液体射出成形用の3Dプリント金型を用いた医療機器を迅速かつ低コストプロトタイピング
Summary
我々は、液体噴射装置として金型設計のために修飾されたデシケーター溶融堆積モデリング、3Dプリンターを使用することにより、低コストで液状エラストマーゴム射出成形装置のラピッドプロトタイピングのための方法を考案した。
Abstract
シリコーンのような生物学的に不活性エラストマーは、医療用デバイス製造のための有利な材料であるが、従来の液体射出成形プロセスを用いてこれらのエラストマーを形成し、硬化させて工具及び設備費用のために高価なプロセスであることができる。その結果、伝統的に、低コスト、ラピッドプロトタイピング用途のための液体射出成形を使用することは非現実的であった。我々は、金型設計及び注入システムのような修飾されたデシケータ用溶融堆積モデリング3Dプリンタを利用した液状エラストマーの射出成形装置を迅速かつ低コストで製造するための方法を考案した。低コストと、この技術の急速なターンアラウンドタイムは、反復的に複雑なエラストマーデバイスを設計し、プロトタイプを作成するために障壁を下げます。さらに、この過程で開発CADモデルは、後で従来の射出成形プロセスに容易に移行を可能にする、金型工具の設計に適合させることができる。我々は、製造するためにこの技術を使用しているintravag学術研究、実験室の中に一般的に利用可能なツールを使用して、複雑な形状だけでなく、金属部品の上オーバーモールドを含むinalプローブ。しかしながら、この技術は、容易に多くの他の用途のための液体射出成形装置を作成するために適合させることができる。
Introduction
（また、反応射出成形とも呼ばれます）の液体射出成形（LIM）は、多くの場合、熱硬化性エラストマーからエラストマーデバイスを製造するために使用されるが、高額な開発や設備コストが先行設備投資1の多くを必要としている。さらに、LIMは複雑な形状やオーバーモールドの要件に例で実装することは技術的に挑戦し、高価になることができます。その結果、超低容量で反復又は頻繁に改訂を発生早期デバイス設計伝統的なLIMを使用することが典型的には非現実的である。
射出成形エラストマー材料の典型的な手順は、特殊な成形機2を用いて金型に150 psiの周りの圧力で液体モノマーを注入することを含む。温度および圧力は、層流を確保し、金型3内に捕捉された空気を防ぐために制御される。原材料は、典型的には、白金硬化シリコーン、トンなどの2つの部分からなる硬化系である帽子は、注射前に独立した温度制御室に保存されています。原料の両成分は、その後、金型キャビティ内に供給する高圧混合チャンバにポンピングされる。硬化は、触媒の存在下ならびに周辺温度150〜200℃C 4ことによって達成される。金型は、一般的にエッジ3,5別れを中心に良好なシールを作成するために精密な公差で鋼やアルミニウムから機械加工されています。残念ながら、この方法は、高い金型工具費だけでなく、専門的な注入とフィードバック制御システムの必要性与えられ、一般的に大規模な製造に適している。
ポリウレタン（PU）部品のラピッドプロトタイピングのためには、型マスターを作成して、シリコーンゴム金型6,7を生成するために、ステレオリソグラフィ（SLA）を使用することが可能である。シリコーンは、ことによるように、それがオーバーモールドされた構成要素の正確な位置合わせを達成することは困難であるので、この技術は、オーバーモールディングには適していないデザインではなく、剛性構造。さらに、このような陥入又は中空アウトセクションのような複雑な幾何学的形状を有するデバイスの製造は、困難または不可能である。複雑なまたは正確な金型パーティングラインや剛性の薄い要素に対する要求は、より多くの場合より液状ゴム成形プロセスと互換性がありません。
生産規模、前述または後期プロトタイピングプロセスは、多くの場合、多くの場合、学術の研究室の場合のように、いくつかのデバイスは、人間の研究で概念実証と実現可能性のために製造する必要がある中で、初期段階の医療機器の開発には実用的でないおよびスタートアップ企業環境を。選択肢の欠如は、多くの場合でも、初期段階の開発は、デバイスの機能を制限したり、追加の資金が調達されている間保留に開発を置くために、多くのデバイス開発者を必要とする、高いコストを負担することを意味します。医療機器の大部分は再ので、これは、開発プロセスの劇的な減速に寄与する複雑な機能の帖実装。これは、概念実証データは、多くの場合、まだ確立されていないので、このような装置のコストのかかる開発に資金を供給することも困難である。我々は、指定された子宮頸部のジオメトリに適合するようにカップ状の先端を必要としたオーバーモールド電気的および光学センサを有するシリコーン膣内プローブの開発を伴っこのラボ内での最近のプロジェクトで、この障害が発生しました。この資料に記載されているプロセスは、この悪循環を回避し、急速に概念実証LIM医療機器に到達するための我々の試みを記録します。
（1）金型の設計·製作、（2）金型組立（3）エラストマー混合、（4）エラストマー注入、および（5）エラストマー硬化＆脱型： 図1に示されている技術では5つの主要な活動にLIMプロセスを解体。
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図1プロトコルの概要が含まれたプロトコルの概要：（1A）（2）ネジ付きロッドとネジを使用して型片の組み立て、（1b）の 3次元型片を印刷し、コンピュータ支援設計ツールを使用して金型を作成し、（ 3）液状エラストマーを混合し、シリンジにそれをロードし、（4）修飾されたデシケータを用いて金型に液状エラストマーを注入し、（5a）の温度制御されたオーブン中でエラストマーを硬化させると、（ 図5b）から、硬化されたエラストマーデバイスを脱型型片。
金型設計は、コンピュータ支援設計（CAD）ソフトウェア、金型パーティングラインの固体ブロックと定義から型マスターの減算で型マスターの開発を伴う。金型片を作成し、金型キャビティ内に配置オーバーモールド部品とねじ、ロッド、及びナットを用いて組み立てられる。エラストマーミックスインGは、材料の潜在的な空隙を除去して原料と脱の部分AとBを結合することを含む。次に、エラストマーの注入は、ポリマー鎖の化学的架橋を確保するために、温度制御されたオーブン中でエラストマー硬化させ、金型キャビティの圧力駆動の充填を伴う。
