Name: 4d printed bifurcated stents with kirigami-inspired structures
Uploaded: 2019-07-25T15:00:00
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Ce travail a été soutenu par la subvention de l'Institute of Information and Communications Technology Planning and Evaluation (IITP) financée par le gouvernement coréen (MSIT) (No. 2018-0-01290, le développement d'un ensemble de données ouverts et d'une technologie de traitement cognitif pour le la reconnaissance des caractéristiques dérivées des mouvements non structurés des humains (policiers, agents de sécurité routière, piétons, etc.) utilisés dans les voitures autonomes) et de la subvention de l'Institut de recherche GIST (GRI) financée par le GIST en 2019.

1. Conception de maquette de vaisseau sanguin pour la démonstration
<ol><li>Définir le diamètre du navire principal proximal à 25 mm, les diamètres du vaisseau principal distal et la branche latérale égale à 22 mm. Définir la longueur totale des navires égale à 140 mm. Définir la longueur du navire principal proximal, le navire principal distal et la branche latérale à 6 5 mm, 75 mm et 65 mm, respectivement. Le vaisseau sanguin complet est représenté dans la figure 2 et la ...

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	<li>Migliavacca, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stainless+and+shape+memory+alloy+coronary+stents:+a+computational+study+on+the+interaction+with+the+vascular+wall.">Stainless and shape memory alloy coronary stents: a computational study on the interaction with the vascular wall.</a> Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2 (4), 205-217 (2004).</li><li>Kuribayashi, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-deployable+origami+stent+grafts+as+a+biomedical+application+of+Ni-rich+TiNi+shape+memory+alloy+foil.">Self-deployable origami stent grafts as a biomedical application of Ni-rich TiNi shape memory alloy foil.</a> Material Science and Engineering A. 419, 131-137 (2006).</li><li>Suwaidi, A. 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Les endoprothèses sont souvent utilisées pour dégager les voies internes obstruées telles que les vaisseaux sanguins et les voies respiratoires des patients. L'opération chirurgicale des endoprothèses d'insertion exige l'examen soigneux de la maladie du patient et des caractéristiques anatomiques humaines. La forme du navire est complexe et des conditions de ramification variées existent. Cependant, les procédures opérationnelles standard d'endoprothèse sont basées sur des endoprothèses produites en série a...

