4D-trykte, Bifurtede stenter med kirigami-inspirerede konstruktioner
Summary
Ved hjælp af en 3D-printer, en formhukommelse polymer filament er ekstruderet til dannelse af en forgrenet rørformede struktur. Strukturen er mønstret og formet således, at den kan indgå i en kompakt form, når den er foldet og derefter vende tilbage til sin formede form, når den opvarmes.
Abstract
Forgrenede fartøjer, typisk i form af bogstavet “Y”, kan indsnævres eller blokeres, hvilket resulterer i alvorlige helbredsproblemer. Bifureret stenter, som er hule i interiøret og exteriorly formet til forgrenede fartøjer, kirurgisk indsat inde i forgrenede fartøjer, fungere som en bærende struktur, således at kropsvæsker kan frit rejse gennem det indre af stenter uden hindres af de indsnævrede eller blokerede fartøjer. For at en bifureret stent skal indsættes på målstedet, skal den injiceres inde i beholderen og rejse inden for fartøjet for at nå målstedet. Diameteren af fartøjet er meget mindre end den afgrænsningsområde af bifuret stent; således er en teknik er nødvendig, så den bifurerede stent forbliver lille nok til at rejse gennemfart øjet og udvider på det målrettede forgrenede fartøj. Disse to modstridende betingelser, der er små nok til at passere igennem og store nok til strukturelt at støtte indsnævrede passager, er yderst vanskeligt at tilfredsstille samtidig. Vi bruger to teknikker til at opfylde ovenstående krav. Først, på den materielle side, en form Memory polymer (SMP) bruges til at selv initiere formændringer fra små til store, det vil være lille, når de indsættes og bliver store på målet site. For det andet, på design siden, bruges et kirigami-mønster til at folde forgrenings rørene ind i et enkelt rør med en mindre diameter. De præsenterede teknikker kan bruges til at konstruere strukturer, der kan komprimeres under transport og vende tilbage til deres funktionelt dygtige til form, når de aktiveres. Selv om vores arbejde er rettet mod medicinske stenter, biokompatibilitet spørgsmål skal løses før faktiske kliniske brug.
Introduction
Stents bruges til at udvide indsnævrede eller stenoserede passager i mennesker, såsom blodkar og luftveje. Stents er rørformede konstruktioner, der ligner passagerne og mekanisk støtter passagerne fra yderligere kollaps. Typisk er selv-ekspanderende metalstenter (Sems) bredt vedtaget. Disse stenter er fremstillet af legeringer bestående af kobolt-chrom (rustfrit stål) og nikkel-Titanium (nitinol)1,2. Ulempen ved metalstenter er, at der kan eksistere tryk nekrose, hvor metal ledningerne af stent kommer i kontakt med levende væv og stenter påvirkes. Desuden kan fartøjerne i kroppen være uregelmæssigt formet og er meget mere komplekse end simple rørformede strukturer. Især, der er mange specialiserede kliniske procedurer til at installere stenter i forgrenede lumen. I et Y-formet lumen indsættes to cylindriske stenter samtidigt og samles i en gren3. For hver yderligere gren skal der udføres en yderligere kirurgisk procedure. Proceduren kræver specialuddannede læger, og indsættelsen er yderst udfordrende på grund af de fremspringende funktioner i forgrenede stenter.
Kompleksiteten af formen af bifuret stenter gør det til et meget velegnet mål for 3D-udskrivning. Konventionelle stenter er masseproduceret i standardiserede størrelser og former. Ved hjælp af metoden til fremstilling af 3D-udskrivning er det muligt at tilpasse formen af stent for hver patient. Fordi figurer er lavet af gentagne gange at tilføje lag-for-lag af sektionsopdelte figurer af målet objekt, i teorien, denne metode kan bruges til at fremstille dele af enhver form og størrelse. Konventionelle stenter er for det meste cylindrisk i form. Men, menneskelige fartøjer har grene, og diametre ændre langs rørene. Ved hjælp af den foreslåede fremgangsmåde kan alle disse variationer i former og størrelser imødekommes. Desuden kan de anvendte materialer, selv om de ikke påvises, også ændres inden for en enkelt stent. For eksempel kan vi bruge stivere materialer, hvor der er behov for støtte og blødere materialer, hvor der kræves mere fleksibilitet.
