Name: 4d printed bifurcated stents with kirigami-inspired structures
Uploaded: 2019-07-25T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about 4D Printed Bifurcated Stents with Kirigami-Inspired Structures at JoVE.com

Este trabalho foi apoiado pelo Instituto de informação & comunicação tecnologia de planeamento e avaliação (IITP) subvenção financiada pelo governo coreano (MSIT) (n º 2018-0-01290, o desenvolvimento de um conjunto de dados abertos e tecnologia de processamento cognitivo para o reconhecimento de recursos derivados de humanos não estruturados (policiais, oficiais de segurança de trânsito, pedestres, etc.), movimentos usados em carros autopropulsantes) e o GIST Research Institute (GRI) financiado pelo GIST em 2019.

1. projeto do mock-up da embarcação de sangue para a demonstração
<ol><li>Defina o diâmetro do vaso principal proximal para 25 mm, os diâmetros do vaso principal distal e o ramo lateral igual a 22 mm. defina o comprimento total dos vasos igual a 140 mm. definir o comprimento do vaso principal proximal, o vaso principal distal e o ramo lateral para 6 5 mm, 75 mm e 65 mm, respectivamente. O vaso sanguíneo completo é mostrado na Figura 2 e na Figura 3.</l...

<ol>
	<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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Os stents são usados frequentemente para cancelar as vias internas obstruídas tais como os vasos sanguíneos e as vias aéreas dos pacientes. A operação cirúrgica da inserção de stents requer a consideração cuidadosa da doença do paciente e das características anatômicas humanas. A forma da embarcação é complexa, e existem diversas condições de ramificação. No entanto, os procedimentos operacionais de stent padrão são baseados em stents produzidos em massa com tamanhos padrão. Neste protocolo, mostr...