Les endoprothèses sont utilisées pour élargir les passages rétrécis ou sténosés chez l'homme, comme les vaisseaux sanguins et les voies respiratoires. Les endoprothèses sont des structures tubulaires qui ressemblent aux passages et soutiennent mécaniquement les passages de l'effondrement ultérieur. Typiquement, les endoprothèses métalliques auto-expansion (SEMS) sont largement adoptées. Ces endoprothèses sont fabriquées à partir d'alliages composés de cobalt-chrome (acier inoxydable) et de nickel-titanium (nitinol)1,2. L'inconvénient des endoprothèses métalliques est que la nécrose de pression peut exister là où les fils métalliques de l'endoprothèse entrent en contact avec les tissus vivants et les endoprothèses sont touchées. En outre, les vaisseaux du corps peuvent être de forme irrégulière et sont beaucoup plus complexes que de simples structures tubulaires. En particulier, il existe de nombreuses procédures cliniques spécialisées pour installer des endoprothèses dans les lumens ramifiés. Dans un lumen en forme de Y, deux endoprothèses cylindriques sont insérées simultanément et jointes à une branche3. Pour chaque branche supplémentaire, une intervention chirurgicale supplémentaire doit être effectuée. La procédure nécessite des médecins spécialement formés, et l'insertion est extrêmement difficile en raison des caractéristiques saillantes des endoprothèses ramifiées.
La complexité de la forme des endoprothèses bifurquées en fait une cible très appropriée pour l'impression 3D. Les endoprothèses conventionnelles sont produites en masse dans des tailles et des formes standardisées. En utilisant la méthode de fabrication d'impression 3D, il est possible de personnaliser la forme de l'endoprothèse pour chaque patient. Parce que les formes sont faites en ajoutant à plusieurs reprises couche par couche des formes sectionnelles de l'objet cible, en théorie, cette méthode peut être utilisée pour fabriquer des pièces de n'importe quelle forme et taille. Les endoprothèses conventionnelles sont pour la plupart cylindriques. Cependant, les vaisseaux humains ont des branches, et les diamètres changent le long des tubes. En utilisant l'approche proposée, toutes ces variations de formes et de tailles peuvent être prises en compte. En outre, bien qu'ils ne aient pas été démontrés, les matériaux utilisés peuvent également changer au sein d'un seul stent. Par exemple, nous pouvons utiliser des matériaux plus rigides lorsque le soutien est nécessaire et des matériaux plus doux où une plus grande flexibilité est nécessaire.
L'exigence de changement de forme des endoprothèses bifurquées nécessite l'impression 4D, à savoir l'impression 3D avec la considération supplémentaire du temps. Les structures imprimées en 3D formées à l'aide de matériaux spécialisés peuvent être programmées pour changer leur forme par une stimulation externe, comme la chaleur. La transformation est auto-soutenue et ne nécessite aucune source d'énergie externe. Un matériau spécial qui convient à l'impression 4D est un SMP4,5,6,7,8,9, qui présente des effets de mémoire de forme lorsqu'il est exposé à un température de transition de déclenchement de verre spécifique au matériau. À cette température, les segments deviennent mous de sorte que la structure retrouve sa forme d'origine. Une fois la structure imprimée en 3D, elle est chauffée à une température légèrement supérieure à la température de transition du verre. À ce stade, la structure devient molle, et nous sommes en mesure de déformer la forme en appliquant des forces. Tout en maintenant les forces appliquées, la structure est refroidie, se durcit et conserve sa forme déformée, même après que les forces appliquées sont enlevées. Par la suite, à l'étape finale, lorsque la structure doit retrouver sa forme d'origine, comme le moment où la structure atteint le site cible, la chaleur est fournie de sorte que la structure atteigne sa température de transition en verre. Enfin, la structure retrouve sa forme originale mémorisée. La figure 1 illustre les différentes étapes expliquées précédemment. Les SMP peuvent être facilement étirés, et il ya quelques SMP qui sont biocompatibles et biodégradables9,10. Il existe de nombreuses utilisations pour les SMP dans le domaine de la médecine9,10, et les endoprothèses11,12 sont l'un d'eux.