Formen skiftende krav af bifurte stenter kræver 4D-udskrivning, nemlig 3D-udskrivning med den ekstra overvejelse af tid. 3D trykte strukturer dannet ved hjælp af specialiserede materialer kan programmeres til at ændre deres form ved en ekstern stimulation, såsom varme. Omdannelsen er selv-vedvarende og kræver ingen eksterne strømkilder. Et særligt materiale, der egner sig til 4d-udskrivning, er en SMP4,5,6,7,8,9, som udviser form hukommelses effekter, når de udsættes for en materialespecifik udløser glasovergangstemperatur. Ved denne temperatur bliver segmenterne bløde, så strukturen vender tilbage til den oprindelige form. Når strukturen er 3D trykt, opvarmes den til en temperatur, der ligger lidt over glasovergangstemperaturen. På dette tidspunkt bliver strukturen blød, og vi er i stand til at deforme formen ved at anvende kræfter. Mens de anvendte kræfter bevares, afkøles strukturen, bliver hærdet og bevarer sin deforme form, selv efter at de anvendte kræfter er fjernet. Efterfølgende, i den afsluttende fase, når strukturen har brug for at vende tilbage til sin oprindelige form, såsom det øjeblik, hvor strukturen når målet stedet, varme leveres, således at strukturen når sin glasovergangstemperatur. Endelig vender strukturen tilbage til sin oprindelige form. Figur 1 illustrerer de forskellige stadier, som tidligere er forklaret. SMPS kan let strækkes, og der er nogle SMPS, der er biokompatible og biologisk nedbrydelige9,10. Der er mange anvendelser for SMPS inden for medicin9,10, og stenter11,12 er en af dem.
Mønstrene i stenter og folde design følger det japanske papir skære design kaldet “kirigami.” Denne proces ligner den velkendte papir foldeteknik kaldet “origami,” men forskellen er, at ud over at folde, skæring af papiret er også tilladt i designet. Denne teknik har været anvendt i kunst og har også været anvendt i ingeniørarbejde applikationer2,3,13,14. Kort sagt kan kirigami bruges til at omdanne en planar struktur til en tredimensionel struktur ved at anvende kræfter på specielt designede pletter. I vores designkrav skal stent være en simpel cylindrisk form, når den indsættes i stierne, og cylinderen bør opdele langs dens længde, hvor hver halvdel skal udfolde sig til en fuldt cylindrisk form på det målrettede forgrenede fartøj. Løsningen ligger i det faktum, at de vigtigste fartøj og sidegrene er foldet ind i en enkelt cylinder, således at sidegrenene ikke vil forstyrre væggene af skibene under indsættelsen. Det Udfoldelige kommando signal kommer fra stigningen i omgivelsestemperaturen over glasovergangstemperaturen i SMP. Derudover vil foldningen udføres uden for patientens krop ved at blødgøre 3D trykt bifureret stent og foldeside grenen ind i hoved beholderen.
Konventionelle metoder krævede indsættelse af flere cylindriske stenter, hvis antal er lig med antallet af grene. Denne metode var uundgåelig, fordi de fremspring af sidegrenene hæmmet væggene i vejene og gjorde det umuligt at indsætte en komplet bifuret stent i sin helhed. Ved hjælp af kirigami struktur og 4D udskrivning, kan ovenstående problemer løses. Denne protokol viser også visualisering af effektiviteten af den foreslåede metode ved hjælp af en silikone fartøj model fabrikeret efter form af blodkar. Gennem denne mock-up, effektiviteten af den foreslåede opfindelse under indsættelses processen og yderligere muligheder for nye applikationer kan ses.
