키리가미에서 영감을 받은 구조의 4D 인쇄 된 분기식 스텐트
Summary
3D 프린터를 사용하여 형상 메모리 폴리머 필라멘트가 압출되어 분기형 관 구조를 형성합니다. 구조는 한 번 접힌 후 가열 할 때 형성 된 모양으로 돌아갈 수 있도록 패턴화되고 모양이 됩니다.
Abstract
일반적으로 “Y”라는 문자의 형태로 분기된 혈관은 좁히거나 차단되어 심각한 건강 문제를 초래할 수 있습니다. 분지 된 용기 내부에 외과 적으로 삽입 된 분지 용기에 속히 비어 있고 외부 모양인 분기 된 스텐트는 체액이 없이 스텐트 내부를 자유롭게 통과 할 수 있도록 지지 구조역할을합니다. 좁아지거나 막힌 선박에 의해 방해를 받고 있습니다. 분기된 스텐트가 대상 부위에 배치되려면 선박 내부에 주입하여 대상 부위에 도달하기 위해 선박 내부로 이동해야 합니다. 용기의 직경은 분기 된 스텐트의 경계 구보다 훨씬 작습니다. 따라서 분기된 스텐트가 혈관을 통과할 수 있을 만큼 작게 유지되고 표적 분지에서 확장되도록 기술이 필요합니다. 이 두 가지 상충되는 조건, 즉 통과할 수 있을 만큼 작고 좁은 통로를 구조적으로 지지할 수 있을 만큼 충분히 크며, 동시에 만족시키기가 매우 어렵다. 우리는 위의 요구 사항을 충족하기 위해 두 가지 기술을 사용합니다. 첫째, 재료 측에서 형상 메모리 폴리머(SMP)는 작은 것에서 큰 형상 변화, 즉 삽입시 작아지고 대상 부위에 커지는 것을 스스로 개시하는 데 사용된다. 둘째, 디자인 측면에서, 키리가미 패턴은 작은 직경단일 튜브로 분기 튜브를 접는 데 사용됩니다. 제시된 기술은 운송 중에 압축할 수 있는 구조를 설계하고 활성화될 때 기능적으로 숙련된 모양으로 돌아갈 수 있습니다. 우리의 일은 의학 스텐트를 표적으로 하고 있더라도, 생체 적합성 문제는 실제 적인 임상 사용의 앞에 해결될 필요가 있습니다.
Introduction
스텐트는 혈관 및 기도와 같은 인간에 있는 좁아지거나 협착한 통로를 넓히기 위하여 이용됩니다. 스텐트는 통로를 닮은 관 구조이며 기계적으로 더 붕괴되는 통로를 지원합니다. 일반적으로 자가 팽창 금속 스텐트(SEMS)가 널리 채택됩니다. 이 스텐트는 코발트 크롬 (스테인레스 스틸)과 니켈 티타늄 (니티놀)1,2로구성된 합금으로 만들어집니다. 금속 스텐트의 단점은 스텐트의 금속 와이어가 살아있는 조직과 접촉하고 스텐트가 영향을 받는 압력 괴사가 존재할 수 있다는 것입니다. 또한 신체의 혈관은 불규칙하게 형성 될 수 있으며 단순한 관 구조보다 훨씬 복잡합니다. 특히, 분지 루멘에 스텐트를 설치하는 많은 전문 임상 절차가 있습니다. Y자형 루멘에서는 두 개의 원통형 스텐트가 동시에 삽입되어 가지3에 결합됩니다. 각 추가 지점에 대해 추가 수술이 수행되어야합니다. 절차는 특별히 훈련된 닥터를 요구하고, 삽입은 분지 된 스텐트의 돌출기능 때문에 극단적으로 도전적입니다.
분기된 스텐트의 모양이 복잡하기 때문에 3D 프린팅에 매우 적합한 대상이 됩니다. 기존의 스텐트는 표준화된 크기와 모양으로 대량 생산됩니다. 3D 프린팅 제작 방법론을 사용하여 각 환자에 대한 스텐트의 형상을 사용자 정의할 수 있습니다. 셰이프는 대상 오브젝트의 단면 셰이프의 레이어별 레이어를 반복적으로 추가하여 만들어지기 때문에 이론적으로 이 방법을 사용하여 모든 모양과 크기의 일부를 제작할 수 있습니다. 종래의 스텐트는 대부분 원통형입니다. 그러나 인간 혈관에는 가지가 있으며 튜브를 따라 직경이 변경됩니다. 제안된 접근 방식을 사용하여 이러한 모양과 크기의 모든 변형을 수용할 수 있습니다. 또한 입증되지는 않았지만 사용된 재료는 단일 스텐트 내에서도 변경될 수 있습니다. 예를 들어, 지원이 필요한 경우 더 단단한 재료와 더 많은 유연성이 필요한 부드러운 재료를 사용할 수 있습니다.
