4D gedruckt bifurcated Stents mit Kirigami-inspirierten Strukturen
Summary
Mit einem 3D-Drucker wird ein Formgedächtnis-Polymer-Filament zu einer verzweigten röhrenförmigen Struktur extrudiert. Die Struktur ist so gemustert und geformt, dass sie sich nach dem Falten zu einer kompakten Form zusammenziehen und dann beim Erhitzen zu ihrer geformten Form zurückkehren kann.
Abstract
Verzweigte Gefäße, typischerweise in Form des Buchstabens “Y”, können eingeengt oder blockiert werden, was zu ernsthaften gesundheitlichen Problemen führt. Bifurcated Stents, die innen hohl und nach außen zu den verzweigten Gefäßen geformt sind, chirurgisch in die verzweigten Gefäße eingesetzt, fungieren als Tragendestruktur, so dass Körperflüssigkeiten frei durch das Innere der Stents ohne durch die verengten oder blockierten Schiffe behindert werden. Damit ein zweifarbiger Stent am Zielort eingesetzt werden kann, muss er in das Innere des Schiffes injiziert werden und innerhalb des Schiffes reisen, um den Zielstandort zu erreichen. Der Durchmesser des Gefäßes ist viel kleiner als die Begrenzungskugel des zweifarbigen Stents; Daher ist eine Technik erforderlich, damit der bifurcated Stent klein genug bleibt, um durch das Schiff zu reisen und sich auf das zielgerichtete verzweigte Schiff ausdehnt. Diese beiden widersprüchlichen Bedingungen, d. h. klein genug, um durchzugehen und groß genug, um verengte Passagen strukturell zu stützen, sind äußerst schwer gleichzeitig zu erfüllen. Wir verwenden zwei Techniken, um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen. Zunächst wird auf der Materialseite ein Formgedächtnispolymer (SMP) verwendet, um Formänderungen von klein nach groß, d. h. klein zu initiieren, wenn sie eingefügt werden und am Zielstandort groß werden. Zweitens wird auf der Konstruktionsseite ein Kirigami-Muster verwendet, um die Verzweigungsrohre in ein einzelnes Rohr mit einem kleineren Durchmesser zu falten. Die vorgestellten Techniken können verwendet werden, um Strukturen zu konstruieren, die während des Transports verdichtet werden können und bei Aktivierung wieder in ihre funktional versierte Form zurückkehren können. Obwohl unsere Arbeit auf medizinische Stents ausgerichtet ist, müssen Biokompatibilitätsprobleme vor der tatsächlichen klinischen Anwendung gelöst werden.
Introduction
Stents werden verwendet, um verengte oder stenosed Passagen beim Menschen zu verbreitern, wie Blutgefäße und Atemwege. Stents sind röhrenförmige Strukturen, die den Passagen ähneln und die Passagen mechanisch vor dem weiteren Einstürzen stützen. Typischerweise sind selbstausdehnende Metallstents (SEMS) weit verbreitet. Diese Stents bestehen aus Legierungen aus Kobaltchrom (Edelstahl) und Nickel-Titan (Nitinol)1,2. Der Nachteil von Metallstents ist, dass Drucknekrose bestehen kann, wenn die Metalldrähte des Stents mit den lebenden Geweben in Kontakt kommen und die Stents betroffen sind. Darüber hinaus können die Gefäße des Körpers unregelmäßig geformt sein und sind viel komplexer als einfache röhrenförmige Strukturen. Insbesondere gibt es viele spezialisierte klinische Verfahren, um Stents in verzweigten Lumen zu installieren. In einem Y-förmigen Lumen werden zwei zylindrische Stents gleichzeitig eingesetzt und an einem Ast3verbunden. Für jeden weiteren Zweig muss ein zusätzlicher chirurgischer Eingriff durchgeführt werden. Das Verfahren erfordert speziell ausgebildete Ärzte, und das Einführen ist aufgrund der hervorstehenden Eigenschaften der verzweigten Stents äußerst anspruchsvoll.
Die Komplexität der Form von bifurcated Stents macht es zu einem sehr geeigneten Ziel für den 3D-Druck. Herkömmliche Stents werden in standardisierten Größen und Formen in Massen hergestellt. Mit Der 3D-Druckfertigungsmethode ist es möglich, die Form des Stents für jeden Patienten anzupassen. Da Shapes durch wiederholtes Hinzufügen von Layer-für-Layer der Schnittformen des Zielobjekts erstellt werden, kann diese Methode theoretisch verwendet werden, um Teile jeder Form und Größe zu erstellen. Herkömmliche Stents sind meist zylindrisch geformt. Menschliche Gefäße haben jedoch Zweige, und die Durchmesser ändern sich entlang der Rohre. Mit dem vorgeschlagenen Ansatz können all diese Variationen in Form und Größe berücksichtigt werden. Darüber hinaus können sich die verwendeten Materialien, auch wenn sie nicht nachgewiesen werden, innerhalb eines einzigen Stents ändern. Beispielsweise können wir steifere Materialien verwenden, bei denen Unterstützung benötigt wird, und weichere Materialien, wo mehr Flexibilität erforderlich ist.
