取り付ける多くの専門的な臨床手順があります。Y字型のルーメンでは、2つの円筒形のステントが同時に挿入され、分岐3で結合されます。各追加の分岐のために、追加の外科的処置を行う必要があります。プロシージャは特別な訓練を受けた医者を要求し、挿入は分岐したステントの突出した特徴のために非常に挑戦的である。

二股ステントの形状の複雑さは、3Dプリンティングに非常に適したターゲットになります。従来のステントは、標準化されたサイズと形状で大量生産されています。3Dプリンティング製作方法論を用いて、患者毎にステントの形状をカスタマイズすることができる。シェイプは、ターゲット オブジェクトの断面形状のレイヤーごとに繰り返し追加することで行われるため、理論的には、この方法を使用して、任意の形状とサイズのパーツを製造できます。従来のステントは、主に円筒形の形状である。しかし、人間の血管には枝があり、直径は管に沿って変化します。提案されたアプローチを使用して、形状およびサイズのすべてのこれらの変化を収容することができる。さらに、実証されていないが、使用される材料はまた、単一のステント内で変更することができます。例えば、サポートが必要な硬質な材料や、より柔軟性が求められる柔らかい素材を使用できます。

二股ステントの形状変化要件は、4Dプリンティング、すなわち、時間の追加の考慮と3D印刷を必要とします。特殊な材料を用いて形成された3Dプリント構造は、熱などの外部刺激によって形状を変化させるプログラムが可能です。変換は自立的であり、外部電源は必要ありません。4Dプリンティングに適した1つの特殊な材料は、SMP4、5、6、7、8、9^であり、それにさらされたときに形状記憶効果を発揮する材料特異的トリガガラス遷移温度。この温度では、セグメントが柔らかくなり、構造が元のシェイプに戻ります。構造が3Dプリントされた後、ガラス転移温度をわずかに上回る温度に加熱される。この時点で構造が柔らかくなり、力を加えることで形状を変形させることができる。適用された力を維持しながら、構造は冷却され、硬化し、適用された力が除去された後でも、その変形形状を保持します。その後、最終段階で、構造がターゲット部位に到達した瞬間など、構造が元の形状に戻る必要がある場合、構造がガラス遷移温度に達するように熱が供給されます。最後に、構造体は記憶された元の形状に戻ります。図1は、前に説明した様々な段階を示す。SM は簡単に引き伸ばすことができ、生体適合性と生分解性^9、10の SM があります。医学9、10、ステント11、12の分野ではSMの多くの用途があります。

ステントの模様と折りたたみデザインは、「切り紙」と呼ばれる和紙の切削デザインに従っています。このプロセスは、「折り紙」と呼ばれるよく知られている紙の折りたたみ技術に似ていますが、違いは、折りたたみに加えて、紙の切断も設計に許可されていることです。この技術は、芸術に使用され、また、エンジニアリングアプリケーション2、3、13、14に適用されています。要するに、キリガミは、具体的に設計されたスポットに力を加えることによって、平面構造を3次元構造に変換するために使用することができます。私たちの設計要件では、ステントは経路に挿入される際に単純な円筒形状である必要があり、シリンダーは、各半分がターゲット分岐容器で完全に円筒形に展開する必要があり、その長さに沿って分割する必要があります。解決策は、主な容器と側枝が挿入中に容器の壁に干渉しないように、単一のシリンダーに折り畳まれるという事実にあります。展開コマンド信号は、SMPのガラス遷移温度を上回る周囲温度の上昇から来ています。さらに、折りたたみは、3Dプリントされた二股ステントを柔らかくし、側面の枝をメイン容器に折りたたむことで、患者の体外で行われます。

従来の方法では、その数が分岐の数に等しい複数の円筒形ステントの挿入が必要でした。側枝の突起が経路の壁を妨げ、完全な二股ステントを完全に挿入することが不可能にしたため、この方法は避けられませんでした。切り紙構造と4Dプリンティングを用いて、上記の問題を解決することができます。このプロトコルはまた、血管の形状の後に製造されたシリコーン血管モデルを用いて提案された方法の有効性の可視化を示す。このモックアップを通じて、挿入プロセス中に提案された発明の有効性と新しいアプリケーションのさらなる可能性が見られます。

このプロトコルの目的は、融合堆積モデリング (FDM) プリンタを使用して SMP の印刷に関連する手順を明確に概説することです。さらに、印刷された二股ステントを折りたたまれた状態に変形させる技術、折り畳まれた分岐ステントをターゲット部位に挿入すること、および構造のシグナリングと展開を元の形状に詳細に与える。挿入のデモンストレーションは、血管のシリコーンモックアップを利用しています。このプロトコルは、3Dプリンターと成形を使用してこのモックアップを製造する手順も提供します。

プロトコル

1. デモンストレーション用血管モックアップ設計

1. 近位主容器の直径を25mmに設定し、遠位主容器と側枝の直径を22mmに設定し、容器の全長を140mmに設定します。それぞれ5mm、75mm、65mm。完全な血管を図2と図3に示します。
2. FDM 3Dプリンターを使用して、分岐した容器のコンピュータモデルを印刷します。ポリカーボネートフィラメントを使用します。