Les motifs des endoprothèses et la conception pliante suivent la conception japonaise de découpe de papier appelée « kirigami ». Ce processus ressemble à la technique bien connue de pliage de papier appelée « origami », mais la différence est qu'en plus du pliage, la coupe du papier est également autorisée dans la conception. Cette technique a été utilisée dans les arts et a également été appliquée dans les applications d'ingénierie2,3,13,14. En bref, kirigami peut être utilisé pour transformer une structure planaire en une structure tridimensionnelle en appliquant des forces à des endroits spécialement conçus. Dans nos exigences de conception, l'endoprothèse doit être une forme cylindrique simple lorsqu'il est inséré dans les voies, et le cylindre doit se diviser le long de sa longueur où chaque moitié doit se dérouler à une forme entièrement cylindrique au navire ramifié ciblé. La solution réside dans le fait que le navire principal et les branches latérales sont repliés dans un seul cylindre de sorte que les branches latérales n'interfèrent pas avec les parois des navires pendant l'insertion. Le signal de commande qui se déroule provient de l'augmentation de la température ambiante au-dessus de la température de transition en verre du SMP. En outre, le pliage sera effectué à l'extérieur du corps du patient en ramollissant l'endoprothèse bifurquée imprimée en 3D et en pliant la branche latérale dans le récipient principal.
Les méthodes conventionnelles ont exigé l'insertion de plusieurs endoprothèses cylindriques dont le nombre est égal au nombre de branches. Cette méthode était inévitable parce que les saillies des branches latérales empêchaient les parois des voies et rendaient impossible l'insertion d'un stent bifurqué complet dans son intégralité. En utilisant la structure kirigami et l'impression 4D, les problèmes ci-dessus peuvent être résolus. Ce protocole montre également la visualisation de l'efficacité de la méthode proposée à l'aide d'un modèle de vaisseau en silicone fabriqué après la forme des vaisseaux sanguins. Grâce à cette maquette, l'efficacité de l'invention proposée au cours du processus d'insertion et d'autres possibilités de nouvelles applications peuvent être vus.
Le but de ce protocole est de décrire clairement les étapes de l'impression d'un SMP à l'aide d'une imprimante de modélisation de dépôt fusionnée (FDM). En outre, les techniques impliquées dans la déformation des endoprothèses bifurquées imprimées à l'état plié, l'insertion des endoprothèses pliées bifurquées sur le site cible, et la signalisation et le déploiement de la structure à sa forme originale sont donnés en détail. La démonstration de l'insertion utilise une maquette en silicone des vaisseaux sanguins. Le protocole fournit également les procédures impliquées dans la fabrication de cette maquette à l'aide d'une imprimante 3D et de moulage.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:965px;" width="965">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:255px;">Fortus380mc</td>
			<td style="width:169px;">Stratasys</td>
			<td style="width:199px;">Fortus 380mc</td>
			<td style="width:343px;">FDM 3D printer for printing blood vessel mock-up</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:255px;">Moment1 3D printer</td>
			<td style="width:169px;">Moment</td>
			<td style="width:199px;">Moment 1</td>
			<td>FDM 3D printer for printing bifurcated stent</td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;">PC(white) Filament Canister</td>
			<td>Stratasys</td>
			<td>PC(white) Filament Canister</td>
			<td>PC filament for printing blood vessel mock-up</td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;width:255px;">PLM software NX 10.0</td>
			<td style="width:169px;">Siemens</td>
			<td style="width:199px;">NX 10.0</td>
			<td>3D CAD modeling software</td>
		</tr>
		<tr height="24">
			<td height="24" style="height:24px;">Sandpaper</td>
			<td>DAESUNG</td>
			<td>CC-600CW</td>
			<td>Smooting out the surface of the bifurcated stent&#160;</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Shape Memory Polymer filament</td>
			<td>SMP Technologies Inc</td>
			<td style="width:199px;">MM-5520</td>
			<td>Shape memory polymer filament</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:255px;">silicon</td>
			<td style="width:169px;">Shinetus</td>
			<td style="width:199px;">KE-1606</td>
			<td>silicon for blood vessel mock-up</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Simplify3D</td>
			<td>Simplify3D</td>
			<td>Simplify3D 4.0.1</td>
			<td>Slicing software for model slicing&#160;</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

