JoVE Logo
著者
お問い合わせ

サインイン

このコンテンツを視聴するには、JoVE 購読が必要です。 サインイン又は無料トライアルを申し込む。

この記事について

  • 要約
  • 要約
  • 概要
  • プロトコル
  • 結果
  • ディスカッション
  • 開示事項
  • 謝辞
  • 資料
  • 参考文献
  • 転載および許可

要約

この研究は、犠牲治具を使用して、小さなフォームファクターで形状を設定するニチノールワイヤー/フレームの低コスト製造技術を示しています。この技術は、複雑な形状の低侵襲インプラント用に設計された自己拡張型フレームの製造に実証されています。

要約

NiTiNOL(一般にニチノールまたはNiTiと呼ばれる)ワイヤーは、優れた形状記憶と超弾性特性を備えていますが、形状設定にはコストのかかるプロセスが多くあります。この工程の中で、熱処理は形状硬化のために高温にさらされる必要があります。伝統的に、この目的のために金属製の固定具が使用されています。ただし、製造コストがかかる場合があり、プロトタイプの反復には理想的ではありません。この研究は、銅管で作られた犠牲固定具を使用して最近導入されたアプローチを示しており、これにより高価な固定具が不要になります。これらの銅管は、複雑な形状の形成を可能にし、製造プロセスのさまざまな段階に足場を提供します。さらに、過硫酸アンモニウムは選択的な銅エッチングに使用され、NiTiフレームの製造が簡素化されます。この研究の結果は、この技術の有効性を確認し、自己拡張フレーム用のNiTiワイヤーの形状設定が成功したことを示しています。この方法論は、将来の研究への道を開き、さまざまなアプリケーション、特に医療機器向けのNiTiワイヤーフレームの迅速なプロトタイピングを可能にします。

概要

NiTiワイヤーは医療用インプラントに広く使用されていますが、デバイスの製造中に最初の形状設定プロセスが必要です1。NiTiからは、カテーテルチューブ、ガイドワイヤー、結石回収バスケット、フィルター、針、歯科用ファイル、その他の手術器具2など、さまざまな装置が作られています。NiTiの生体適合性、超弾性、および耐疲労性により、これらのアプリケーションに適しています。さらに、自動車および航空宇宙産業3でのアプリケーションがあります。

NiTiは、コストが高く、形状設定に必要なプロセスが複雑なため、使用が制限されています。形状設定プロセスでは、NiTi構造は伝統的に、固定具4に閉じ込められた状態で高温(約500°C)にさらされます。この高温と形状設定プロセス中の応力には、高い機械的強度を持つ固定具が必要です。これが、一般的な固定具が通常金属で作られている理由です1。そのため、通常は機械加工される金属製の固定具を使用すると、コストが増加し、NiTi構造のラピッドプロトタイピングとテストに課題が生じます。別のアプローチの1つは、ピンとプレート1から構成されるリコンフィギャラブルなフィクスチャを使用することであり、これによりプロセスが簡素化されます。ただし、このプロセスでは、複雑な形状の成形には制限があります。したがって、低コストの材料と製造を使用した低コストの形状設定プロセスは、形状硬化NiTiフレームを必要とする研究に非常に望ましいです。

NiTiのラピッドプロトタイピングのニーズに対応するため、最近、低コストの3Dプリント部品を活用したプロトコルを導入し、NiTiワイヤ5の形状設定のための製造を手際よく行いました。この方法は、最小の質量で犠牲的な固定具を組み込んでいます。この治具は、ワイヤー成形および形状設定(熱処理)プロセス中にNiTiワイヤーを固定するのに有益であることが示されています。銅管は、入手しやすく低コストの材料として採用されました。これは、補強犠牲固定具として機能し、標準的なワイヤー曲げ技術は、複雑な構造の形状設定に使用できます。真鍮管は代替品として使用できることが観察されました。過硫酸アンモニウムは、アニールプロセス後の銅の選択的エッチングの最終段階で利用されました。このステップにより、ついに形状セットNiTiワイヤーが解放されました。このアプローチは、スペーサーとしての犠牲構造の革新的な使用を示しています。このアプローチをアディティブマニュファクチャリングと組み合わせると、複雑な形状の製作が可能になります。

in vitro展開試験は、カテーテルを介して展開するように設計された自己拡張型プロトタイプインプラントの実現可能性を評価するための基本的な試験の一つです。これらのテストには、自己拡張型インプラントが必要な寸法のシース/カテーテルを正常に通過できるかどうかを評価することが含まれます。このような試験は、さまざまな経カテーテル装置やインプラントのプロトタイプで使用されてきました。いくつかの例には、左心耳閉塞器6,7、ソフトステント8、NiTiフローダイバータ9、およびNiTiステント10が含まれる。これらの研究は、カテーテルを介して自己拡張し、それによって経カテーテルインプラントの予備要件を満たすことができる複雑なトポロジーのNiTiフレームを迅速に製造するための方法論の必要性を強調しています。

