4D baskılı Bifurcated Stents Kirigami Ilham yapıları ile

Özet

Bir 3D yazıcı kullanarak, bir şekil bellek Polimer filament dallanmış bir boru yapısı oluşturmak için ekstrüze edilir. Yapı desenli ve böylece kompakt bir forma bir kez katlanmış ve sonra ısıtıldığında onun biçimlendirilmiş şekline geri sözleşme olabilir şeklinde.

Özet

Genellikle "Y" harfi şeklinde dallanmış gemiler, ciddi sağlık sorunlarına neden olan daralmış veya engellenmiş olabilir. Bifurcated Stentler, iç ve dış içinde boş olan dallı gemiler şeklinde, cerrahi olarak dallanmış gemiler içine yerleştirilen, böylece bedensel sıvılar serbestçe stentler iç olmadan seyahat edebilirsiniz destekleyici bir yapı olarak hareket bloke edilmiş gemiler tarafından engellenmektedir. Hedef sitede dağıtılan bir Bifurcated stent için, bu gemi içinde enjekte ve hedef siteye ulaşmak için gemi içinde seyahat gerekir. Geminin çapı, Bifurcated stentin sınırlayıcı kürenden çok daha küçüktür; Böylece, Bifurcated stent gemi üzerinden seyahat ve hedeflenen dallanmış gemi genişletir yeterince küçük kalır, böylece bir teknik gereklidir. Bu iki çakışan koşullar, yani, yeterince geçmek ve yapısal olarak daraltılmış pasajlar desteklemek için yeterince büyük, aynı anda karşılamak için son derece zordur. Yukarıdaki gereksinimleri yerine getirmek için iki teknik kullanırız. İlk olarak, malzeme tarafında, bir şekil bellek polimer (SMP) kendi kendini başlatmak için kullanılır küçük büyük şekil değişiklikleri, yani, küçük olmak takılı ve hedef sitede büyük hale. İkinci olarak, tasarım tarafında, bir Kirigami desen daha küçük bir çap ile tek bir tüp içine dallanma tüpleri katlamak için kullanılır. Sunulan teknikler taşıma sırasında sıkıştırılabilir yapıları mühendis ve aktif olarak fonksiyonel usta şekle geri dönmek için kullanılabilir. Çalışmalarımız tıbbi stentlerin hedeflenmesine rağmen, biyolojik uyumluluk sorunlarının gerçek klinik kullanım öncesinde çözülmesi gerekir.

Giriş

Stents, kan damarlarını ve hava yolları gibi insanlarda daralmış veya stenoslu pasajlar genişletmek için kullanılır. Stents, pasajlara benzeyen ve daha da çökten pasajlar mekanik olarak destekleyen tübüler yapılardır. Tipik olarak, kendinden genişleyen metal stentler (sems) yaygın olarak benimsenmiştir. Bu stentler kobalt-krom (Paslanmaz çelik) ve nikel-titanyum (Nitinol)^1,2oluşan alaşımlar yapılır. Metal stentlerin dezavantajı, stentin metal kablolarının canlı dokularla temas edildiği ve stentlerin etkilendiği yerde basınç nekrozu bulunabileceği anlamına gelir. Ayrıca, vücudun gemiler düzensiz şekilli olabilir ve basit tübüler yapılardan çok daha karmaşıktır. Özellikle, dallanmış lümen içinde stentler yüklemek için birçok özel klinik prosedürler vardır. Y şeklinde bir lümen, iki silindirik stentler aynı anda eklenir ve bir şube³katıldı. Her ek şube için ek bir cerrahi prosedür yapılmalıdır. Prosedür özel eğitimli doktorlar gerektirir, ve ekleme son derece dallanmış stents çıkıntılı özellikleri nedeniyle zordur.

