4D trykt bifurcated stents med kirigami-inspirerte strukturer
Summary
Ved hjelp av en 3D-skriver, er en form minne polymer filament ekstrudert å danne en utvidet rørformede struktur. Strukturen er mønstret og formet slik at det kan kontrakt inn i en kompakt form gang foldet og deretter gå tilbake til sin dannet form ved oppvarming.
Abstract
Under fartøy, vanligvis i form av bokstaven “Y”, kan begrenses eller blokkeres, noe som resulterer i alvorlige helseproblemer. Bifurcated stents, som er hul i interiøret og exteriorly formet til de havarerte fartøyene, kirurgisk satt inn i de havarerte fartøy, fungere som en støttende struktur slik at kroppsvæsker kan fritt reise gjennom det indre av stents uten hindret av de smalere eller blokkerte fartøyene. For en bifurcated stent som skal distribueres på målområdet, må den injiseres inne i fartøyet og reise i fartøyet for å nå målet området. Diameteren av fartøyet er mye mindre enn den hoppende sfære av bifurcated stent; Således er det nødvendig med en teknikk, slik at bifurcated stent fortsatt er liten nok til å reise gjennom fartøyet og utvides ved mål skipet. Disse to motstridende forhold, som er liten nok til å passere gjennom og store nok til å strukturelt støtte smalere passasjer, er svært vanskelig å tilfredsstille samtidig. Vi bruker to teknikker for å oppfylle kravene ovenfor. Først på den materielle siden, en form Memory polymer (SMP) brukes til å selv-initiere formendringer fra små til store, det vil si å være liten når den settes inn og blir stor på målområdet. For det andre, på design side, en kirigami mønster brukes til å brette forgrening rør i et enkelt rør med en mindre diameter. De presenterte teknikkene kan brukes til å konstruere strukturer som kan komprimeres under transport og gå tilbake til deres funksjonelt flink form når aktivert. Selv om vårt arbeid er rettet mot medisinsk stents, biokompatibilitet problemer må løses før faktisk klinisk bruk.
Introduction
Stents brukes til å utvide smalere eller forsnevrede passasjer hos mennesker, som blodkar og luftveier. Stents er rørformede strukturer som ligner på passasjer og mekanisk støtte passasjer fra videre kollapse. Vanligvis er selv ekspanderende metall stents (SEMS) allment vedtatt. Disse stents er laget av legeringer bestående av kobolt-krom (rustfritt stål) og nikkel-Titan (nitinol)1,2. Ulempen med metall stents er at trykk nekrose kan eksistere der metall ledningene til stent kommer i kontakt med det levende vevet og stents påvirkes. Videre kan fartøyene i kroppen være uregelmessig formet og er mye mer kompleks enn enkle rørformede strukturer. Spesielt er det mange spesialiserte kliniske prosedyrer for å installere stents i utvidet lumen. I en Y-formet lumen, to sylindriske stents er samtidig satt inn og sluttet på en gren3. For hver ekstra gren må det gjennomføres en ekstra kirurgisk prosedyre. Prosedyren krever spesielt utdannede leger, og innsetting er svært utfordrende på grunn av de utstikkende funksjonene i den stents.
Kompleksiteten i form av bifurcated stents gjør det til et svært egnet mål for 3D-utskrift. Konvensjonelle stents er masseprodusert i standardiserte størrelser og former. Ved hjelp av metoden for fremstilling av 3D-utskrift er det mulig å tilpasse formen på stent for hver pasient. Siden figurer lages ved gjentatte ganger å legge til lag for lag av Seksjons figurene til målobjektet, kan denne metoden i teorien brukes til å dikte opp deler av en hvilken som helst form og størrelse. Konvensjonelle stents er stort sett sylindriske i form. Men menneskelige fartøy har grener, og diameteren endres langs rørene. Ved hjelp av den foreslåtte tilnærmingen, kan alle disse variantene i former og størrelser innkvarteres. I tillegg, selv om det ikke demonstrert, kan de brukte materialene også endres innenfor en enkelt stent. For eksempel kan vi bruke stivere materialer der støtte er nødvendig og mykere materialer der mer fleksibilitet er nødvendig.