これらのステップに射出成形プロセスを分解すると、低コストの代替手段を支持して、伝統的なLIM機器を放棄することを可能にします。例えば、代わりに、金型を機械加工または型マスターからのシリコーンゴム型にキャストする、本稿に記載されているプロトコルから作成された金型は、溶融堆積モデリング（FDM）3Dを使用して、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）プラスチックから作成されたプリンタ8,9。金型またはSLA金型を構築することに比べて、FDMは、一般的に安価で高速なプロセスです。かなり複雑な金型を内製3Dプリンタで迅速に印刷、または安く、多くの契約の3D printinの1で製造することができる利用可能なGのサービスを提供しています。例えば、複雑な八片3Dプリントモールドは代表的な結果の節において明らかに膣プローブをキャストするために使用し、そして図14および15に示す。この金型のためのすべての部品は内製3Dプリンタで約1.5日で印刷することができます。簡単な金型のターンアラウンド時間は数時間することができます。金型を作成するためにFDM 3Dプリンタを使用してデバイスを試作するために必要な時間の全体の長さは、シリコーンゴムから金型にキャストし、ポリウレタンのプロトタイプを作成するために必要な時間と同様である。しかし、金型を作成するためにFDM 3Dプリンタを使用して容易にシリコーンモールドを使用して達成することができないいくつかのことを可能にする：（1）多くの熱硬化性エラストマーを使用することができる3次元プリントモールドは、必要な硬化温度に耐えることができるが設けられ、（2）複雑な形状を多くの異なる型片と分割線を用いて作成され、（3）硬質モールド片の使用は、正確かつreproduci可能にすることができる金型キャビティ内にオーバーモールド部品のBLE整列。
代わりに、伝統的なLIMの混合組み合わせ機、注射、および硬化を用いたのではなく、均質な混合、注射用変性デシケーター、および硬化のための標準的な温度制御されたオーブンを確実にするために実験室用ミキサーを使用することが可能である。注入システムは、既製のコンポーネントを使用して作成した混合エラストマーで充填されたシリンジに接続したデシケーター内に正圧供給ラインの添加を伴うた。ベンチトップデシケーター内室の加圧は、典型的には、チャンバは、真空供給ラインと、大気との間に三方弁によって制御される。修飾されたデシケーターはシリンジプランジャの背面に供給する正圧供給ラインを追加する。これは、金型キャビティ内への液体材料の注入のために十分である40〜50 psiの圧力差の生成を可能にする。
この手法は、私たちはのproduを許可オーバーモールド電気および光センサを備えたCEシリコーン膣内プローブは、第I相臨床試験のための概念実証データを収集する。シリコーンは理由生物学的不活性と同様の方法10,11の様々な殺菌能力の必要性を選択した。さらに、デバイスは、センサが子宮頸部とインタフェースするように配置されたプローブの先端に複雑で、型にはまらないカップ状の幾何学を必要とした。記載された技術を使用することなく、これらのデバイスを製造するための多くの費用と時間のかかるプロセスであったであろう。それは実用的なエラストマーデバイスの設計に迅速かつ反復的なアプローチを採用すること、伝統的なLIMプロセスと比較すると、LIMプロセスのこの適応は、コストおよび装置の要件を軽減します。
Protocol
Representative Results
Discussion
記載されているすべてのステップで、慎重な金型の設計が成功の最も重要である。型マスターは、最終的なデバイスと同等の外部形状を有する固形物として作成する必要があります。これらの形状は、どのような材料により選ばれたエラストマー収縮だけでなく、3Dプリンタの解像度と許容誤差を考慮して調整する必要があります。金型パーティングラインの配置と、貫通孔のねじロッドと?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank Sungwon Lim for intellectual contributions to device and mold design as well as Jambu Jambulingam and Rebecca Grossman-Kahn for creating intravaginal silicone probes using this process. This work is supported by the Bill and Melinda Gates Foundation, the Vodafone Americas Foundation, and the FDA (2P50FD003793).
Materials
| ABS Model Material | Stratasys | P430 | Model Material for uPrint Plus SE (Step: Mold Design & Production) |
| Soluble Support Material | Stratasys | SR-30 | Support Material for uPrint Plus SE (Step: Mold Design & Production) |
| Underwater Silicone Sealant, 2.8 Oz Tube, Clear | McMaster-Carr Supply Company | 7327A21 | Silicone RTV for sealing gaps at mold parting lines (Step: Mold Assembly) |
| Tubing, 1/8" ID, 1/4" OD, 1/16" Wall Thickness, Ultra-chemical-resistant Tygon PVC, Clear | McMaster-Carr Supply Company | 5046K11 | Forms runner/sprue adapter between mold and syringe with elastomer (Step: Elastomer Mixing) |
