4D tryckta Bifurcated Stents med kirigami-inspirerade strukturer
Summary
Med hjälp av en 3D-skrivare, en form minne polymer glödtråden extruderad för att bilda en grenad tubulär struktur. Konstruktionen är mönstrad och formad så att den kan ingå i en kompakt form när den är hopfälld och sedan återgå till sin bildade form när den värms upp.
Abstract
Förgrenade fartyg, vanligtvis i form av bokstaven “Y,” kan begränsas eller blockeras, vilket resulterar i allvarliga hälsoproblem. Bifurcated stent, som är ihåliga i det inre och utvärtes formad till förgrenade fartyg, kirurgiskt införas inne i förgrenade fartyg, fungera som en stödjande struktur så att kroppsvätskor kan fritt resa genom det inre av stent utan hindras av de trånga eller blockerade fartygen. För en tvåspetsnitar stent som ska sättas in på målplatsen, det måste injiceras inne i kärlet och resa inom fartyget för att nå målplatsen. Fartygets diameter är mycket mindre än den avgränsande sfär av tvåspetsnitar stent; Således krävs en teknik så att den tvåspetsnitar stent är tillräckligt liten för att resa genom fartyget och expanderar på riktade förgrenade fartyget. Dessa två motstridiga villkor, som är tillräckligt små för att passera och tillräckligt stora för att strukturellt stödja trånga passager, är oerhört svårt att tillfredsställa samtidigt. Vi använder två tekniker för att uppfylla ovanstående krav. Först på den materiella sidan, en form minne polymer (SMP) används för att själv initiera formförändringar från små till stora, det vill, är små när de sätts in och blir stora på målplatsen. För det andra, på design sidan, ett kirigami mönster används för att vika förgrenade rören i ett enda rör med en mindre diameter. De presenterade teknikerna kan användas för att konstruera strukturer som kan packas under transporten och återgå till sin funktionellt skickliga form när den aktiveras. Även om vårt arbete är inriktat på medicinska stent, biokompatibilitet frågor måste lösas innan faktisk klinisk användning.
Introduction
Stents används för att vidga trånga eller genom passager i människor, såsom blodkärl och luftvägarna. Stents är rörformiga strukturer som liknar passager och mekaniskt stödja passager från ytterligare kollapsande. Typiskt, självexpanderande metall stent (SEMS) är allmänt antagna. Dessa stent är tillverkade av legeringar som består av kobolt-krom (rostfrittstål) och nickel-Titan (nitinol)1,2. Nackdelen med metall stent är att trycknekros kan existera där metalltrådar av stent kommer i kontakt med levande vävnader och stent påverkas. Dessutom kan kärlen i kroppen vara oregelbundet formade och är mycket mer komplexa än enkla tubulära strukturer. I synnerhet, det finns många specialiserade kliniska procedurer för att installera stent i Grenade lumen. I en Y-formad lumen, två cylindriska stent sätts samtidigt och sammanfogas på en gren3. För varje ytterligare gren måste ytterligare ett kirurgiskt ingrepp utföras. Förfarandet kräver specialutbildade läkare, och införandet är extremt utmanande på grund av de utskjutande dragen i de förgrenade Stents.
Komplexiteten i formen av tvåspetsnitar stent gör det ett mycket lämpligt mål för 3D-utskrifter. Konventionella stent är massproducerade i standardiserade storlekar och former. Med hjälp av 3D-Printing Fabrication metodik, är det möjligt att anpassa formen på stent för varje patient. Eftersom former görs genom att upprepade gånger lägga lager-för-lager av de sektions former av målobjektet, i teorin, kan denna metod användas för att tillverka delar av någon form och storlek. Konventionella stent är mestadels cylindriska i form. Men, mänskliga fartyg har grenar, och diametrarna förändras längs rören. Med den föreslagna metoden kan alla dessa variationer i former och storlekar tillgodoses. Dessutom, även om inte visat, de använda materialen kan också förändras inom en enda stent. Vi kan till exempel använda styvare material där det behövs stöd och mjukare material där det krävs mer flexibilitet.
