4D 打印分叉支架与基里加米启发结构
Summary
使用 3D 打印机,将形状记忆聚合物灯丝拉伸成分支管状结构。结构是图案和形状的,这样一旦折叠,它可以收缩成紧凑的形式,然后在加热时返回到其形成的形状。
Abstract
分支容器,通常以字母”Y”的形式,可以缩小或阻塞,导致严重的健康问题。分叉支架,在内侧和外部形状为空心的分支血管,手术插入分支血管内,作为支撑结构,使体液可以自由通过支架的内部,而无需被狭窄或阻塞的船只阻塞。要在目标地点部署分叉支架,需要将其注入船只内部,并在船只内行驶才能到达目标地点。容器的直径比分叉支架的边界球小得多;因此,需要一种技术,使分叉支架保持足够小,以穿过容器并扩展到目标分支容器。这两个相互矛盾的条件,即小到足以通过,大到足以结构支持狭窄的通道,是极其困难的满足同时。我们使用两种技术来满足上述要求。首先,在材料方面,形状记忆聚合物 (SMP) 用于自启动形状从小到大的变化,即插入时变小,在目标站点变大。其次,在设计方面,使用 kirigami 图案将分支管折叠成直径较小的单个管。所展示的技术可用于设计可在运输过程中压缩的结构,并在激活时恢复到功能熟练的形状。虽然我们的工作以医疗支架为目标,但生物相容性问题在实际临床使用之前需要解决。
Introduction
支架用于拓宽人类的狭窄通道或带支架的通道,如血管和气道。支架是类似通道的管状结构,机械地支撑通道的进一步坍塌。通常,自膨胀金属支架 (SEMS) 被广泛采用。这些支架由由钴铬(不锈钢)和镍(硝醇)1、2组成的合金制成。金属支架的缺点是,当支架的金属导线与活组织接触并影响支架时,可能存在压力坏死。此外,身体的血管可以不规则的形状,比简单的管状结构复杂得多。特别是,有许多专门的临床程序,以安装支架在分支流明。在 Y 形流明中,两个圆柱形支架同时插入并连接在分支3处。对于每个额外的分支,需要进行额外的外科手术。手术需要经过专门培训的医生,由于分枝支架的突出特征,插入极具挑战性。
分叉支架形状的复杂性使其成为 3D 打印的非常合适的目标。传统的支架以标准化尺寸和形状大规模生产。使用 3D 打印制造方法,可以为每个患者自定义支架的形状。由于形状是通过逐层添加目标对象的截面形状来制作的,因此从理论上讲,此方法可用于制造任何形状和大小的零件。传统的支架大多是圆柱形的。然而,人类血管有分支,直径沿管变化。使用建议的方法,可以适应所有形状和尺寸的变化。此外,虽然没有演示,使用的材料也可以在一个单一的支架内变化。例如,我们可以在需要支持的地方使用更硬的材料,在需要更大的灵活性时使用更柔软的材料。
分叉支架的形状变化要求4D打印,即3D打印与时间的额外考虑。使用专用材料形成的 3D 打印结构可以通过外部刺激(如热量)来改变形状。转换是自我维持的,不需要外部电源。一种适合 4D 打印的特殊材料是 SMP4、5、6、7、8、9,它暴露在材料特定的触发玻璃过渡温度。在此温度下,线段变软,使结构返回到其原始形状。结构进行 3D 打印后,将其加热到略高于玻璃过渡温度的温度。此时,结构变得柔软,我们能够通过施加力来变形形状。在保持施加力的同时,结构会冷却、硬化并保持其变形形状,即使在应用力被移除后也是如此。随后,在最后阶段,当结构需要恢复到其原始形状时,例如结构到达目标地点的时刻,提供热量,使结构达到其玻璃过渡温度。最后,结构返回到其记忆的原始形状。图 1说明了前面解释的各个阶段。SM可以很容易地拉伸,并且有一些SM是生物相容性和可生物降解的9,10。在医学9、10和支架11、12是其中一种,SM在医学领域有许多用途。
支架的图案和折叠设计遵循日本剪纸设计称为”kirigami”。这个过程类似于著名的折纸技术称为”折纸”,但不同的是,除了折叠,在设计中还允许切割纸张。这项技术已应用于艺术,并已应用于工程应用2,3,13,14。简而言之,kirigami 可用于通过在专门设计的点处施加力将平面结构转换为三维结构。在我们的设计要求中,支架在插入通路时需要是一个简单的圆柱形,圆柱体应沿其长度进行分割,每半形状应在目标分支容器处展开为完全圆柱形。解决办法在于,主容器和侧分支折叠成一个圆柱体,使侧分支在插入过程中不会干扰容器的壁。展开的命令信号来自环境温度高于 SMP 玻璃过渡温度的增加。此外,通过软化3D打印的分叉支架和将侧分支折叠到主容器中,在患者身体外进行折叠。
传统方法要求插入多个圆柱形支架,其数量等于分支数。这种方法是不可避免的,因为侧枝的突起阻碍了路径的墙壁,使得不可能完全插入一个完全的分叉支架。使用 kirigami 结构和 4D 打印,可以解决上述问题。该协议还显示了使用血管形状后制造的硅胶容器模型对所建议方法有效性的可视化。通过这个模型,可以看到建议的发明在插入过程中的有效性以及新应用的进一步可能性。
此协议的目的是清楚地概述使用熔融沉积建模 (FDM) 打印机打印 SMP 所涉及的步骤。此外,还详细介绍了将打印的分叉支架变形到折叠状态、将折叠的分叉支架插入目标部位以及结构向原始形状展开的信号和展开的技术。插入的演示利用血管的硅胶模型。该协议还提供了使用 3D 打印机和成型来制造此模型所涉及的过程。
Protocol
Representative Results
Discussion
支架通常用于清除阻塞的内部通路,如患者的血管和气道。插入支架的外科手术需要仔细考虑患者的病情和人体解剖学特征。容器的形状复杂,存在不同的分支条件。然而,标准支架操作程序基于标准尺寸的大规模生产支架。在此协议中,我们展示了如何根据血管的精确几何形状亲自定制支架的制造。在此过程中,我们设计了支架,使内部被空心,表面管状网将折叠,并在激活时返回到完全展开的配置。我?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
这项工作得到了由韩国政府资助的信息与通信技术规划和评估研究所(IITP)赠款的支持(No.2018-0-01290),为识别自驾汽车中使用的非结构化人类(警察、交通安全人员、行人等)运动以及 GIST 研究所 (GRI) 2019 年资助的资助功能。
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 |
Riferimenti
- 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).