このホワイトペーパーの目的は、コスト効率が高く、巧妙に作成された製造方法を概説し、各プロセスの詳細なステップバイステップのガイドを提供することです。インプラントに適したさまざまな自己拡張型NiTiワイヤーフレームのデモンストレーションに焦点を当て、手頃な価格で効率的な技術を使用して複雑なトポロジーを生成するために必要な方法の主要な側面を分析します。この論文には、これらのフレームをテストし、心房中隔への経中隔インプラント送達をシミュレートするベンチトップセットアップでFr-12カテーテルを介して展開することが含まれています。このテストは、先行研究6,8で採用された基本テストと似ています。この方法は、カテーテルを通過した後にプロトタイプの自己拡張フレームを展開する能力を実証しました。最終的に、この方法論は、NiTiフレームの特定のトポロジー/設計が、特定のカテーテルを介した展開の予備的な機械的要件を満たすことができるかどうかを判断するのに役立ちます。

この作業は、NiTiフレームのプロトタイプの製作と、そのトポロジーとコンフォーマル性の基本的な特性評価に焦点を当てていますが、インプラントの開発には、他のさまざまな特性評価11と規制安全性テスト12,13が必要です。いくつかの特性評価には、表面特性/化学的性質14、腐食14、疲労分析13、血液適合性13、および生体適合性15の特性評価が含まれます。

プロトコル

注:このプロトコルで使用されるすべての材料に関連する詳細については、 材料の表 を参照してください。 図1A は、銅/NiTiフレームの例を示しています。安全手袋を使用してください。