Bifurcated stentler şeklin karmaşıklığı 3D baskı için çok uygun bir hedef yapar. Konvansiyonel stentler standart boyutlarda ve şekillerde üretilir. 3D baskı imalat metodolojisi kullanarak, her hasta için stent şeklini özelleştirmek mümkündür. Şekiller, hedef nesnenin kesit şekillerinin katmandan katmanını art arda ekleyerek yapıldığından, teoride, bu yöntem herhangi bir şekil ve boyutun parçalarını üretebilmek için kullanılabilir. Konvansiyonel stentler çoğunlukla silindirik şekle sahiptir. Ancak, insan damarlarının dalları vardır ve çaplar tüpler boyunca değişir. Önerilen yaklaşımı kullanarak, şekil ve boyutlardaki tüm bu varyasyonlar konaklayabilmektedir. Ayrıca, gösterilmese de, kullanılan malzemeler tek bir stent içinde de değişebilir. Örneğin, desteğinin gerekli olduğu ve daha fazla esnekliğin gerektirdiği daha yumuşak malzemelerin kullanılması için daha sıkı malzemeler kullanabiliriz.

Bifurcated stentler şekli değişen gereksinimi 4d baskı, yani, zaman ek dikkate ile 3D baskı çağırır. Özel malzemeler kullanılarak oluşturulan 3D baskılı yapılar, ısı gibi harici bir stimülasyon ile şeklini değiştirmek için programlanabilmektedir. Dönüşüm kendi kendine sürdürülür ve harici güç kaynağı gerektirmez. 4d baskı için uygun bir özel malzeme bir SMP^4,5,6,7,8,9, hangi sergileyen şekil bellek efektleri ortaya malzeme özel tetikleyici cam geçiş sıcaklığı. Bu sıcaklıkta, parçaların yapısı orijinal şekline dönmeli şekilde yumuşak hale gelir. Yapı 3D baskılı sonra, cam geçiş sıcaklığı biraz üzerinde bir sıcaklığa ısıtılır. Bu noktada, yapı yumuşak olur ve biz güçleri uygulayarak şekli deforme edebiliyoruz. Uygulanan güçleri korurken, yapı soğutulur, sertleşir ve uygulanan kuvvetler kaldırıldıktan sonra bile deforme şeklini korur. Daha sonra, son aşamada, yapının orijinal şekline dönmesi gerektiğinde, yapının hedef siteye ulaştığı an gibi, ısı, yapının cam geçiş sıcaklığına ulaşması için sağlanır. Son olarak, yapı kendi ezberlenmiş özgün şekline döner. Şekil 1 daha önce anlatılan çeşitli aşamaları gösterir. SMPS kolayca uzatılabilir ve biyouyumlu ve biyolojik olarak çözünebilir bazı smps vardır^9,10. Tıp alanında smps için birçok kullanımları vardır^9,10, ve stentler^11,12 onlardan biri.

Stentler ve katlama tasarımı desenleri "Kirigami" adlı Japon kağıt kesme tasarımı izleyin. Bu süreç "origami," denilen iyi bilinen kağıt katlama tekniği benzer ama fark katlama ek olarak, kağıt kesme da tasarım izin verilir. Bu teknik sanatta kullanılmıştır ve ayrıca mühendislik uygulamalarında^2,3,13,14' te uygulandı. Kısacası, Kirigami özel olarak tasarlanmış noktalarda kuvvetleri uygulayarak üç boyutlu bir yapıya bir düzlemsel yapısını dönüştürmek için kullanılabilir. Tasarım gerekliliklerine göre, stent, yolların içine yerleştirildiğinde basit bir silindirik şekil olması gerekir ve silindir her yarım hedeflenen dallanmış gemi tam silindirik bir şekle açılmalıdır uzunluğu boyunca bölmek gerekir. Çözüm, ana gemi ve yan dalları tek bir silindir içine katlanmış olduğu gerçeğini yatıyor, yan dalları ekleme sırasında damarların duvarları ile müdahale olmayacaktır gibi. Açılır komut sinyali, SMP 'nin cam geçiş sıcaklığının üzerindeki Ortam sıcaklığındaki artıştan gelir. Ayrıca, katlama, 3D baskılı Bifurcated stent yumuşatıcı ve ana gemi içine yan şube katlanır hasta vücudun dışında yapılacaktır.