Os stents são usados para alargar passagens estreitadas ou stenosed nos seres humanos, tais como vasos sanguíneos e vias aéreas. Os stents são estruturas tubulares que se assemelham às passagens e suportam mecanicamente as passagens do colapso mais adicional. Tipicamente, os stents Self-expandindo do metal (SEMS) são adotados extensamente. Estes stents são feitos de ligas compostas de cobalto-cromo (aço inoxidável) e níquel-titânio (Nitinol)1,2. A desvantagem de stents metálicos é que a necrose de pressão pode existir onde os fios metálicos do stent entram em contato com os tecidos vivos e os stents são impactados. Além disso, os vasos do corpo podem ser de forma irregular e são muito mais complexas do que estruturas tubulares simples. Em particular, há muitos procedimentos clínicos especializados para instalar stents em lúmens ramificados. Em um lúmen em forma de Y, dois stents cilíndricos são inseridos simultaneamente e Unidos em uma filial3. Para cada filial adicional, um procedimento cirúrgico adicional precisa de ser conduzido. O procedimento requer médicos especialmente treinados, e a inserção é extremamente desafiadora devido às características salientes dos stents ramificados.
A complexidade da forma de stents bifurcado faz-lhe um alvo muito apropriado para a impressão 3D. Os stents convencionais são produzidos em massa em tamanhos e formas padronizadas. Usando a metodologia de fabricação de impressão 3D, é possível personalizar a forma do stent para cada paciente. Como as formas são feitas adicionando repetidamente camada por camada das formas seccionais do objeto de destino, teoricamente, esse método pode ser usado para fabricar partes de qualquer forma e tamanho. Os stents convencionais são na maior parte cilíndricos na forma. No entanto, os vasos humanos têm galhos, e os diâmetros mudam ao longo dos tubos. Usando a abordagem proposta, todas essas variações de formas e tamanhos podem ser acomodadas. Adicionalmente, embora não demonstrado, os materiais usados podem igualmente mudar dentro de um único stent. Por exemplo, podemos usar materiais mais rígidos onde o suporte é necessário e materiais mais macios, onde mais flexibilidade é necessária.
A exigência de mudança da forma de stents bifurcado chama para a impressão 4D, a saber, impressão 3D com a consideração adicional do tempo. as estruturas impressas 3D formadas usando materiais especializados podem ser programadas para mudar sua forma por uma estimulação externa, tal como o calor. A transformação é autosustentada e não requer fontes de energia externas. Um material especial que é adequado para a impressão 4D é um SMP4,5,6,7,8,9, que exibe efeitos de memória de forma quando exposto a um temperatura de transição de vidro de disparo específica do material. A esta temperatura, os segmentos tornam-se macios de modo que a estrutura retorne a sua forma original. Depois que a estrutura é 3D impressa, é aquecida a uma temperatura ligeiramente acima da temperatura de transição de vidro. Neste ponto, a estrutura torna-se macia, e nós somos capazes de deformar a forma aplicando forças. Mantendo as forças aplicadas, a estrutura é arrefecida, torna-se endurecida e retém sua forma deformada, mesmo depois que as forças aplicadas são removidas. Posteriormente, na fase final, quando a estrutura precisa retornar à sua forma original, como o momento em que a estrutura atinge o local de destino, o calor é fornecido para que a estrutura atinja sua temperatura de transição de vidro. Finalmente, a estrutura retorna à sua forma original memorizado. A Figura 1 ilustra os vários estágios anteriormente explicados. As SMPS podem ser facilmente esticadas, e existem algumas SMPS que são biocompatíveis e biodegradáveis9,10. Há muitos usos para SMPS no campo da medicina9,10, e os stents11,12 são um deles.
Os padrões dos stents e o projeto de dobramento seguem o projeto de corte de papel japonês chamado "Kirigami". Este processo se assemelha a técnica de dobradura de papel conhecido chamado "origami", mas a diferença é que, além de dobrar, o corte do papel também é permitido no projeto. Esta técnica tem sido utilizada em artes e também tem sido aplicada em aplicações de engenharia2,3,13,14. Em suma, Kirigami pode ser usado para transformar uma estrutura planar para uma estrutura tridimensional, aplicando forças em pontos projetados especificamente. Em nossas exigências do projeto, o stent precisa de ser uma forma cilíndrica simples quando introduzido nos caminhos, e o cilindro deve dividir-se ao longo de seu comprimento onde cada metade deve unfold a uma forma inteiramente cilíndrica na embarcação ramificada alvejada. A solução reside no fato de que o vaso principal e os ramos laterais são dobrados em um único cilindro, de modo que os ramos laterais não interferirá com as paredes dos vasos durante a inserção. O sinal de comando de desdobramento vem do aumento na temperatura ambiental acima da temperatura de transição de vidro do SMP. Adicionalmente, a dobradura será conduzida fora do corpo paciente amaciando o 3D imprimiu o stent bifurcado e dobrando a filial lateral na embarcação principal.
Os métodos convencionais exigiram a inserção de múltiplos stents cilíndricos cujo número é igual ao número de ramos. Este método era inevitável porque as saliências dos ramos laterais dificultaram as paredes dos caminhos e tornaram impossível inserir um stent bifurcado completo em sua totalidade. Usando a estrutura de Kirigami e impressão 4D, os problemas acima podem ser resolvidos. Este protocolo também mostra a visualização da efetividade do método proposto utilizando um modelo de vaso de silicone fabricado após a forma dos vasos sanguíneos. Através deste mock-up, a eficácia da invenção proposta durante o processo de inserção e outras possibilidades de novas aplicações podem ser vistas.
O objetivo deste protocolo é delinear claramente as etapas envolvidas na impressão de um SMP usando uma impressora de modelagem de deposição fundida (FDM). Adicionalmente, as técnicas envolvidas em deformar os stents bifurcado impressos ao estado dobrado, a inserção dos stents bifurcado dobrados ao local de alvo, e a sinalização e desenrolar da estrutura a sua forma original são dadas em detalhe. A demonstração da inserção utiliza um mock-up do silicone de vasos sanguíneos. O protocolo também fornece os procedimentos envolvidos na fabricação deste mock-up usando uma impressora 3D e moldagem.