1. NiTiフレーム/プロトタイプの設計の反復

  1. 銅管(または真鍮管; 図2A)。
    1. NiTi ワイヤー (0.008 インチ) と銅管 (OD 1.00 mm x 400 mm) を選択します。
    2. ステレオスコープをオンにして、モニターと銅線でNiTiを操作しながら視覚的に見てください。ワイヤーをチューブの内側に合わせます。ワイヤーをチューブに完全に押し込みます。
  2. 3Dプリントされた器具を準備します(図2B-D)。
    1. 1 つダウンロードします。フィクスチャ/テンプレート (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage) の STL ファイル。
      注:一部の.STL ファイルの例については、このリポジトリ (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage) を参照してください。
    2. 調整が必要な場合は、.SDLRDファイルを同じリポジトリからダウンロードし、適切なCADソフトウェアで設計調整を行い、.STL ファイル。または、オープンソースのCADソフトウェアでモデルを作成し、.STL ファイル。
      注:一部の.SDLRD または .FCSTD のデザイン例については、このリポジトリ (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage) を参照してください。
    3. スライスソフトウェア(Elegoo Curaなど)を開き、をインポートします。STL ファイル。3Dプリントするオブジェクトを選択し 、スライスペインの下部をクリックします。ファイルを保存します。gcodeでマイクロSDカードに保存します。micro-SDカードを引き出します。
    4. FDM 3Dプリンターの電源を入れます。micro-SDカードを入れます。画面から [prepare | preheat |人民解放軍。 戻る | 印刷 を選択します。.gcodeファイルを選択し、[ 印刷]をタップします。
    5. パーツの3Dプリントは機械に任せます。
    6. 3Dプリントが完了したら、プリントしたパーツを取り外し、ペンチを使用してサポートパーツをカットします。
    7. 粗いエッジがあるパーツをやすりで削り、ドリルで穴を開ける領域をマーカーでマークします。
    8. ハンドドリルを使用して、3Dプリントされた形状に穴を開けます(図2B)。
      注意: 安全手袋と安全メガネを使用してください。
    9. ドライバーを使用して、3Dプリント部品の穴にネジを通します(図2C)。
  3. Cu/NiTiの3D構造を、治具とハンドツールを用いて形成します。ワイヤーを穴に通し、ネジの上で段階的に曲げます。必要に応じて、手工具を使用してワイヤーを曲げます(図2D、E)。
    1. NiTi/Cuを保持し、中央の穴に通します。次に、ピンセットまたはペンチを使用してCuチューブをすべてのネジの周りに折り曲げ、目的の形状を形成します(図2E)。
    2. ネジを緩めます。はんだ付けガンを使用して、3Dプリントされた固定具(ステップ1.2から)を柔らかくするために加熱します。
    3. ハサミを使って3Dプリントしたパーツをカットします。ピンセットまたはペンチを使用して、不要な3Dパーツを取り外します(図2F)。
  4. NiTi/Cu構造/フレームを熱処理します(図2G)。
    1. 炉管の電源を入れ、熱電対を使用して温度を監視します。温度が500°Cに達したら、Cu/NiTiフレームを炉に3分間置きます。
      注意: 高温手袋、白衣、安全フェイスシールドを使用してください。
    2. K型熱電対を使用して、温度計を管状炉に置き、温度を監視します。
    3. 3分後にフックを使用してNiTi/Cuフレームを取り出し(図2H)、蒸留水で急冷します。
  5. 犠牲銅管をエッチングします(図2I)。
    1. 過硫酸アンモニウムをはかりで秤量します。ガラス容器に入った水の重さも量ります。過硫酸アンモニウムの重量が水の重量の23%になるようにそれらを混合します。
      注意: このプロセスはドラフト内で行い、白衣、安全ガラス、および安全手袋を使用してください。
    2. 過硫酸アンモニウムを添加して、23%の重量比(過硫酸アンモニウムと水)を達成します。ガラス攪拌機を使用して、過硫酸アンモニウムが溶解するまで溶液を攪拌します。
      注意: このプロセスはドラフト内で行い、白衣、安全ガラス、および安全手袋を使用してください。
    3. ステップ 1.3 の NiTi/Cu フレームを溶液に ~8 時間浸して、銅をエッチングします (図 2I)。
      注意: このプロセスはドラフト内で行い、白衣、安全ガラス、および安全手袋を着用してください。
    4. 銅エッチングを視覚的に監視します。完全にエッチングされていない場合は、エッチング液を廃棄し、新しいエッチング液を製造し(手順1.5.1および1.5.2を参照)、新しいエッチング液を容器に注ぎます。
    5. 銅が完全にエッチングされている場合は、ピンセット(図2J)を使用して取り出し、放出されたNiTiフレームを蒸留水で3回すすぎます。これらの手順の後に解放されたNiTiフレームの例については、 図1B を参照してください。
    6. 顕微鏡の電源を入れます。NiTiワイヤーを顕微鏡下に置きます。望ましくない曲率や寸法を探します。

2.フレームの側面をフィルムまたは布で覆う

  1. 芳香族ポリウレタンエラストマーをスピンコートします(ポリカーボネートウレタンは代替品であり、 材料の表を参照;完全なプロトコルは他の場所で提供されています6)。
    1. 酸素プラズマ装置に4インチのシリコンウェーハをセットし、2分間プラズマ処理します。次に、ウェーハを取り出します。
    2. 真空デシケーターを開き、シラン(C8H4Cl3F13Si、 材料表を参照)をデシケーター内のプラスチック容器に数滴注ぎます。
    3. ウェーハをデシケーターに入れ、蓋を閉めて、デシケーターに真空を印加します。
    4. デシケーターバルブを閉じ、真空ポンプをオフにします。
    5. デシケーターを2時間放置し、その後シリコンウェーハを取り出します。
    6. ウェーハをスピンコーターに置き、中央に配置し、DMAcに溶解した芳香族または脂肪族ポリウレタンエラストマー( 材料表を参照)をその中央に注ぎます。
    7. ウェーハをスピンコートします。次に、ウェーハを取り出し、ヒュームフードの下で80°Cオーブンに2時間置きます。
    8. 2時間後、ウェーハを取り出し、ピンセットを使用して硬化したフィルムを剥がします(必要に応じて指を使用します)。
    9. はがんだフィルムをハサミで小さく切ります。
  2. NiTiフレーム上の芳香族ポリウレタンエラストマーフィルムをヒートプレスします。
    1. 熱処理手順のスペーサーを設計します。
    2. 独自のCADソフトウェアまたはオープンソースのCADソフトウェアを使用してスペーサーを設計し、.STL ファイルを環境内に置き、オブジェクトをスライスして gcode ファイルを作成します (ステップ 1.2.3 を参照)。または、提供されているスペーサー デザイン (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage) をダウンロードして使用します。
    3. 3Dプリントを開始して、スペーサーを開きます。ソフトウェア(CHITUBOXなど)をスライスする際のSTLファイル、または、2.2.4、2.2.5、および2.2.6ではなく、1.2.4、1.2.5の3D印刷手順に従います。
      注:後の手順で製造されたスペーサーは、耐久性が長くなります。
    4. 3Dプリントするオブジェクトを選択し、スライスペインを押して、ファイルを.USBスティックのCBT形式。
    5. USBスティックをSLA 3Dプリンターに入れ、フォトポリマー樹脂を3Dプリンターの容器に注ぎ、3Dプリンターの電源を入れ、印刷を選択し、三角形の記号を押して3D印刷プロセスを開始します。
    6. 3Dプリントプロセスが終了したら、プリントベッドからスペーサーを取り外し、UV LEDシステム内に10分間置き、次に水で洗浄して、次のステップのために保管します。
    7. ヒートプレスを開きます。
    8. ポリウレタンエラストマーフィルムをスペーサーにラミネートし(図2K)、スペーサーの周囲とフィルムの上にNiTiワイヤー/フレームを配置します。ワイヤー上に2番目のフィルム層をラミネートします。温度を240°Fに設定します(必要に応じて、接着を避けるために、2つの層の間またはポリウレタンとスペーサーの間にエラストマーの層を追加します)。
    9. プレスの上部を閉じてロックします。60秒待ちます。
    10. NiTiワイヤーフレームの反対側とスペーサーについても、同じ熱プレスのプロセスを繰り返します。
    11. 接着フィルムの余分な部分をはさみでカットします(図2L)。
    12. 熱可塑性材料を接着する代わりに、PET生地を縫ってNiTiワイヤーフレームを覆います。
      注: 図3 は、血液適合性ポリマーの層で覆われたフレームを示しています。ここで、層は、それらの間に挟まれたマイクロパターン化されたポリジメチルシロキサンの追加層を含む。