| Coupling, Adapter, Straight, Male Quick-turn (Luer lock) X 1/8" Tube Barb, Nylon | McMaster-Carr Supply Company | 51525K123 | Connect runner/sprue between mold and syringe with elastomer (Step: Elastomer Mixing) |
| Coupling, Adapter, Staight, Female Quick-turn (Luer lock) X 1/8" Tube Barb, Nylon | McMaster-Carr Supply Company | 51525K213 | Connect runner/sprue between mold and syringe with elastomer (Step: Elastomer Mixing) |
| Cap, Female Quick-turn (Luer lock), Nylon | McMaster-Carr Supply Company | 51525K315 | Cap to prevent silicone from leaking out of mold after injection (Step: Elastomer Mixing) |
| Liquid Silicone Rubber (LSR) 30 – 10:1, Implant Grade | Applied Silicone Corporation | PN40029 | Substitute with the elastomer of your choice. This is the one used for the intravaginal probe (Step: Elastomer Mixing) |
| Syringes (BD), 1mL Slip-Tip, non-sterile clean, bulk | Cole-Parmer | WU-07945-00 | Syringes for transfering elastomer material (Step: Elastomer Mixing) |
| Syringes (BD), 1mL Slip-Tip, non-sterile clean, bulk | Cole-Parmer | WU-07945-04 | Syringes for transfering elastomer material (Step: Elastomer Mixing) |
| Syringe, 20mL, Open Bore, Solid Ring Plunger and Grip | Qosina Corporation | C1200 | Syringes for transfering elastomer material. Open bore is used for very viscous elastomers. (Step: Elastomer Mixing) |
| Needle (BD), Non-sterile Clean with Shields, 18 gauge X 1.5" Lg., Stainless Steel, BD Bulk | Cole-Parmer | WU-07945-76 | Used for removing air column between syringe plunger and elastomer (Step: Elastomer Mixing) |
| Plastic Cups, 12 Oz., Clear | Safeway | N/A | Used for mixing silicone in THINKY Mixer (Step: Elastomer Mixing) |
| Polyethylene Bag, Open-Top, Flat, 5" Width X 6" Height, 2-MIL Thk. | McMaster-Carr Supply Company | 1928T68 | Used for mixing silicone in THINKY Mixer (Step: Elastomer Mixing) |
| Rubber Band, Latex Free, Orange, Size 64, 3-1/2" L X 1/4" W | McMaster-Carr Supply Company | 12205T96 | Used for mixing silicone in THINKY Mixer (Step: Elastomer Mixing) |
| Parafilm Wrap, 4"W | Cole-Parmer | EW-06720-40 | Used for mixing silicone in THINKY Mixer (Step: Elastomer Mixing) |
| Syringe Barrels with Stoppers, Luer Lock, Air Operated, 50mL | EWD Solutions | JEN-JG50A-15 | Smaller syringes can be used if less elastomer is required, but make sure it is compatible with Air Operated Syringe Adapter in injection chamber (Step: Elastomer Mixing) |
| Sealant Tape, Pipe Thread, 50'Lg X 1/4" W, .0028" Thk, 0.5 G/CC Specific Gravity | McMaster-Carr Supply Company | 4591K11 | Teflon Tape for air-tight seals around at threads (Step: Elastomer Injection) |
| Scalpel Blades, Disposable, No. 22 | VWR | 21909-646 | Used for cutting tubing and demolding (Step: Curing & Demolding) |
| Kimwipes | VWR | 21903-005 | (Step: Curing & Demolding) |