Formålet med denne protokol er klart at skitsere de trin, der er involveret i udskrivning af en SMP ved hjælp af en FDM-printer (sammensmeltet deposition Modeling). Desuden er teknikker, der er involveret i deforme de trykte bifurtede stenter til foldede tilstand, indsættelse af de foldede bifurtede stenter til målstedet, og signalering og udfoldelse af strukturen til sin oprindelige form er givet i detaljer. Demonstrationen af indsættelsen udnytter en silikone mock-up af blodkar. Protokollen indeholder også de procedurer, der er involveret i opdigte denne mock-up ved hjælp af en 3D-printer og støbning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Stents bruges ofte til at rydde de tilstoppede indre veje såsom blodkar og luftvejene af patienter. Kirurgisk operation af indsættelse af stenter kræver omhyggelig overvejelse af patientens sygdom og menneskelige anatomiske egenskaber. Formen af fartøjet er komplekst, og forskellige forgrenings betingelser findes. De standard-stent-operative procedurer er imidlertid baseret på masseproducerede stenter med standardstørrelser. I denne protokol, vi viste, hvordan man personligt skræddersy fabrikation af stent baseret…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af Institut for information & kommunikation teknologiplan lægning og evaluering (IITP) tilskud finansieret af den koreanske regering (MSIT) (nr. 2018-0-01290, udvikling af et åbent datasæt og kognitiv behandling teknologi til anerkendelse af funktioner afledt af ustrukturerede mennesker (politibetjente, trafiksikkerheds officerer, fodgængere osv.) beslutningsforslag, der anvendes i selvkørende biler) og GIST Research Institute (GRI) tilskud finansieret af KERNEN i 2019.
Materials
| 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 |
References
- Migliavacca, F., et al. Stainless and shape memory alloy coronary stents: a computational study on the interaction with the vascular wall. Biomechanics and Modeling in Mechanobiology. 2 (4), 205-217 (2004).
- Kuribayashi, K., et al. Self-deployable origami stent grafts as a biomedical application of Ni-rich TiNi shape memory alloy foil. Material Science and Engineering A. 419, 131-137 (2006).
- Suwaidi, A. I., et al. Immediate and long-term outcome of intracoronary stent implantation for true bifurcation lesions. Journal of the American College of Cardiology. 35 (4), 929-936 (2000).
- Mao, Y., et al. Sequential self-folding structures by 3D printed digital shape memory polymers. Scientific Reports. 5, 13616 (2015).
- Ge, Q., Qi, H. J., Dunn, M. L. Active materials by four-dimension printing. Applied Physics Letters. 103, 131901 (2013).
- Wu, J., et al. Multi-shape active composites by 3D printing of digital shape memory polymers. Scientific Reports. 6, 24224 (2016).
- Chen, S., Zhang, Q., Feng, J. 3D printing of tunable shape memory polymer blends. Journal of Materials Chemistry C. 5, 8361-8365 (2017).
- Qi, G., et al. Multimaterial 4D printing with tailorable shape memory polymers. Scientific Reports. 6, 31110 (2016).
- Lendlein, A., et al. Biodegradable, elastic shape-memory polymers for potential biomedical applications. Science. 296, 1673-1676 (2002).
- Lendlein, A., et al. Shape memory polymers. Angewandte chemie. 41, 2034-2057 (2002).
- Baer, G. M., et al. Fabrication and in vitro deployment of a laser-activated shape memory polymer vascular stent. BioMedical Engineering OnLine. 6, 43 (2007).
- Wache, H. M., Tartakowska, D. J., Hentrich, A., Wagner, M. H. Development of a polymer stent with shape memory effect as a drug delivery system. Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 14 (2), 109-112 (2003).
- Shyu, T. C., et al. A kirigami approach to engineering elasticity in nanocomposites through patterned defects. Nature Materials. 14, 785-789 (2015).
- Rossiter, J., Sareh, S. Kirigami design and fabrication for biomimetic robotics. Proc. SPIE. 9055, (2014).
- Kim, T., Lee, Y. G. Shape transformable bifurcated stents. Scientific Reports. 8, 13911 (2018).