Formen skiftende kravet om bifurcated stents krever 4D utskrift, nemlig 3D-utskrift med ekstra vurdering av tid. 3D trykte strukturer dannet ved hjelp av spesialiserte materialer kan programmeres til å endre sin form ved en ekstern stimulering, for eksempel varme. Transformasjonen er selv-varig og krever ingen eksterne strømkilder. Ett spesialmateriale som egner seg for 4d-utskrift er enSMP4,5,6,7,8,9, som viser form minne effekter når de utsettes for en Material-spesifikk utløsende glass overgangs temperatur. Ved denne temperaturen blir segmentene myke slik at strukturen går tilbake til sin opprinnelige form. Etter at strukturen er trykt i 3D, varmes den opp til en temperatur som er litt over temperaturen på glass overgangen. På dette punktet blir strukturen myk, og vi er i stand til å deformere formen ved å bruke krefter. Samtidig opprettholde de anvendte krefter, er strukturen avkjølt, blir herdet og beholder sin deformert form, selv etter at de anvendte kreftene er fjernet. Deretter, i sluttfasen, når strukturen må gå tilbake til sin opprinnelige form, slik som det øyeblikket når strukturen når målet området, er varme levert slik at strukturen når sin glass overgangs temperatur. Til slutt, strukturen tilbake til sin utenat opprinnelige form. Figur 1 illustrerer de ulike stadier tidligere forklart. SMPs kan lett strekkes, og det er noen SMPs som er biokompatible og biologisk nedbrytbart9,10. Det er mange bruksområder for SMPs innen medisin9,10og stents er en av dem.
Mønstrene av stents og folding design følger den japanske papir cutting design kalt “kirigami.” Denne prosessen ligner den velkjente papir folding teknikk kalt “Origami”, men forskjellen er at i tillegg til folding, skjæring av papiret er også tillatt i design. Denne teknikken har vært brukt i kunst og har også vært brukt i tekniske anvendelser2,3,13,14. Kort sagt, kirigami kan brukes til å transformere en Planar struktur til en tredimensjonal struktur ved å bruke krefter på spesielt designet flekker. I våre design krav må stent være en enkel sylindrisk form når den settes inn i veiene, og sylinderen skal dele langs dens lengde, der hver halvdel skal utfolde seg til en fullt sylindrisk form på den målrettede utvidet fartøyet. Løsningen ligger i det faktum at de viktigste fartøy og side grener er foldet inn i en enkelt sylinder slik at side grenene ikke vil forstyrre veggene i fartøyene under innsetting. Den utfolder kommando signalet kommer fra økningen i omgivelsestemperaturen over glasset overgangen temperaturen på SMP. I tillegg vil folding utføres utenfor pasientens kropp ved å mykne 3D trykt bifurcated stent og folding siden grenen inn i hoved fartøyet.
Konvensjonelle metoder krevde innsetting av flere sylindriske stents Hvis tall er lik antall grener. Denne metoden var uunngåelig fordi utstikkende av side grener hemmet veggene av stier og gjorde det umulig å sette inn en komplett bifurcated stent i sin helhet. Bruke kirigami struktur og 4D utskrift, kan problemene ovenfor løses. Denne protokollen viser også visualisering av effektiviteten av den foreslåtte metoden ved hjelp av en silikon fartøy modell fabrikkert etter formen av blodkar. Gjennom denne mock-up, effektiviteten av den foreslåtte oppfinnelsen under innsetting prosessen og ytterligere muligheter for nye programmer kan sees.
Hensikten med denne protokollen er å tydelig skissere trinnene involvert i å skrive ut en SMP ved hjelp av en smeltet deponering modellering (FDM) skriver. I tillegg teknikker involvert i deformeres den trykte bifurcated stents til foldet staten, innsetting av foldet bifurcated stents til målet området, og signalering og utfolder seg i strukturen til sin opprinnelige form er gitt i detalj. Demonstrasjonen av innsetting utnytter en silikon mock-up av blodkar. Protokollen gir også prosedyrene som er involvert i fabrikere denne mock-up ved hjelp av en 3D-skriver og molding.
Protocol
Representative Results
Discussion
Stents brukes ofte til å fjerne tette interne veier som blodkar og luftveier av pasienter. Kirurgisk drift av innsetting stents krever nøye vurdering av pasientens sykdom og menneskelige Anatomiske egenskaper. Formen på fartøyet er kompleks, og ulike forgreninger forhold eksisterer. Standard stent operative prosedyrer er imidlertid basert på masseproduserte stents med standard størrelser. I denne protokollen, viste vi hvordan du personlig skreddersy fabrikasjon av stent basert på den eksakte geometrien av blodkare…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av Institute of Information & Communications Technology planlegging og evaluering (IITP) stipend finansiert av den koreanske regjeringen (MSIT) (nr. 2018-0-01290, utvikling av et åpent datasett og kognitiv prosesseringsteknologi for anerkjennelse av funksjoner avledet fra ustrukturert mennesker (polititjenestemenn, trafikksikkerhet offiserer, fotgjengere, etc.) bevegelser som brukes i selvkjørende biler) og GIST Research Institute (GRI) gi finansiert 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).