분기된 스텐트의 모양 변경 요구 사항은 4D 프린팅, 즉 시간을 고려하여 3D 프린팅을 요구합니다. 특수 재료를 사용하여 형성된 3D 프린팅 구조는 열과 같은 외부 자극에 의해 모양을 변경하도록 프로그래밍할 수 있습니다. 변환은 자체 유지되며 외부 전원이 필요하지 않습니다. 4D 프린팅에 적합한 특수 소재는 SMP4,5,6,7,8,9로, 노출시 형상 기억 효과를 나타낸다. 재료별 트리거링 유리 전이 온도. 이 온도에서는 세그먼트가 부드러워지므로 구조가 원래 모양으로 돌아갑니다. 구조가 3D 인쇄 된 후, 유리 전이 온도보다 약간 높은 온도로 가열된다. 이 시점에서 구조가 부드러워지고 힘을 가하여 모양을 변형할 수 있습니다. 적용된 힘을 유지하면서 구조물이 냉각되고 경화되고 적용된 힘이 제거된 후에도 변형된 모양을 유지합니다. 그 후, 최종 단계에서 구조가 목표 부위에 도달하는 순간과 같은 원래의 형상으로 돌아가야 할 때, 구조가 유리 전이 온도에 도달하도록 열이 공급됩니다. 마지막으로, 구조는 암기 된 원래 모양으로 돌아갑니다. 그림 1은 이전에 설명한 다양한 단계를 보여 줍니다. SMP는 쉽게 뻗을 수 있으며 생체 적합성 및 생분해성9,10인 일부 SMP가 있습니다. 의학 분야에서 SMP에 대한 많은 용도가 있습니다9,10, 스텐트11,12 그들 중 하나입니다.
스텐트의 패턴과 접이식 디자인은 “키리가미”라고 불리는 일본의 종이 절단 디자인을 따릅니다. 이 과정은 “종이 접기”라는 잘 알려진 종이 접기 기술과 유사하지만 차이점은 접는 것 외에도 종이절단도 설계에 허용된다는 것입니다. 이 기술은 예술에 사용되어 왔으며 엔지니어링 응용프로그램 2,3,13,14에도적용되었습니다. 요컨대, 키리가미는 특별히 설계된 지점에 힘을 가하여 평면 구조를 3차원 구조로 변환하는 데 사용할 수 있습니다. 설계 요구 사항에서 스텐트는 통로에 삽입할 때 단순한 원통형 형상이어야 하며, 실린더는 각 절반이 대상 분기 용기에서 완전히 원통형 모양으로 펼쳐져야 하는 길이를 따라 분할되어야 합니다. 해결책은 메인 용기와 측면 가지가 단일 실린더로 접혀 서 측면 가지가 삽입 중에 용기의 벽을 방해하지 않는다는 사실에 있습니다. 전개 명령 신호는 SMP의 유리 전이 온도 보다 더 높은 주변 온도의 증가에서 비롯됩니다. 또한, 접는 3D 인쇄 된 분기 스텐트를 부드럽게하고 측면 분기를 메인 용기로 접음하여 환자 몸 밖에서 수행됩니다.
기존의 방법은 여러 원통형 스텐트의 삽입이 필요했는데, 그 수는 가지 수와 같습니다. 이 방법은 측면 가지의 돌출부가 통로의 벽을 방해하고 전체 분기 된 스텐트를 완전히 삽입하는 것이 불가능했기 때문에 불가피했습니다. 키리가미 구조와 4D 프린팅을 사용하여 위의 문제를 해결할 수 있습니다. 이 프로토콜은 또한 혈관의 형상 이후에 제조된 실리콘 혈관 모델을 사용하여 제안된 방법의 효과의 시각화를 나타낸다. 이러한 모형을 통해, 삽입 과정 동안 제안된 발명의 효과및 새로운 응용의 추가 가능성을 볼 수 있다.
이 프로토콜의 목적은 FDM(융합 증착 모델링) 프린터를 사용하여 SMP 인쇄와 관련된 단계를 명확하게 설명하는 것입니다. 또한 인쇄된 분기스텐트를 접힌 상태로 변형시키고, 접힌 분기스텐트를 대상 부위에 삽입하고, 구조물을 원래 모양으로 신호 및 전개하는 데 관련된 기술이 자세히 설명되어 있습니다. 삽입의 데모는 혈관의 실리콘 모형을 이용합니다. 또한 이 프로토콜은 3D 프린터 및 성형을 사용하여 이 모형을 제작하는 절차도 제공합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
스텐트는 종종 환자의 혈관 및 기도와 같은 막힌 내부 통로를 지우는 데 사용됩니다. 스텐트를 삽입하는 외과 적 수술은 환자의 질병과 인간의 해부학적 특성을 신중하게 고려해야합니다. 용기의 모양은 복잡하고 다양한 분기 조건이 존재합니다. 그러나 표준 스텐트 작동 절차는 표준 크기의 대량 생산 스텐트를 기반으로 합니다. 이 프로토콜에서는 혈관의 정확한 기하학에 따라 스텐트의 제작을…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
이 작품은 한국 정부(MSIT)가 지원하는 정보통신기술기획평가연구소(IITP) 보조금(2018-0-01290, 개방형 데이터세트 및 인지처리 기술 개발)에 의해 지원되었다. 자율 주행 자동차에 사용되는 비정형 인간(경찰관, 교통 안전 요원, 보행자 등)과 GIST 연구소(GRI) 보조금으로 2019년 GIST가 지원한 기능을 인정합니다.
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 |
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