4d printed bifurcated stents with kirigami-inspired structures

Les navires ramifiés, généralement sous la forme de la lettre « Y », peuvent être rétrécis ou bloqués, ce qui entraîne de graves problèmes de santé. Les endoprothèses bifurquées, qui sont creuses à l'intérieur et en forme extérieure aux vaisseaux ramifiés, insérées chirurgicalement à l'intérieur des vaisseaux ramifiés, agissent comme une structure de soutien de sorte que les fluides corporels puissent librement voyager à travers l'intérieur des endoprothèses sans obstrués par les navires rétrécis ou bloqués. Pour qu'un stent bifurqué soit déployé sur le site cible, il doit être injecté à l'intérieur du navire et se déplacer à l'intérieur du navire pour atteindre le site cible. Le diamètre du navire est beaucoup plus petit que la sphère délimitée de l'endoprothèse bifurquée; ainsi, une technique est nécessaire pour que l'endoprothèse bifurquée reste assez petite pour traverser le navire et s'étende au navire ramifié ciblé. Ces deux conditions conflictuelles, c'est-à-dire assez petites pour passer à travers et assez grandes pour soutenir structurellement des passages rétrécis, sont extrêmement difficiles à satisfaire simultanément. Nous utilisons deux techniques pour répondre aux exigences ci-dessus. Tout d'abord, du côté matériel, un polymère de mémoire de forme (SMP) est utilisé pour auto-initier les changements de forme de petit à grand, c'est-à-dire, étant petit lorsqu'il est inséré et devenant grand au site cible. Deuxièmement, du côté de la conception, un motif kirigami est utilisé pour plier les tubes de ramification dans un seul tube avec un diamètre plus petit. Les techniques présentées peuvent être utilisées pour concevoir des structures qui peuvent être compactées pendant le transport et revenir à leur forme fonctionnellement habile lorsqu'elles sont activées. Bien que nos travaux soient ciblés sur les endoprothèses médicales, les problèmes de biocompatibilité doivent être résolus avant l'utilisation clinique réelle.

