o 4D imprimiu stents bifurcated com estruturas Kirigami-inspiradas
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
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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