Die Formänderungsanforderung von bifurcated Stents erfordert den 4D-Druck, nämlich den 3D-Druck unter Berücksichtigung der Zeit. 3D-gedruckte Strukturen, die mit speziellen Materialien geformt wurden, können so programmiert werden, dass sie ihre Form durch eine externe Stimulation, wie z. B. Wärme, ändern. Die Transformation ist selbsttragend und erfordert keine externen Energiequellen. Ein spezielles Material, das für den 4D-Druck geeignet ist, ist ein SMP4,5,6,7,8,9, das Formgedächtniseffekte aufweist, wenn materialspezifische auslöseglasübergangstemperatur. Bei dieser Temperatur werden die Segmente weich, so dass die Struktur wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt. Nachdem die Struktur 3D gedruckt wurde, wird sie auf eine Temperatur etwas über der Glasübergangstemperatur erhitzt. An diesem Punkt wird die Struktur weich, und wir sind in der Lage, die Form durch die Anwendung von Kräften zu verformen. Unter Beibehaltung der eingesetzten Kräfte wird die Struktur abgekühlt, verhärtet und behält ihre verformte Form, auch wenn die angewendeten Kräfte entfernt wurden. In der Endphase, in der die Struktur zu ihrer ursprünglichen Form zurückkehren muss, z. B. dem Moment, in dem die Struktur den Zielort erreicht, wird die Wärme zugeführt, so dass die Struktur ihre Glasübergangstemperatur erreicht. Schließlich kehrt die Struktur zu ihrer auswendig gelernten ursprünglichen Form zurück. Abbildung 1 zeigt die verschiedenen zuvor erläuterten Phasen. Die SMPs können leicht gedehnt werden, und es gibt einige SMPs, die biokompatibel und biologisch abbaubarsind 9,10. Es gibt viele Anwendungen für SMPs im Bereich der Medizin9,10, und Stents11,12 sind einer von ihnen.
Die Muster der Stents und das Faltdesign folgen dem japanischen Papierschnittdesign namens “kirigami”. Dieser Prozess ähnelt der bekannten Papierfalttechnik namens “Origami”, aber der Unterschied ist, dass neben dem Falten auch das Schneiden des Papiers im Design erlaubt ist. Diese Technik wurde in der Kunst verwendet und wurde auch in technischen Anwendungen2,3,13,14angewendet. Kurz gesagt, Kirigami kann verwendet werden, um eine planare Struktur in eine dreidimensionale Struktur zu transformieren, indem Kräfte an speziell entworfenen Stellen angewendet werden. In unseren Konstruktionsanforderungen muss der Stent eine einfache zylindrische Form sein, wenn er in die Bahnen eingeführt wird, und der Zylinder sollte sich entlang seiner Länge teilen, wobei sich jede Hälfte auf eine vollständig zylindrische Form am gezielt enderverzweigten Gefäß entfalten sollte. Die Lösung liegt darin, dass das Hauptgefäß und die Seitenäste in einen zylindergefaltet werden, so dass die Seitenäste während des Einsetzens nicht mit den Wänden der Gefäße stören. Das sich entfaltende Befehlssignal kommt von der Erhöhung der Umgebungstemperatur über der Glasübergangstemperatur des SMP. Zusätzlich wird die Faltung außerhalb des Patientenkörpers durchgeführt, indem der 3D-gedruckte bifurcated Stent entweicht und der Seitenzweig in das Hauptgefäß gefaltet wird.
Herkömmliche Methoden erforderten das Einfügen mehrerer zylindrischer Stents, deren Anzahl der Anzahl der Zweige entspricht. Diese Methode war unvermeidlich, weil die Vorsprünge der Seitenzweige die Wände der Wege behinderten und es unmöglich machten, einen kompletten zweifarbigen Stent in seiner Gesamtheit einzusetzen. Mit der Kirigami-Struktur und dem 4D-Druck können die oben genannten Probleme gelöst werden. Dieses Protokoll zeigt auch die Visualisierung der Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode mit einem Silikongefäßmodell, das nach der Form der Blutgefäße hergestellt wird. Durch dieses Mock-up kann die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Erfindung während des Insertionsprozesses und weitere Möglichkeiten neuer Anwendungen sichtbar werden.
Mit diesem Protokoll sollen die Schritte zum Drucken eines SMP mithilfe eines FDM-Druckers (FDM) (FUSED Deposition Modeling) klar beschrieben werden. Darüber hinaus werden Techniken zur Verformung der bedruckten bifurcated Stents in den gefalteten Zustand, das Einfügen der gefalteten zweifaltigen Stents an die Zielstelle und die Signalisierung und Entfaltung der Struktur in ihre ursprüngliche Form detailliert gegeben. Bei der Demonstration der Einfügung wird ein Silikon-Mock-up von Blutgefäßen verwendet. Das Protokoll stellt auch die Verfahren bei der Herstellung dieses Mock-upmit mit einem 3D-Drucker und Formgebung.
Protocol
Representative Results
Discussion
Stents werden oft verwendet, um die verstopften inneren Bahnen wie die Blutgefäße und Atemwege der Patienten zu löschen. Die chirurgische Operation der Einfügung von Stents erfordert eine sorgfältige Abwägung der Erkrankung des Patienten und der menschlichen anatomischen Eigenschaften. Die Form des Schiffes ist komplex, und es gibt vielfältige Verzweigungsbedingungen. Die Standard-Stent-Betriebsverfahren basieren jedoch auf massenproduzierten Stents mit Standardgrößen. In diesem Protokoll haben wir gezeigt, wie …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde durch das Vom Institute of Information & Communications Technology Planning and Evaluation (IITP) geförderte Stipendium der koreanischen Regierung (MSIT) (Nr. 2018-0-01290, Entwicklung eines offenen Datensatzes und kognitiver Verarbeitungstechnologie für die Anerkennung von Merkmalen, die von unstrukturierten Menschen (Polizeibeamte, Verkehrssicherheitsbeamte, Fußgänger usw.) in selbstfahrenden Autos abgeleitet wurden, und des GIST Research Institute (GRI), das 2019 vom GIST finanziert wird.
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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