Geleneksel yöntemler, numarası şube sayısına eşit olan birden fazla silindirik stentlerin eklenmesi gerekir. Bu yöntem kaçınılmazdı, çünkü yan dalların çıkıntıları yolların duvarlarını engellemiştir ve tamamen Bifurcated stent eklemek imkansız hale gelmiştir. Kirigami yapısı ve 4D baskı kullanarak, yukarıdaki sorunlar çözülebilir. Bu protokol aynı zamanda kan damarlarının şeklinden sonra imal edilen bir silikon damar modeli kullanarak önerilen yöntemin etkinliğini görselleştirme gösterir. Bu mock-up yoluyla, ekleme sürecinde önerilen buluş etkinliğini ve yeni uygulamaların daha fazla olasılıklar görülebilir.

Bu protokol amacı açıkça bir SMP baskı bir erimiş Biriktirme Modelleme (FDM) yazıcı kullanarak yazdırma ilgili adımları özetlemek için. Ayrıca, baskılı Bifurcated stentler katlanmış duruma deformasyon dahil teknikleri, hedef siteye katlanmış Bifurcated stentler eklenmesi, ve sinyalizasyon ve orijinal şekline yapısının unfolding ayrıntılı olarak verilmiştir. Ekleme gösterisi kan damarlarının silikon mock-up kullanır. Protokol aynı zamanda bir 3D yazıcı ve kalıplama kullanarak bu mock-up imalatı dahil prosedürleri sağlar.

Protokol

1. gösteri için kan damar mock-up tasarım

1. Proksimal Ana Geminin çapını 25 mm, distal ana damar çapları ve 22 mm 'ye eşit yan şube olarak ayarlayın. 140 mm 'ye eşit damarların toplam uzunluğunu ayarlayın. proksimal ana damar, distal ana damar ve yan şube uzunluğunu 6 ' ya ayarlayın. sırasıyla 5 mm, 75 mm ve 65 mm. Tam kan damarı Şekil 2 ve Şekil 3' te gösterilir.
2. FDM 3D yazıcı kullanarak dallı geminin bilgisayar modelini yazdırın. Polikarbonat filament kullanın.

2. kalıp tarafından kan damar mock-up imalat

1. 3B baskılı parçayı oluşturacak kutu şeklinde bir konteyner oluşturun. 110 x 105 x 70 mm konteyner boyutlarını ayarlayın ve bir Akrilik plaka kullanın.
2. Kutunun ortasına yerleştirilen 3D baskılı dallı gemi ile, yavaşça kabarcık oluşumunu en aza indirmek için konteyner içine silikon dökün. Sıvı silikon kuru ve 36 ~ 48 h için sertleştir.
3. Kapsayıcıdan katılaştırılmış silikon kaldırmak ve 3D baskılı parçayı kaldırmak için yarısını kesti. Bölünmüş silikon kesme düzleminde yeniden katılın. Ortaya çıkan vücut kan damar mockup olduğunu. Nihai sonuç Şekil 4 ' ügösterilir.

3. Kirigami dayalı dallı stent tasarımı

Not: dallanmış stent boyutu kan damar mockup Y şeklinde yol içinde kuytu sığacak şekilde yapılır. İç boş yapılır ve yüzey tübüler meshleri işlevsel olarak kat ve tam açılmamış konfigürasyona dönmek için tasarlanmıştır.

1. Geleneksel stents benzer dalgalı desenler aşağıdaki Bifurcated stent gövde tasarımı. 22 mm ve 38 mm gövde uzunluğu için gövde çapı ayarlayın.
2. Şekil 5B'de gösterildiği gibi, Bifurcated dalları bir silindir olarak tasarlayın. Şube çapı 18 mm ve şube uzunluğu 34 mm olarak ayarlayın.
3. Stent toplam uzunluğunu 72 mm 'ye ayarlayın. Son şekil Şekil 6' da gösterilir.

4. SMP filamat ile 3D baskı

1. Bir SMP filament kullanarak FDM 3D yazıcısında Bifurcated stent yazdırın. Bu filament büyük bileşimi poliüretan olduğunu. Ticari satıcı aynı zamanda bu filements pellet şeklinde sağlar, böylece son kullanıcı da malzemenin özelliklerini terzi ek maddeler ekleyebilirsiniz (Şekil 7).
2. Model Dilimleme için dilimleme yazılımını kullanın ve 3B yazıcının ayarlarını kontrol etmek için. Ekstruder sıcaklığını 230 °c ' ye ve yazıcı yatağı sıcaklığına oda sıcaklığına ayarlayın. Merdiven etkisini en aza indirmek için katman yüksekliğini 0,1 mm olarak ayarlayın.
3. Baskı hızını 3.600 mm/dak olarak ayarlayın. iç dolgu yüzdesi miktarını 80% olarak ayarlayın. Yapı iç boş olduğu için gerekli olan baskı sırasında destekçi oluşumu dahil. Şekil 8 yazdırma işlemini gösterir.