3. フレームデプロイメントのテスト

  1. FR 12カテーテルを手で持ち(図4A)、拡張器と針(図4B、C)に通します。
  2. シリコンピースをホルダーに固定します(図4E)。
  3. 針と拡張器を使用して、シリコンピースに穴を開けます(図4E)。
  4. カテーテルを徐々に穴に通し(図4F)、拡張器と針を引っ込めます。
  5. NiTiフレームを折り、カテーテルの近位端に押し込みます(図4G)。
  6. ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)ロッドを使用して、フレームをカテーテルの遠位端に向かって押します(図4D)。
  7. NiTiフレームの最初の側面を外します(図4I)。
  8. キャッチャーを引っ込め(図4H)、NiTiフレームの2番目の側面をシリコンゴムの反対側から外します(図5)。
  9. 顕微鏡でフレームを検査して、あらゆる種類の故障や望ましくない変形がないか確認します。

結果

NiTiフレームは、低コストのプラスチック製固定具と手工具を使用して、さまざまなトポロジーに形状セットされました(図1)。プロトコルのステップ1.1から1.4(図1A)では、NiTi/Cuフレームを複雑なトポロジーに形成しました。プロトコルのステップ1.5に従って、CuをエッチングしてNiTiフレームを解放しました(?...

ディスカッション

このプロトコールでは、熱処理(アニーリング)、エッチング、3Dプリントされた治具の設計など、複数のステップに細心の注意を払う必要があります。500° C17 またはNiTiの焼鈍時間からの温度の大きな変動は、NiTiワイヤの超弾性および所望の形状18の達成に悪影響を及ぼす可能性がある。不正確な条件(温度と時間)での熱処理も、超?...

開示事項

著者は、利益相反を宣言しません。

謝辞

この出版物で報告された研究は、米国国立衛生研究所の国立生物医学イメージングおよびバイオエンジニアリング研究所の賞番号R21EB030654の支援を受けました。内容は著者の責任であり、必ずしも国立衛生研究所の公式見解を表すものではありません。S. Alaie と J. Mata は、ニューメキシコ州立大学の機械航空宇宙工学科と工学部の支援にも感謝しています。著者は、 図 2 の生成と参照の編集に貢献してくれた Oscar Lara と Angel de Jesus Zuniga Ramirez に感謝します。著者はまた、ビデオデモに貢献してくれたAndrea Gonzalez MartinezとJesus Armando Gil Parraに感謝します。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
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 biomaterialsaromatic 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-onsilicone
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		Lubrizolaliphatic 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

