Stent biforcati stampati in 4D con strutture ispirate a Kirigami
Summary
Utilizzando una stampante 3D, un filamento polimerico a memoria di forma viene estruso per formare una struttura tubolare ramificata. La struttura è modellata e modellata in modo tale che possa contrarsi in una forma compatta una volta piegata e poi tornare alla sua forma formata quando riscaldata.
Abstract
I vasi ramificati, tipicamente sotto forma di lettera “Y”, possono essere ristretti o bloccati, causando gravi problemi di salute. Gli stent biforcati, che sono vuoti all’interno e modellati all’esterno ai vasi ramificati, inseriti chirurgicamente all’interno dei vasi ramificati, fungono da struttura portante in modo che i fluidi corporei possano viaggiare liberamente attraverso l’interno degli stent senza ostruiti dai vascelli ristretti o bloccati. Affinché uno stent biforcato venga dispiegato nel sito di destinazione, deve essere iniettato all’interno della nave e viaggiare all’interno della nave per raggiungere il sito di destinazione. Il diametro del vaso è molto più piccolo della sfera di delimitazione dello stent biforcato; pertanto, è necessaria una tecnica in modo che lo stent biforcato rimanga abbastanza piccolo da viaggiare attraverso la nave e si espanda alla nave ramificata mirata. Queste due condizioni conflittuali, cioè abbastanza piccole da passare e abbastanza grandi da supportare strutturalmente passaggi ristretti, sono estremamente difficili da soddisfare contemporaneamente. Utilizziamo due tecniche per soddisfare i requisiti di cui sopra. In primo luogo, sul lato materiale, un polimero di memoria forma (SMP) viene utilizzato per auto-avviare i cambiamenti di forma da piccolo a grande, cioè essere piccolo quando inserito e diventare grande nel sito di destinazione. In secondo luogo, sul lato del design, viene utilizzato un modello di kirigami per piegare i tubi di ramificazione in un singolo tubo con un diametro più piccolo. Le tecniche presentate possono essere utilizzate per progettare strutture che possono essere compattate durante il trasporto e tornare alla loro forma funzionalmente abile quando attivate. Anche se il nostro lavoro è mirato su stent medici, problemi di biocompatibilità devono essere risolti prima dell’uso clinico effettivo.
Introduction
Gli stent sono utilizzati per allargare i passaggi ristretti o stenosi negli esseri umani, come i vasi sanguigni e le vie aeree. Gli stent sono strutture tubolari che assomigliano ai passaggi e supportano meccanicamente i passaggi da ulteriori crolli. Tipicamente, gli stent metallici auto-espandinti (SEMS) sono ampiamente adottati. Questi stent sono realizzati in leghe composte da cobalto-cromo (acciaio inossidabile) e nichel-titanio (nitinol)1,2. Lo svantaggio degli stent metallici è che la necrosi della pressione può esistere dove i fili metallici dello stent entrano in contatto con i tessuti vivi e gli stent sono influenzati. Inoltre, i vasi del corpo possono essere di forma irregolare e sono molto più complessi di semplici strutture tubolari. In particolare, ci sono molte procedure cliniche specializzate per installare stent in lumen ramificati. In un lumame a forma di Y, due stent cilindrici vengono inseriti contemporaneamente e uniti a un ramo3 . Per ogni ramo aggiuntivo, deve essere condotta una procedura chirurgica aggiuntiva. La procedura richiede medici appositamente formati, e l’inserimento è estremamente impegnativo a causa delle caratteristiche sporgenti degli stent ramificati.
La complessità della forma degli stent biforcati lo rende un obiettivo molto adatto per la stampa 3D. Gli stent convenzionali sono prodotti in serie in dimensioni e forme standardizzate. Utilizzando la metodologia di fabbricazione della stampa 3D, è possibile personalizzare la forma dello stent per ogni paziente. Poiché le forme vengono realizzate aggiungendo ripetutamente strato per livello delle forme di sezione dell’oggetto di destinazione, in teoria, questo metodo può essere utilizzato per fabbricare parti di qualsiasi forma e dimensione. Gli stent convenzionali sono per lo più di forma cilindrica. Tuttavia, i vasi umani hanno rami e i diametri cambiano lungo i tubi. Utilizzando l’approccio proposto, tutte queste variazioni di forme e dimensioni possono essere soddisfatte. Inoltre, anche se non dimostrato, i materiali usati possono anche cambiare all’interno di un singolo stent. Ad esempio, possiamo utilizzare materiali più rigidi dove è necessario il supporto e materiali più morbidi dove è necessaria una maggiore flessibilità.