5. yüzeyi yumuşatın

Not: kaba yüzeyler aşınarak damarlara zarar vereceğinden, aşağıdaki adımlar gereklidir.

1. Kesiciler kullanarak destekçileri çıkarın (Şekil 9A). Taraftarları stent iç eklenir. Stents çıkardıktan sonra, stents yırtılmasını önlemek için aşırı dikkatli olun.
2. Yüzeyi zımpara kağıdına karşı ovun (Şekil 9B) yazdırılan yüzeyde katman çizgilerini, çizmeleri veya lekeleri kaldırmak için. Destekçilerin kesiciler tarafından kaldırılabileceği tekrarlanan parlatma gerekebilir.
3. Yüzeyi iyi havalandırılan bir yerde sprey kullanarak boyayın ve kişisel bir maske takın. Temiz, kum ve yüzeyi kurutun. Tekrarlayan boyalar ince katmanları uygulayarak Aşırı püskürtme koruyun. Silikon Damar mockup ve stent arasındaki kontrastı geliştirmek için siyah boyalar kullanın (Şekil 9C).

6. Bifurcated stent deforme

1. Sıcak suya Bifurcated stentler yerleştirin sıcaklık cam geçiş sıcaklığının üzerinde olduğu gibi. Stent yumuşatılmış olduğunda, dala diğer yarısını karşı bir yarısını itin. Şekil 10Aiçinde gösterildiği gibi, diğer yarısında bir yarısı yuva.
2. İki dalları tek bir silindire katlayın, böylece ana gemi üzerinden seyahat edebilirsiniz. Diğer dala aynı yuvalama işlemini gerçekleştirin. Daha sonra, silindirlerin iki yarısı Şekil 10B'de gösterildiği gibi tek bir kapanmış durumdadır.

7. Bifurcated stentin damarlara yerleştirilmesi

1. Bir tankı ılık suyla doldurun. Su sıcaklığını 55-60 °C ' ye ayarlayın. Silikon Damar mockup tankı içine batırın. Ana gemi yukarıda ve dalları aşağıda olduğu gibi mockup Orient.
2. Yukarıdan silikon damar mockup açılışına katlanmış Bifurcated Stent takın. Onun dalları açılışa doğru gibi katlanmış Bifurcated stent Orient. Katlanmış Bifurcated stent genişlemeye başlayacaktır, ve alt dalları, her şube Y şeklinde damarların bifurkasyon çekirdeğinden onun çiftleşme yolu doğru kaydıracak gibi bölmek (Şekil 12).

Sonuçlar

Bu protokolde, bir Bifurcated stent üretebilmek için gerekli prosedürleri gösterdik. Stent, Bifurcated stent 'in, kan damarlarının dar yollarından kayar için çok uygun olan kompakt bir silindirik tüpün içine katlanması için bir Kirigami yapısını kullanır. SMP, sıcaklık cam geçiş sıcaklığına ulaştığında katlanmış yapının orijinal şekline dönmesini sağlar. Orijinal şekil, 3D SMP malzeme kullanılarak baskılı, yakından dallı gemiler eşleşir. Diğer bir deyişle, vücuttaki sıvın...

Tartışmalar

Stents genellikle kan damarlarını ve hastaların hava yolları gibi tıkanmış iç yolları temizlemek için kullanılır. Stentler eklemek cerrahi operasyon hastanın hastalık ve insan anatomik özellikleri dikkatli dikkate gerektirir. Geminin şekli karmaşık ve çeşitli dallanma koşulları var. Ancak, standart stent operasyonel prosedürler standart boyutlarda toplu üretilen stentler dayanmaktadır. Bu protokolde, kan damarlarının tam geometrisine dayanarak stentin üretiminde şahsen nasıl terzi yapılaca?...

Malzemeler

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