Den form föränderliga krav på tvåspetsnitar stent kräver 4D utskrift, nämligen 3D-utskrifter med ytterligare övervägande av tid. 3D tryckta strukturer som bildas med hjälp av specialiserade material kan programmeras att ändra sin form genom en extern stimulering, såsom värme. Omvandlingen är självförsörjande och kräver inga externa strömkällor. Ett speciellt material som lämpar sig för 4D-utskrifter är ettSMP4,5,6,7,8,9, som uppvisar form minneseffekter när de utsätts för material-specifik utlösande glasövergångstemperatur. Vid denna temperatur blir segmenten mjuka så att strukturen återgår till sin ursprungliga form. Efter att strukturen är 3D tryckt, värms den till en temperatur något över glas övergångstemperaturen. På denna punkt blir strukturen mjuk, och vi kan deformera formen genom att tillämpa krafter. Samtidigt bibehålla de tillämpade krafterna, är strukturen svalnat, blir härdad och behåller sin deformerade form, även efter de tillämpade krafterna avlägsnas. Därefter, i slutskedet, när strukturen måste återgå till sin ursprungliga form, såsom den tidpunkt då strukturen når målplatsen, värme levereras så att strukturen når sin glasövergångstemperatur. Slutligen återgår strukturen till dess memorerade ursprungliga form. Figur 1 illustrerar de olika etapperna som tidigare förklarats. SMPs kan lätt sträckas, och det finns några SMPs som är biokompatibla och biologiskt nedbrytbara9,10. Det finns många användningsområden för SMPs i området medicin9,10, och stent11,12 är en av dem.
Mönstren för stent och Folding design följa den japanska papper skärande design kallas “kirigami.” Denna process liknar den välkända pappersvikning teknik som kallas “origami,” men skillnaden är att förutom att vika, skärning av papper är också tillåtet i konstruktionen. Denna teknik har använts i konst och har också tillämpats i tekniska tillämpningar2,3,13,14. Kort sagt, kan kirigami användas för att omvandla en planar struktur till en tredimensionell struktur genom att tillämpa styrkor på särskilt utformade fläckar. I våra konstruktionskrav måste stenten vara en enkel cylindrisk form när den sätts in i banorna, och cylindern bör dela sig längs dess längd där varje halva ska utvecklas till en helt cylindrisk form vid det riktade förgrenade kärlet. Lösningen ligger i det faktum att de viktigaste fartyget och sido grenarna viks in i en enda cylinder så att sido grenarna inte kommer att störa väggarna i kärlen under införandet. Den utfällbara kommando signalen kommer från ökningen av omgivningstemperaturen över SMP-glasets övergångstemperatur. Dessutom kommer vikningen utföras utanför patientens kropp genom att mjuka upp 3D tryckta tvåspetsnitar stent och vika sidan grenen i huvudkärlet.
Konventionella metoder krävde införandet av flera cylindriska stent vars antal motsvarar antalet grenar. Denna metod var oundviklig eftersom den utskjutande delen av sidan grenar hämmade väggarna i vägarna och gjorde det omöjligt att föra in en komplett tvåspetsnitar stent i sin helhet. Med hjälp av kirigami struktur och 4D utskrift kan ovanstående problem lösas. Detta protokoll visar också visualisering av effektiviteten i den föreslagna metoden med hjälp av en modell av silikon fartyg fabricerade efter formen av blodkärlen. Genom denna mock-up, effektiviteten av den föreslagna uppfinningen under insättningsprocessen och ytterligare möjligheter till nya tillämpningar kan ses.
Syftet med detta protokoll är att tydligt beskriva de steg som krävs för att skriva ut ett SMP med hjälp av en FDM-skrivare (smält deposition Modeling). Dessutom, tekniker som deltar i deformering den tryckta tvåspetsnitar stent till vikta tillstånd, införandet av vikta tvåspetsnitar stent till målet platsen, och signalering och utfällning av strukturen till sin ursprungliga form ges i detalj. Demonstrationen av införandet utnyttjar en silikon mock-up av blodkärl. Protokollet ger också de förfaranden som är inblandade i fabricera denna modell med hjälp av en 3D-skrivare och gjutning.
Protocol
Representative Results
Discussion
Stent används ofta för att rensa de igensatta inre vägar såsom blodkärlen och luftvägarna hos patienter. Kirurgisk drift av insättande stent kräver noggrann bedömning av patientens sjukdom och mänskliga anatomiska egenskaper. Fartygets form är komplicerad och det finns olika förgrenade förhållanden. Standard stent operativa procedurer är dock baserade på massproducerade stent med standardstorlekar. I detta protokoll, vi visade hur man personligen skräddarsy tillverkningen av stent baserat på exakt geome…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av Institute of information & kommunikationsteknik planering och utvärdering (IITP) bidrag som finansieras av den koreanska regeringen (MSIT) (nr 2018-0-01290, utvecklingen av en öppen dataset och kognitiv bearbetningsteknik för erkännande av funktioner som härrör från ostrukturerade människor (poliser, trafiksäkerhets officerare, fotgängare, etc.) rörelser som används i självkörande bilar) och GIST Research Institute (GRI) bidrag finansieras av GIST 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).