Il requisito di cambiamento di forma degli stent biforcati richiede la stampa 4D, vale a dire la stampa 3D con l’ulteriore considerazione del tempo. Le strutture stampate in 3D formate utilizzando materiali specializzati possono essere programmate per cambiare la loro forma mediante una stimolazione esterna, come il calore. La trasformazione è autosufficiente e non richiede fonti di alimentazione esterne. Un materiale speciale adatto alla stampa 4D è un SMP4,5,6,7,8,9, che presenta effetti di memoria di forma quando esposto a un temperatura di transizione del vetro di attivazione specifica del materiale. A questa temperatura, i segmenti diventano morbidi in modo che la struttura ritorni alla sua forma originale. Dopo che la struttura è stampata in 3D, viene riscaldata a una temperatura leggermente superiore alla temperatura di transizione del vetro. A questo punto, la struttura diventa morbida e siamo in grado di deformare la forma applicando forze. Pur mantenendo le forze applicate, la struttura viene raffreddata, si indurisce e mantiene la sua forma deformata, anche dopo la rimozione delle forze applicate. Successivamente, nella fase finale, quando la struttura deve tornare alla sua forma originale, come nel momento in cui la struttura raggiunge il sito di destinazione, viene fornito calore in modo che la struttura raggiunga la sua temperatura di transizione del vetro. Infine, la struttura ritorna alla sua forma originale memorizzata. La figura 1 illustra le varie fasi illustrate in precedenza. Gli SMP possono essere facilmente allungati, e ci sono alcuni SMP che sono biocompatibili e biodegradabili9,10. Ci sono molti usi per Gli SMP nel campo della medicina9,10, e stents11,12 sono uno di loro.
I modelli degli stent e il design pieghevole seguono il disegno di taglio della carta giapponese chiamato “kirigami”. Questo processo assomiglia alla ben nota tecnica di piegatura della carta chiamata “origami”, ma la differenza è che oltre alla piegatura, il taglio della carta è consentito anche nel design. Questa tecnica è stata utilizzata nelle arti ed è stata applicata anche nelle applicazioni di ingegneria2,3,13,14. In breve, i kirigami possono essere utilizzati per trasformare una struttura planare in una struttura tridimensionale applicando forze in punti appositamente progettati. Nei nostri requisiti di progettazione, lo stent deve essere una semplice forma cilindrica quando inserito nei percorsi, e il cilindro dovrebbe dividersi lungo la sua lunghezza dove ogni metà dovrebbe dispiegarsi a una forma completamente cilindrica al vaso ramificato mirato. La soluzione sta nel fatto che il recipiente principale e i rami laterali sono piegati in un unico cilindro in modo che i rami laterali non interferiscano con le pareti dei vasi durante l’inserimento. Il segnale di comando di spiegamento deriva dall’aumento della temperatura ambiente al di sopra della temperatura di transizione del vetro del SMP. Inoltre, la piegatura sarà condotta al di fuori del corpo del paziente ammorbidendo lo stent biforcato stampato in 3D e piegando il ramo laterale nel recipiente principale.
I metodi convenzionali richiedevano l’inserimento di più stent cilindrici il cui numero è uguale al numero di rami. Questo metodo era inevitabile perché le sporche dei rami laterali ostacolavano le pareti dei sentieri e rendevano impossibile inserire uno stent biforcato completo nella sua interezza. Utilizzando la struttura kirigami e la stampa 4D, i problemi di cui sopra possono essere risolti. Questo protocollo mostra anche la visualizzazione dell’efficacia del metodo proposto utilizzando un modello di vaso di silicone fabbricato dopo la forma dei vasi sanguigni. Attraverso questo mock-up, si può vedere l’efficacia dell’invenzione proposta durante il processo di inserimento e ulteriori possibilità di nuove applicazioni.
Lo scopo di questo protocollo è quello di delineare chiaramente i passaggi necessari per stampare un SMP utilizzando una stampante FDM (FDM, Deposition Modeling) fusa. Inoltre, le tecniche coinvolte nella deformazione degli stent biforcati stampati allo stato piegato, l’inserimento degli stent biforcati piegati al sito di destinazione e la segnalazione e lo svolgimento della struttura alla sua forma originale sono dati in dettaglio. La dimostrazione dell’inserimento utilizza un mock-up in silicone dei vasi sanguigni. Il protocollo fornisce anche le procedure necessarie per fabbricare questo mock-up utilizzando una stampante 3D e lo stampaggio.
Protocol
Representative Results
Discussion
Gli stent sono spesso utilizzati per eliminare le vie interne intasate come i vasi sanguigni e le vie aeree dei pazienti. Il funzionamento chirurgico degli stent di inserimento richiede un’attenta considerazione della malattia del paziente e delle caratteristiche anatomiche umane. La forma della nave è complessa e esistono diverse condizioni di ramificazione. Tuttavia, le procedure operative standard dello stent si basano su stent prodotti in serie con dimensioni standard. In questo protocollo, abbiamo mostrato come per…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo lavoro è stato sostenuto dalla sovvenzione IInstitute of Information & Communications Technology Planning and Evaluation (IITP) finanziata dal governo coreano (MSIT) (n. 2018-0-01290, lo sviluppo di un set di dati aperto e la tecnologia di elaborazione cognitiva per riconoscimento delle caratteristiche derivate da esseri umani non strutturati (ufficiali di polizia, agenti di sicurezza stradale, pedoni, ecc.) movimenti utilizzati nelle auto a guida autonoma) e la sovvenzione GIST Research Institute (GRI) finanziata dal GIST nel 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).