2. 成形による血管モックアップ製作

1. 3D 印刷部品を収納する箱型のコンテナを作成します。容器の寸法を110 x 105 x 70 mm に設定し、アクリルプレートを使用します。
2. 箱の中央に置かれた3Dプリントされた分岐容器で、容器の中にシリコーンを穏やかに注ぎ、気泡の形成を最小限に抑えます。液体シリコーンを乾燥させ、36~48時間硬化させます。
3. 固化シリコーンを容器から取り出し、半分に切って3Dプリント部品を取り除きます。切断面で分割されたシリコーンを再結合します。得られた結合体は、血管モックアップです。最終的な結果を図 4に示します。

3. 切上をベースにした分岐ステントの設計

注:分岐ステントのサイズは、血管モックアップのY字型経路内にぴったり収まるように作られています。内部は中空にされ、表面の管状のメシュは機能的に折り畳まれ、完全に展開された構成に戻るように設計されている。

1. 従来のステントと同様の波状パターンに従って、二股ステントのトランクを設計します。トランクの直径を 22 mm、トランクの長さを 38 mm に設定します。
2. 図 5Bに示すように、分岐した分岐を円柱に設計します。枝の直径を 18 mm に、枝の長さを 34 mm に設定します。
3. ステントの全長を72mmに設定します。最後の形状を図6に示します。

4. SMPフィラメントを使用した3Dプリント

1. SMPフィラメントを使用して、FDM 3Dプリンタで二股ステントを印刷します。このフィラメントの主な組成物はポリウレタンです。商用ベンダーはまた、エンドユーザーが材料の特性を調整するために追加の物質を追加できるように、ペレットの形でこれらのフィラメントを提供します(図7)。
2. モデルスライスおよび3Dプリンタの設定を制御するためにスライスソフトウェアを使用します。押出機温度を230°Cに設定し、プリンタベッドの温度を室温に設定します。階段の効果を最小限に抑えるには、レイヤーの高さを 0.1 mm に設定します。
3. 印刷速度を 3,600 mm/min に設定します。構造が内部に中空であるため、印刷中にサポーターの形成を含めます。図8は、印刷プロセスを示す。

5. サーフェスをスムージングする

注:粗い表面は摩耗によって容器を損傷する可能性があるため、次の手順が必要です。

1. カッターを使用してサポーターを取り外します(図9A)。サポーターはステントの内側に取り付けられています。ステントを取り外す場合は、ステントを引き裂かないように細心の注意を払ってください。
2. サンドペーパー(図9B)に対して表面をこすり、印刷された表面の層線、ストレーション、または傷を取り除きます。サポーターがカッターで取り外される場合は、繰り返し研磨が必要になる場合があります。
3. 換気の良い場所にスプレーを使用して表面をペイントし、パーソナルマスクを着用してください。表面をきれいに、砂、乾燥させます。繰り返し塗料の薄い層を適用することにより、過剰散布から保護します。黒い塗料を使用して、シリコーン容器のモックアップとステントのコントラストを高めます(図9C)。

6. 分岐ステントの変形

1. 二股ステントを温水に入れ、温度がガラス転移温度を上回る。ステントが柔らかくなったら、枝の半分を他の半分に押し付けなさい。図 10Aに示すように、残りの半分の半分をネストします。
2. 2 つの枝を 1 つのシリンダーに折り、メインの容器を通過できるようにします。他のブランチに対して同じ入れ子プロセスを実行します。続いて、図 10Bに示すように、シリンダの 2 つの半分が 1 つに閉じられます。

7. 二股ステントを血管に挿入する

1. タンクに温水を入れます。水温を55~60°Cに設定します。タンク内のシリコーン容器モックアップを浸します。モックアップの向きは、メインの容器が上にあり、枝が下にあるような位置にします。
2. 折りたたまれた二股ステントを上からシリコーン容器モックアップの開口部に挿入します。折りたたまれた分岐ステントの向きを合い、枝が開口部に向かうようにします。折りたたまれた二股ステントが膨張し始め、下部の枝がY字部の分岐コアから交配経路に向かってスライドするように分割されます(図12)。

結果

このプロトコルでは、二股ステントを製造するために必要な手順を示した。ステントは、二股ステントをコンパクトな円筒形のチューブに折りたたむことを可能にするために、キリガミ構造を使用し、血管の狭い経路を滑るのに非常に適しています。SMPは、温度がガラス転移温度に達したときに、折り畳まれた構造を元の形状に戻すことを可能にします。SMP素材を使用して3Dプリントされた?...

ディスカッション

ステントは、しばしば患者の血管や気道などの詰まった内部経路をクリアするために使用されます。ステントを挿入する外科的手術は、患者の病気および人間の解剖学的特徴を慎重に考慮する必要がある。容器の形状は複雑で、多様な分岐条件が存在します。しかし、標準的なステントの操作手順は標準的なサイズが付いている大量生産されたステントに基づいている。このプロトコルでは?...

資料

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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