4 ד מודפס סטנטים מלאכותיים עם מבנים בהשראת Kirigami
Summary
באמצעות מדפסת תלת-ממדית, פילמנט פולימר מסוג הצורה הינו הבלטת ממד כדי ליצור מבנה צינורי בענף. המבנה הוא בדוגמת ובצורת כך שהוא יכול להתכווץ לתוך טופס קומפקטי פעם מקופל ולאחר מכן לחזור לצורתו הנוצרת כאשר מחוממת.
Abstract
כלי שיט, בדרך כלל בצורת האות “Y”, ניתן לצמצם או לחסום, וכתוצאה מכך בעיות בריאותיות חמורות. סטנטים משומנים, החלולים בפנים ובעלי צורה מבפנים לכלי השיט, מוכנסים בניתוח בתוך כלי השיט, משמשים כמבנה תומך כך שנוזלי גוף יכולים לנוע בחופשיות דרך פנים הסטנטים ללא בחסימת הכלים המצלוקים או החסומים. עבור סטנט מורכב להיות פרוס באתר היעד, זה צריך להיות מוזרק בתוך הכלי ולנסוע בתוך כלי כדי להגיע לאתר היעד. קוטרו של כלי הקיבול קטן בהרבה מהספרה התוחמת של הסטנט הביפראני; לכן, טכניקה נדרשת כך הסטנט שחור נשאר קטן מספיק כדי לנוע דרך כלי ומתרחב בכלי הספינה ממוקד. שני התנאים הסותרים, כלומר, קטנים מספיק כדי לעבור ולגדול מספיק כדי לתמוך באופן מבנית במעברים המצתים, הם קשים מאוד לסיפוק בו זמנית. אנו משתמשים בשתי טכניקות כדי למלא את הדרישות הנ ל. ראשית, על הצד החומרי, פולימר זיכרון הצורה (SMP) משמש לאתחול עצמי שינויים הצורה מ קטן לגדול, כלומר, להיות קטן כאשר הוכנס והופך גדול באתר היעד. שנית, בצד העיצוב, דפוס kirigami משמש כדי לקפל את צינורות הסתעפות לתוך צינור אחד עם קוטר קטן יותר. הטכניקות המוצגות ניתן להשתמש כדי להנדס מבנים שניתן לדחוס במהלך התחבורה ולחזור לצורה מיומנת פונקציונלית שלהם כאשר מופעל. למרות שעבודתנו מכוונת על סטנטים רפואיים, יש לפתור בעיות ביותאימות לפני שימוש קליני בפועל.
Introduction
סטנטים משמשים להרחבת מעברים או הקצצות בבני אדם, כגון כלי דם ונתיבי נשימה. סטנטים הם מבנים צינורי הדומים למעברים ולתמיכה מכנית במעברים מקריסה נוספת. בדרך כלל, סטנטים מתכתיים בעלי התרחבות עצמית (SEMS) מאומצים באופן נרחב. סטנטים אלה עשויים מסגסוגות מורכבות מקובלט כרום (פלדת אל-חלד) ומניקל-טיטניום (ניטינול)1,2. החיסרון של סטנטים מתכתיים הוא שנמק בלחץ יכול להתקיים במקום שבו חוטי המתכת של הסטנט מגיעים במגע עם הרקמות החיות והסטנטים מושפעים. יתר על כן, כלי הדם של הגוף יכול להיות בצורה אסימטרית והם הרבה יותר מורכבים מאשר מבנים הכרישים פשוטה. בפרט, ישנם הרבה הליכים קליניים מיוחדים כדי להתקין סטנטים בענף לומן. ב לומן בצורת Y, שני סטנטים גליליים מוכנסים בו זמנית ומחוברים בסניף3. עבור כל ענף נוסף, יש לנהל נוהל כירורגי נוסף. ההליך מצריך רופאים מאומנים במיוחד, וההכנסה מאתגרת מאוד בשל התכונות הבולטות של סטנטים הסוקנים.
מורכבות הצורה של סטנטים ביפורבית הופכת אותו ליעד מתאים מאוד להדפסה תלת ממדית. סטנטים קונבנציונליים מיוצרים בכמויות בגדלים ובצורות סטנדרטיות. באמצעות מתודולוגיה לייצור הדפסה תלת ממדית, ניתן להתאים אישית את צורת הסטנט לכל מטופל. מכיוון שצורות משמשות על-ידי הוספת שכבה-אחר-שכבה של הצורות הסקצריות של אובייקט היעד, בתאוריה, ניתן להשתמש בשיטה זו כדי להמציא חלקים מכל צורה וגודל. סטנטים קונבנציונליים בעיקר מגליתים בצורה. עם זאת, לכלי הדם יש ענפים, והקטרים משתנים לאורך הצינורות. באמצעות הגישה המוצעת, ניתן לאכלס את כל הווריאציות האלה בצורות ובגדלים. בנוסף, למרות שלא הפגינו, החומרים המשמשים גם יכול לשנות בתוך סטנט אחד. לדוגמה, אנו יכולים להשתמש בחומרי שימוש בחומרים מסוימים, היכן שהתמיכה נחוצה וחומרים רכים יותר בהם נדרשת גמישות רבה יותר.