参考文献

  1. Smith, S., Hodgson, E. Shape setting nitinol. Proc of the Mater Process Med Devices Conf. , 266-270 (2004).
  2. Kapoor, D. Nitinol for medical applications: A brief introduction to the properties and processing of nickel titanium shape memory alloys and their use in stents. Johnson Matthey Tech Rev. 61 (1), 66-76 (2017).
  3. Viscuso, S., Gualandris, S., De Ceglia, G., Visentin, V. Shape memory alloys for space applications. Shape Mem Alloy Eng. , 609-623 (2021).
  4. Liu, X., Wang, Y., Yang, D., Qi, M. The effect of ageing treatment on shape-setting and superelasticity of a nitinol stent. Mater Charact. 59 (4), 402-406 (2008).
  5. Dulal, H., Swan, T., Al'aref, S. J., Alaie, S. Low-cost prototyping of nitinol wires/frames using polymeric cores and sacrificial fixtures with application in individualized frames anchoring through the atrial septum. Sci Rep. 13, 21853 (2023).
  6. Alaie, S., Robinson, S. S., Amiri Moghadam, A. A., Auge, J. Advanced manufacturing of patient specific occluders for the left atrial appendage with minimally invasive delivery. Adv Eng Mate. 22, 1901074 (2020).
  7. Robinson, S. S., et al. Patient-specific design of a soft occluder for the left atrial appendage. Nat Biomed Eng. 2, 8-16 (2018).
  8. Amiri Moghadam, A. A., et al. Toward development of inflatable stents with application in endovascular treatments. Adv Funct Mater. 28 (51), 9 (2018).
  9. Chen, Y. . Design, parameter optimization and in vitro evaluation of implantable medical devices. , (2018).
  10. Bernini, M., et al. Oversizing of self-expanding nitinol vascular stents-a biomechanical investigation in the superficial femoral artery. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 132, 105259 (2022).
  11. Bernini, M., et al. Surface finishing of n itinol for implantable medical devices: A review. J Biomed Mater Res Part B Appl Biomater. 110 (12), 2763-2778 (2022).
  12. Funk, K. A., Hampshire, V. A., Schuh, J. C. Nonclinical safety evaluation of medical devices. Toxicol Pathol. , 95-152 (2018).
  13. Non-clinical engineering tests and recommended labeling for intravascular stents and associated delivery systems - Guidance for industry and FDA staff. U.S. Food and Drug Administration Available from: https://www.fda.gov/regulatory-information/search-fda-guidance-documents/non-clinical-engineering-tests-and-recommended-labeling-intravascular-stents-and-associated-delivery (2018)
  14. Rokicki, R., Hryniewicz, T., Pulletikurthi, C., Rokosz, K., Munroe, N. Towards a better corrosion resistance and biocompatibility improvement of nitinol medical devices. J Mat Eng Perform. 24, 1634-1640 (2015).
  15. Hryniewicz, T., Rokicki, R. Modification of nitinol biomaterial for medical applications. World Scientific News. (96), 35-58 (2018).
  16. Handa, H., et al. Hemocompatibility comparison of biomedical grade polymers using rabbit thrombogenicity model for preparing nonthrombogenic nitric oxide releasing surfaces. J Mater Chem B. 2 (8), 1059-1067 (2014).
  17. Li, P., Wang, Y., Meng, F., Cao, L., He, Z. Effect of heat treatment temperature on martensitic transformation and superelasticity of the Ti49Ni51 shape memory alloy. Materials. 12 (19), 2539 (2019).
  18. Duerig, T., Pelton, A., Stöckel, D. An overview of nitinol medical applications. Mat Sci and Eng: A. 273, 149-160 (1999).
  19. Kwok, D., Schulz, M., Hu, T., Chu, C., Chu, P. Surface treatments of nearly equiatomic niti alloy (nitinol) for surgical implants, biomedical engineering. Trends in Mater Sci. , 269-282 (2011).
  20. Williams, K. R., Gupta, K., Wasilik, M. Etch rates for micromachining processing-part ii. II. J of Microelectromech Syst. 12 (6), 761-778 (2003).
  21. Yip, M. C., et al. Low-cost and rapid shaping of nitinol for medical device prototyping. ASME Open J of Eng. 2, 021027 (2023).

転載および許可

このJoVE論文のテキスト又は図を再利用するための許可を申請します

許可を申請

さらに記事を探す

NiTi

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

個人情報保護方針

利用規約

一般データ保護規則

お問い合わせ

図書館への推薦

JoVE ニュースレター

研究

教育

著者

図書館員

JoVEについて

Copyright © 2023 MyJoVE Corporation. All rights reserved