| 2-Propanol, J. T. Baker | VWR | JT9334-3 | (Step: Curing & Demolding) |
| uPrint Plus SE 3D Printer | Stratasys | uPrint Plus SE | Other 3D printers can be used (Step: Mold Design & Production) |
| Screw, Cap, Hex Head, 1/4"-28 , 2-1/2" Lg, 18-8 Stainless Steel | McMaster-Carr Supply Company | 92198A115 | Screws used with nuts to compress mold (Step: Mold Assembly) |
| Nut, Hex, 1/4"-28, 7/16" Wd, 7/32" Height, 18-8 Stainless Steel | McMaster-Carr Supply Company | 91845A105 | Screws used with nuts to compress mold (Step: Mold Assembly) |
| Stud, Fully Threaded, 1/4"-28, 1" Lg, 18-8 Stainless Steel | McMaster-Carr Supply Company | 95412A567 | Threaded-rods can be cut to desired length and are used with nutes to compress mold (Step: Mold Assembly) |
| Planetary Centrifugal Mixer | THINKY USA Inc. | ARE-310 | Mixers are strongly recommended for fine mixing and to reduce degassing time, but hand mixing is fine (Step: Elastomer Mixing) |
| Laboratory Weigh Scale | Mettler-Toledo International Inc. | EL602 | (Step: Elastomer Mixing) |
| Desiccant Vacuum Canister, Reusable, 10-3/4" OD | McMaster-Carr Supply Company | 2204K7 | This desiccator is used for degassing the elastomer (Step: Elastomer Mixing) |
| Custom 3D-Printed Mixer-to-Cup Adapter | N/A | N/A | Modeled in Solidworks CAD and 3D printed (Step: Elastomer Mixing) |
| Tubing, Smooth Bore, 1/4" ID, 1/2" OD, 1/8" Wall Thickness, High Purity Tygon PVC, Clear | McMaster-Carr Supply Company | 5624K51 | Tubing outside of Desiccator (Step: Elastomer Injection) |
| Tubing, Smooth Bore, 3/8" ID, 5/8" OD, 1/8" Wall Thickness, High Purity Tygon PVC, Clear | McMaster-Carr Supply Company | 5624K52 | Tubing to adapt to Air/Vacuum Supply (Step: Elastomer Injection) |
| Coupling, Reducer, Straight, Vacuum Barb 3/8" Tube ID X Vacuum Barb 1/4" Tube ID, Brass | McMaster-Carr Supply Company | 44555K188 | Adapt Tubing outside Desiccator to Tubing leading to Air/Vacuum Supply (Step: Elastomer Injection) |
| Clamp, Hose & Tube, Worm-Drive, for 7/32" to 5/8" OD tube, 5/16" Wd., 316 SS | McMaster-Carr Supply Company | 5011T141 | Used on tubing to create Air/Vacuum-tight seal at junctions (Step: Elastomer Injection) |
| Clamp, Hose, Smooth-Band Worm-Drive, for 1/2" to 3/4" OD tube, 3/8" Wd., 304 SS | McMaster-Carr Supply Company | 5574K13 | Used on tubing to create Air/Vacuum-tight seal at junctions (Step: Elastomer Injection) |
| Coupling, Tee, Vacuum Barb 1/4" Tube ID, Brass | McMaster-Carr Supply Company | 44555K138 | Tee Junction between Vacuum, Three-way T-valve on Desiccator, and Three-way L-valve (Step: Elastomer Injection) |
| Coupling, Tee, 1/4 NPT Female X Female X Male, Brass | McMaster-Carr Supply Company | 50785K222 | Tee Junction between Pressure Gauge, Chamber, and Three-way L-valve (Step: Elastomer Injection) |