Dans ce protocole, nous avons montré les procédures requises pour fabriquer un stent bifurqué. L'endoprothèse utilise une structure kirigami pour permettre à l'endoprothèse bifurquée de se plier en un tube cylindrique compact, qui est très approprié pour glisser à travers les voies étroites des vaisseaux sanguins. Le SMP permet à la structure pliée de retrouver sa forme d'origine lorsque la température atteint la température de transition du verre. La forme originale, imprimée en 3D à l'aide du matériau...

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4D Printed Bifurcated Stents with Kirigami-Inspired Structures

Stents bifurqués imprimés 4D avec des structures inspirées de Kirigami

À l'aide d'une imprimante 3D, un filament polymère de mémoire de forme est extrudé pour former une structure tubulaire ramifiée. La structure est modelée et façonnée de telle sorte qu'elle puisse se contracter sous une forme compacte une fois pliée, puis revenir à sa forme formée lorsqu'elle est chauffée.

Branched vessels, typically in the form of the letter &#34;Y,&#34;&#160;can be narrowed or blocked, resulting in serious health problems. Bifurcated ...

Les polymères à mémoire de forme peuvent être programmés pour changer de forme lorsque certaines conditions sont remplies. Les imprimantes 3D peuvent produire ces formes en empilant les couches après les couches, ce qui nous permet de rendre n’importe quelle forme imaginable. Dans cette vidéo, nous démontrons comment nous pouvons produire des en-ents qui peuvent être réduits à une forme compacte lors de la livraison, et récupérer à la forme la plus complexe au bon moment.Par l’utilisation de cette méthode, il est possible de concevoir des en-ents personnalisés pour chaque patient, parce que tout ce qui peut être conçu peut être exactement fabriqué à l’aide de l’imprimante 3D. Réglez le diamètre du navire principal proximal à 25 millimètres. Ensuite, réglez les diamètres du récipient principal distal et de la branche latérale égale à 22 millimètres.Réglez la longueur totale des navires égale à 140 millimètres. Ensuite, réglez la longueur du navire principal proximal à 65 millimètres, le navire principal distal à 75 millimètres et la branche latérale à 65 millimètres. Le modèle informatique du navire ram ramdimensionné est ensuite imprimé à l’aide d’une imprimante 3D de modélisation des dépôts fusionnés et d’un filament en polycarbonate.Créez un récipient en forme de boîte qui abritera la pièce imprimée en 3D. Réglez les dimensions du récipient à 110 par 105 par 70 millimètres et utilisez une plaque acrylique. À l’aide d’un récipient ramé imprimé en 3D placé au centre de la boîte, versez doucement le silicone à l’intérieur du récipient pour minimiser la formation de bulles.Séchez le silicone liquide et durcissez-le de 36 à 48 heures. Une fois durci, retirez le silicone solidifié du récipient et coupez-le en deux pour enlever la pièce imprimée en 3D. Rejoindre le silicone divisé au plan coupé.Le corps joint qui en résulte est la maquette des vaisseaux sanguins. Concevoir le tronc du stent bifurqué en suivant des motifs ondulés semblables aux enchevêtrés conventionnels, et concevoir les branches bifurquées pour être un cylindre. Pour le tronc, réglez le diamètre à 22 millimètres et la longueur à 38 millimètres.Pour la branche, réglez le diamètre à 18 millimètres et la longueur à 34 millimètres. Enfin, réglez la longueur totale du stent à 72 millimètres. Imprimez le stent bifurqué dans une imprimante 3D de modélisation de dépôt fusionnée à l’aide d’un filament de polymère de mémoire de forme.La composition principale de ce filament est le polyuréthane. Utilisez un logiciel de tranchage pour le tranchage de modèles et pour contrôler les paramètres de l’imprimante 3D. Réglez la température de l’extrème à 230 degrés Celsius et la température du lit de l’imprimante à température ambiante.En outre, réglez la hauteur de la couche à 0,1 millimètres pour minimiser l’effet d’escalier. Ensuite, réglez la vitesse d’impression à 3 600 millimètres par minute et réglez la quantité de pourcentage de remplissage intérieur à 80 pour cent. Inclure la formation de support pendant l’impression, ce qui est nécessaire parce que l’intérieur de la structure est creux.Lissez la surface car les surfaces rugueuses peuvent endommager les vaisseaux par abrasion. Retirez les supporters à l’aide de coupeurs. Les supporters sont attachés à l’intérieur du stent.Lors de l’enlèvement des en-deux, faites preuve d’une extrême prudence pour éviter de déchirer les en-deux. Frottez la surface contre du papier de verre pour enlever les lignes de couche, les stries ou les imperfections sur la surface imprimée. Un polissage répété peut être nécessaire lorsque les supporters sont enlevés par les coupeurs.Avant la peinture, nettoyez, poncez et séchez la surface de l’enhent. Peindre la surface à l’aide d’un spray dans un endroit bien ventilé et porter un masque personnel. Protégez-vous contre la surésprayage en appliquant de fines couches de peintures répétées.Utilisez des peintures noires pour améliorer le contraste entre la maquette du récipient en silicone et le stent. Placez les enfiles bifurquées dans de l’eau chaude de sorte que la température soit au-dessus de la température de transition du verre. Lorsque le stent s’adoucit, poussez la moitié de la branche contre l’autre moitié.Nichez la moitié dans l’autre moitié. Effectuez le même processus de nidification à l’autre branche. Par la suite, les deux moitiés des cylindres sont fermées en une seule.Maintenant, pliez les deux branches en un seul cylindre afin qu’il puisse voyager à travers le navire principal. Immerger la maquette du récipient en silicone à l’intérieur du réservoir rempli d’eau chaude. Orientez la maquette de telle sorte que le navire principal est au-dessus, et les branches sont en dessous.Maintenant, insérez le stent plié et bifurqué dans l’ouverture de la maquette du récipient en silicone. Orientez le stent plié et bifurqué de telle sorte que ses branches soient orientées vers l’ouverture. Le stent plié bifurqué commencera à se développer, et les branches inférieures se diviseront de telle sorte que chaque branche glissera vers sa voie d’accouplement à partir du noyau de bifurcation des vaisseaux en forme de Y.Le stent utilise la structure kiragami pour permettre au stent bifurqué de se plier dans un tube cylindrique compact, qui est très approprié pour glisser à travers les voies étroites des vaisseaux sanguins. Le polymère de mémoire de forme permet à la structure pliée de revenir à sa forme originale lorsque la température atteint la température de transition du verre. La forme d’origine correspond étroitement aux vaisseaux ram ramicaux.Assurez-vous de régler la température du lit de l’imprimante à température ambiante. Nous avons subi une déformation non désirée de la structure lorsque la température du lit d’imprimante a été réglée plus haut. Le polyuréthane peut être remplacé par un polymère qui a un effet de mémoire de forme.Cependant, la température optimale ou la mémorisation est différente selon le matériau utilisé. La procédure produit des enhents bifurqués qui peuvent être insérés dans un vaisseau sanguin en forme de Y avec une seule opération. Par rapport aux opérations multiples que nous utilisons pour les en-ents conventionnels.Notre méthode peut être utilisée pour traiter la maladie coronarienne et les vaisseaux sanguins bloqués par des plaques. La procédure peut également ouvrir un passage comme le canal biliaire, les bronches et les uretères.

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