הצורה משנה את הדרישה של שיחות סטנטים ביופורטיים להדפסת 4 ד, כלומר, הדפסה תלת-ממדית עם התחשבות נוספת בזמן. 3D מבנים מודפסים שנוצרו באמצעות חומרים מיוחדים ניתן לתכנת כדי לשנות את צורתם על ידי גירוי חיצוני, כגון חום. השינוי מתמשך בעצמו ואינו דורש מקורות כוח חיצוניים. אחד החומר המיוחד המתאים הדפסה 4d הוא smp4,5,6,7,8,9, אשר מציג אפקטים של זיכרון צורה כאשר נחשפים ל חומר ספציפי המפעיל טמפרטורה מעבר זכוכית. בטמפרטורה זו, המקטעים הופכים לרכים כך שהמבנה חוזר לצורתו המקורית. לאחר המבנה הוא 3D מודפס, הוא מחומם לטמפרטורה מעט מעל טמפרטורת המעבר זכוכית. בשלב זה המבנה הופך להיות רך, ואנו מסוגלים לגבש את הצורה על-ידי החלת כוחות. תוך שמירה על הכוחות המוחלים, המבנה מתקרר, הופך להיות מוקשח ושומר על צורתו המעוותת, גם לאחר הסרת הכוחות המוחלים. לאחר מכן, בשלב הסופי, כאשר המבנה צריך לחזור לצורתו המקורית, כגון הרגע שבו המבנה מגיע לאתר היעד, החום מסופק כך שהמבנה מגיע לטמפרטורת מעבר הזכוכית שלו. לבסוף, המבנה חוזר לצורתו המקורית בעלת הערך. איור 1 ממחיש את השלבים השונים שהוסברו בעבר. את smps ניתן למתוח בקלות, ויש כמה smps מתכלה ביולוגי9,10. ישנם שימושים רבים עבור smps בתחום הרפואה9,10, ו סטנטים11,12 הם אחד מהם.
דפוסי הסטנטים והעיצוב המתקפל עקבו אחר עיצוב הנייר היפני המכונה “kirigami”. תהליך זה דומה לטכניקת קיפול הנייר הידוע בשם “אוריגמי”, אך ההבדל הוא שבנוסף לקיפול, חיתוך הנייר מותר גם בעיצוב. טכניקה זו שימש באמנות גם הוחל ביישומים הנדסיים2,3,13,14. בקיצור, kirigami יכול לשמש כדי להפוך מבנה מישורי למבנה תלת מימדי על ידי החלת כוחות במקומות מעוצבים במיוחד. בדרישות העיצוב שלנו, סטנט צריך להיות צורה גליל פשוט כאשר הוכנס לתוך המסלולים, והצילינדר צריך להתחלק לאורך אורכו שבו כל חצי צריך להתפתח לצורה גליל מלא בכלי הספינה ממוקד. הפתרון טמון בעובדה שהספינה הראשית והענפים הצדדיים מקופלים לצילינדר אחד, כך שהענפים הצדדיים לא יפריעו לקירות כלי הקיבול בזמן ההוספה. אות הפקודה התגלגלות מגיע העלייה בטמפרטורת הסביבה מעל טמפרטורת המעבר זכוכית של SMP. בנוסף, הקיפול ייערך מחוץ לגוף המטופל על ידי ריכוך הסטנט המודפס התלת-ממדי וקיפול הענף הצדדי לתוך כלי הקיבול הראשי.
שיטות קונבנציונליות נדרשות להוספה של סטנטים גליליים מרובים שמספרם שווה למספר הענפים. שיטה זו הייתה בלתי נמנעת, משום שהבליטות של הענפים הצדדיים כללו את קירות המסלולים והפכו אותו לבלתי אפשרי להכניס סטנט מלא בשלמותו. באמצעות מבנה kirigami הדפסה 4D, הבעיות הנ ל ניתן לפתור. פרוטוקול זה מציג גם את ההדמיה של האפקטיביות של השיטה המוצעת באמצעות מודל כלי סיליקון מפוברק לאחר הצורה של כלי הדם. באמצעות זה מדגם-up, את האפקטיביות של ההמצאה המוצעת במהלך תהליך הכניסה ואפשרויות נוספות של יישומים חדשים ניתן לראות.
מטרת פרוטוקול זה היא לשרטט באופן ברור את השלבים המעורבים בהדפסת SMP באמצעות מדפסת מידול לתצהיר מחובר (FDM). בנוסף, טכניקות הכרוכות בביטול סטנטים הניתנים להדפסה מודפסים למדינה המקופלת, החדרת סטנטים מלאכותיים המקופלים לאתר היעד, והאיתות והתפתחות המבנה לצורתו המקורית מוענק בפרוטרוט. הפגנה של ההכנסה משתמשת בסיליקון מבוים של כלי דם. הפרוטוקול גם מספק את ההליכים המעורבים בדיית המודל הזה באמצעות מדפסת תלת-ממד ודפוס.
Protocol
Representative Results
Discussion
סטנטים משמשים לעתים קרובות כדי לנקות את המסלולים הפנימיים הסתומים כגון כלי הדם ונתיבי הנשימה של החולים. פעולה כירורגית של החדרת סטנטים דורשת שיקול קפדני של מחלת החולה ומאפיינים אנטומיים אנושיים. צורת הכלי מורכבת וקיימים תנאי הסתעפות מגוונים. עם זאת, הנהלים הסטנדרטיים סטנט מבוססים על סטנ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי המכון למידע & התכנון וההערכה של טכנולוגיית תקשורת (iitp) מענק ממומן על ידי ממשלת קוריאה (msit) (מס ‘ 2018-0-01290, פיתוח מערכת נתונים פתוחה וטכנולוגיית עיבוד קוגניטיבית ל הכרה בתכונות הנגזרות מבני אדם בלתי מובנים (שוטרים, קציני בטיחות תעבורה, הולכי רגל, וכו ‘) תנועות המשמשות מכוניות נהיגה עצמית) ואת מכון מחקר של מרכז המחקר (מענק) ממומן על ידי התמצית ב 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).