| Valve, Ball, Straight, T-Handle, 1/4 NPT Female X Male, Brass | McMaster-Carr Supply Company | 4082T42 | Three-way L-valve (Step: Elastomer Injection) |
| Coupling, Adapter, Straight, Vacuum Barb 1/4" ID Tube X 1/4 NPT Male, Brass | McMaster-Carr Supply Company | 44555K132 | Adapter for Three-way L-valve-to-Tubing (Step: Elastomer Injection) |
| Saw, Hole, Bimetal. 1-3/8" OD, 1-1/2" Cutting Depth | McMaster-Carr Supply Company | 4066A25 | Used to cut holes in Desiccator for throughwall fittings (Step: Elastomer Injection) |
| Arbor, 9/16" to 1-3/16" Saw, 1/4" Hex | McMaster-Carr Supply Company | 4066A76 | Used to cut holes in Desiccator for throughwall fittings (Step: Elastomer Injection) |
| Arbor Adapter for 1-1/4" Thru 6" Dia Hole Saws | McMaster-Carr Supply Company | 4066A77 | Used to cut holes in Desiccator for throughwall fittings (Step: Elastomer Injection) |
| Coupling, Straight, Through-Wall, 1/2 NPT Female, Polypropylene | McMaster-Carr Supply Company | 36895K141 | Throughwall fittings leading to Pressure/Vacuum Gauges (Step: Elastomer Injection) |
| Coupling, Adapter, Straight, Reducing, Bushing, Hex, 1/2 NPT Male X 1/4 NPT Female, Brass | McMaster-Carr Supply Company | 4429K422 | Reducing tube diameter inside the Desiccator to adapt to Air-operated Syringe System (Step: Elastomer Injection) |
| Coupling, Adapter, Straight, Reducing, Bushing, Hex, 1/4 NPT Male X 1/8 NPT Female, Brass | McMaster-Carr Supply Company | 4757T91 | Reducing tube diameter inside the Desiccator to adapt to Air-operated Syringe System (Step: Elastomer Injection) |
| Coupling, Adapter, Straight, Vacuum Barb 1/4" ID Tube X 1/8 NPT Female, Brass | McMaster-Carr Supply Company | 44555K124 | Reducing tube diameter inside the Desiccator to adapt to Air-operated Syringe System (Step: Elastomer Injection) |
| Syringe Adapters, Air Operated, 30/50mL | EWD Solutions | JEN-JG30A-X6 | Air operated syringe adapter on the inside of the Desiccator; must be compatible with syringes used to hold elastomer (Step: Elastomer Injection) |
| Gauge, Dual-Scale Vacuum, 2-1/2" Dial, 1/4 NPT Male, Bottom Connector, 30" Hg-0, Steel Case | McMaster-Carr Supply Company | 4002K11 | Vacuum Gauge (Step: Elastomer Injection) |
| Gauge, Dual-Scale Vacuum and Compound, 3-1/2" Dial, 1/4 NPT Male, Center Back, 30" Hg-0, 100 PSI, Steel Case | McMaster-Carr Supply Company | 4004K616 | Pressure Gauge leading to Air-operated Syringe System (Step: Elastomer Injection) |
| Oven, Vacuum, Isotemp, Economy | Fisher Scientific | 280A | Standard non-vacuum oven can be used (Step: Curing & Demolding) |
| Solidworks CAD | Dassault Systèmes | Solidworks Research Subscription | Other CAD Software can be used for mold master and mold design (Step: Mold Design & Production) |
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