<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

As embarcações ramificadas, tipicamente a forma da letra Y, podem ser estreitadas ou obstruídas, tendo por resultado problemas de saúde sérios. Os stents bifurcados, que são ocos no interior e em forma externa aos vasos ramificados, inseridos cirurgicamente dentro dos vasos ramificados, atuam como uma estrutura de apoio para que os fluidos corporais possam viajar livremente pelo interior dos stents sem obstruídos pelas embarcações estreitadas ou bloqueadas. Para que um stent bifurcado seja implantado no local de destino, ele precisa ser injetado dentro do vaso e viajar dentro do navio para chegar ao local de destino. O diâmetro do vaso é muito menor do que a esfera delimitadora do stent bifurcado; assim, uma técnica é exigida de modo que o stent bifurcado permaneça pequeno bastante para viajar através da embarcação e se expanda na embarcação ramificada alvejada. Estas duas condições conflitantes, ou seja, pequenas o suficiente para passar e grande o suficiente para apoiar estruturalmente passagens estreitadas, são extremamente difíceis de satisfazer simultaneamente. Utilizamos duas técnicas para cumprir os requisitos acima. Primeiro, no lado material, um polímero de memória de forma (SMP) é usado para AutoIniciar mudanças de forma de pequeno a grande, ou seja, sendo pequeno quando inserido e tornando-se grande no local de destino. Em segundo lugar, no lado do projeto, um padrão de Kirigami é usado para dobrar os tubos ramificados em um único tubo com um diâmetro menor. As técnicas apresentadas podem ser usadas para projetar estruturas que podem ser compactadas durante o transporte e retornar à sua forma funcionalmente adepto quando ativada. Embora nosso trabalho seja direcionado a stents médicos, as questões de biocompatibilidade precisam ser resolvidas antes do uso clínico real.

Neste protocolo, mostramos os procedimentos necessários para fabricar um stent bifurcado. O stent usa uma estrutura de Kirigami para permitir que o stent bifurcado dobre em um tubo cilíndrico compacto, que é muito adequado para deslizar através das vias estreitas dos vasos sanguíneos. O SMP permite que a estrutura dobrada retorne a sua forma original quando a temperatura alcança a temperatura de transição de vidro. A forma original, 3D impressa usando o material SMP, coincide estreitamente com os vasos ramificado...

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4D Printed Bifurcated Stents with Kirigami-Inspired Structures

o 4D imprimiu stents bifurcated com estruturas Kirigami-inspiradas

Usando uma impressora 3D, um filamento de polímero de memória de forma é extrudido para formar uma estrutura tubular ramificada. A estrutura é padronizada e moldada de tal forma que pode contrair em um formulário compacto, uma vez dobrado e, em seguida, retornar à sua forma formada quando aquecido.

