4D gedruckt bifurcated Stents mit Kirigami-inspirierten Strukturen

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 SMP^4,5,6,7,8,9, 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 abbaubar^{sind 9,10}. Es gibt viele Anwendungen für SMPs im Bereich der Medizin^9,10, und Stents^11,12 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 Anwendungen^2,3,13,14angewendet. 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.