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

Polímeros de memória de forma podem ser programados para mudar de forma quando certas condições são atendidas. Impressoras 3D podem produzir essas formas empilhando camadas após camadas, permitindo-nos tornar qualquer forma imaginável. Neste vídeo, demonstramos como podemos produzir stents que podem ser encolhidos a uma forma compacta ao serem entregues, e recuperar a forma mais complexa no momento certo.Com o uso deste método, é possível projetar stents personalizados para cada paciente, pois qualquer coisa que possa ser projetada pode ser exatamente fabricada usando a impressora 3D. Coloque o diâmetro do vaso principal proximal em 25 milímetros. Em seguida, defina os diâmetros do vaso principal distal e do ramal lateral igual a 22 milímetros.Defina o comprimento total dos vasos igual a 140 milímetros. Em seguida, defina o comprimento do vaso principal proximal para 65 milímetros, o vaso principal distal para 75 milímetros, e o ramal lateral para 65 milímetros. O modelo de computador da embarcação ramificada é então impresso usando uma impressora 3D de deposição fundida e um filamento de policarbonato.Crie um recipiente em forma de caixa que abrigará a peça impressa em 3D. Defina as dimensões do recipiente para 110 por 105 por 70 milímetros e use uma placa de acrílico. Com um vaso ramal impresso em 3D colocado no centro da caixa, despeje suavemente o silicone dentro do recipiente para minimizar a formação de bolhas.Seque o silicone líquido e endureça-o por 36 a 48 horas. Uma vez endurecido, remova o silicone solidificado do recipiente e corte-o ao meio para remover a peça impressa em 3D. Volte ao silicone dividido no plano cortado.O corpo junto resultante é a maquete do vaso sanguíneo. Projete o porta-malas do stent bifurcado seguindo padrões ondulados semelhantes aos stents convencionais, e projete os ramos bifurcados para ser um cilindro. Para o porta-malas, coloque o diâmetro em 22 milímetros e o comprimento para 38 milímetros.Para o ramo, defina o diâmetro para 18 milímetros e o comprimento para 34 milímetros. Por fim, defina o comprimento total do stent para 72 milímetros. Imprima o stent bifurcado em uma impressora 3D de modelagem fundida modelando a deposição usando um filamento de polímero de memória de forma.A principal composição deste filamento é o poliuretano. Use software de fatiamento para cortar modelos e controlar as configurações da impressora 3D. Coloque a temperatura extrusora a 230 graus Celsius e a temperatura do leito da impressora à temperatura ambiente.Além disso, ajuste a altura da camada para 0,1 milímetros para minimizar o efeito da escada. Em seguida, defina a velocidade de impressão para 3.600 milímetros por minuto e defina a porcentagem de preenchimento interno para 80%. Inclua a formação de apoiador durante a impressão, o que é necessário porque o interior da estrutura é oco.Suavize a superfície, pois superfícies ásperas podem danificar os vasos por abrasão. Remova os apoiadores usando cortadores. Os apoiadores estão presos no interior do stent.Ao remover os stents, tenha extrema cautela para evitar rasgar os stents. Esfregue a superfície contra lixa para remover as linhas de camada, estrias ou manchas na superfície impressa. Pode ser necessário polir repetidamente onde os apoiadores são removidos pelos cortadores.Antes de pintar, limpe, limpe e seque a superfície do stent. Pinte a superfície usando um spray em um local bem ventilado e use uma máscara pessoal. Proteja-se de excessos rezando aplicando finas camadas de tintas repetidas.Use tintas pretas para melhorar o contraste entre a maquete do vaso de silicone e o stent. Coloque os stents bifurcados em água morna de forma que a temperatura esteja acima da temperatura de transição do vidro. Quando o stent ficar amolecido, empurre metade do ramo contra a outra metade.Aninhar uma metade dentro da outra metade. Realize o mesmo processo de aninhamento para o outro ramo. Posteriormente, as duas metades dos cilindros são fechadas em uma.Agora, dobre os dois galhos em um único cilindro para que ele possa viajar através do navio principal. Mergulhe a maquete do vaso de silicone dentro do tanque cheio de água morna. Oriente a maquete de tal forma que o vaso principal esteja acima, e os galhos estejam abaixo.Agora, insira o stent dobrado e bifurcado na abertura da maquete do vaso de silicone. Oriente o stent dobrado e bifurcado de tal forma que seus ramos estão em direção à abertura. O stent dobrado e bifurcado começará a se expandir, e os ramos inferiores dividirão de tal forma que cada ramo deslize em direção ao seu caminho de acasalamento a partir do núcleo de bifurcação dos vasos em forma de Y.O stent usa estrutura kiragami para permitir que o stent bifurcado se dobre em um tubo cilíndrico compacto, que é muito adequado para deslizar pelas estreitas vias dos vasos sanguíneos. O polímero de memória de forma permite que a estrutura dobrada retorne à sua forma original quando a temperatura atingir a temperatura de transição do vidro. A forma original combina com as naves ramificadas.Certifique-se de definir a temperatura da cama da impressora em temperatura ambiente. Experimentamos deformação indesejada da estrutura quando a temperatura da impressora foi mais alta. O poliuretano pode ser substituído por um polímero que tem efeito de memória de forma.No entanto, a temperatura ideal ou memorização é diferente dependendo do material utilizado. O procedimento produz stents bifurcados que podem ser inseridos em um vaso sanguíneo em forma de Y com uma única operação. Comparado com múltiplas operações que usamos para stents convencionais.Nosso método pode ser usado para tratar doença arterial coronariana e vaso sanguíneo bloqueado por placas. O procedimento também pode abrir passagens como ducto biliar, brônquios e ureters.

Research

JoVE Journal

Engineering

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