دعامات رباعية الأبعاد مطبوعة مع هياكل مستوحاة من كيريجامي
Summary
باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد، يتم مقذوف خيوط بوليمر الذاكرة الشكل لتشكيل بنية أنبوبية متفرعة. يتم نقش الهيكل وشكله بحيث يمكن أن يتقلص في شكل مدمج مرة واحدة مطوية ومن ثم العودة إلى شكله شكل عندما يسخن.
Abstract
يمكن تضييق أو حظر السفن المتفرعة، عادة في شكل حرف “Y”، مما يؤدي إلى مشاكل صحية خطيرة. الدعامات ثنائية، والتي هي جوفاء في الداخل والخارجي على شكل للسفن المتفرعة، وأدخلت جراحيا داخل السفن المتفرعة، بمثابة هيكل داعم بحيث السوائل الجسدية يمكن أن تنتقل بحرية من خلال المناطق الداخلية من الدعامات دون الدعامات يتم عرقلة من قبل السفن الضيقة أو المسدودة. وحتى يتم نشر دعامة ثنائية في الموقع المستهدف، يلزم حقنها داخل السفينة والسفر داخل السفينة للوصول إلى الموقع المستهدف. قطر السفينة أصغر بكثير من المجال المحيط للدعامة ثنائية؛ وبالتالي، هناك حاجة إلى تقنية بحيث تبقى الدعامة المزدوجة صغيرة بما يكفي للسفر عبر السفينة وتتوسع في السفينة المتفرعة المستهدفة. وهذان الشرطان المتصارعان، أي صغيران بما يكفي للمرور وكبيران بما يكفي لدعم الممرات الضيقة هيكليا، من الصعب للغاية الوفاء بهما في آن واحد. نحن نستخدم اثنين من التقنيات لتلبية المتطلبات المذكورة أعلاه. أولا، على الجانب المادي، يتم استخدام بوليمر ذاكرة الشكل (SMP) لبدء تغييرات الشكل الذاتي من الصغيرة إلى الكبيرة، وهذا هو، كونها صغيرة عند إدراجها وتصبح كبيرة في الموقع المستهدف. ثانيا، على جانب التصميم، يتم استخدام نمط kirigami لطي أنابيب المتفرعة في أنبوب واحد مع قطر أصغر. يمكن استخدام التقنيات المعروضة لهندسة الهياكل التي يمكن ضغطها أثناء النقل والعودة إلى شكلها الماهر وظيفياً عند تفعيلها. على الرغم من أن عملنا يستهدف الدعامات الطبية، إلا أن قضايا التوافق البيولوجي تحتاج إلى حل قبل الاستخدام السريري الفعلي.
Introduction
وتستخدم الدعامات لتوسيع الممرات الضيقة أو المنفئة في البشر، مثل الأوعية الدموية والمسالك الهوائية. الدعامات هي هياكل أنبوبية تشبه الممرات وتدعم ميكانيكيا الممرات من مزيد من الانهيار. عادة، يتم اعتماد الدعامات المعدنية ذاتية التوسع (SEMS) على نطاق واسع. هذه الدعامات مصنوعة من سبائك تتكون من الكوبالت والكروم (الفولاذ المقاوم للصدأ) والنيكلوالتيتانيوم (نيتينول) 1،2. الجانب السلبي للدعامات المعدنية هو أن نخر الضغط يمكن أن توجد حيث الأسلاك المعدنية للدعامة تأتي في اتصال مع الأنسجة الحية وتتأثر الدعامات. وعلاوة على ذلك، يمكن أن تكون السفن من الجسم على شكل غير منتظم وأكثر تعقيدا بكثير من الهياكل الأنبوبية البسيطة. على وجه الخصوص، هناك العديد من الإجراءات السريرية المتخصصة لتثبيت الدعامات في التجويف المتفرعة. في التجويف على شكل Y، يتم إدراج اثنين من الدعامات أسطواني في وقت واحد وانضم في فرع3. لكل فرع إضافي، يجب إجراء عملية جراحية إضافية. يتطلب الإجراء أطباء مدربين تدريبا خاصا، والإدراج أمر صعب للغاية بسبب السمات البارزة للدعامات المتفرعة.
تعقيد شكل الدعامات ثنائية الأبعاد يجعلها هدفا مناسبا جدا للطباعة ثلاثية الأبعاد. يتم إنتاج الدعامات التقليدية في أحجام وأشكال موحدة. باستخدام منهجية تصنيع الطباعة ثلاثية الأبعاد، من الممكن تخصيص شكل الدعامة لكل مريض. نظرًا لأن الأشكال يتم إجراؤها عن طريق إضافة طبقة بطبقة من الأشكال المقطعية للكائن الهدف، من الناحية النظرية، يمكن استخدام هذا الأسلوب لتلفيق أجزاء من أي شكل وحجم. الدعامات التقليدية هي في الغالب أسطواني في الشكل. ومع ذلك، فإن السفن البشرية لها فروع، وتتغير أقطارها على طول الأنابيب. وباستخدام النهج المقترح، يمكن استيعاب جميع هذه الاختلافات في الأشكال والأحجام. بالإضافة إلى ذلك، على الرغم من عدم إثبات، يمكن للمواد المستخدمة أيضا تغيير داخل دعامة واحدة. على سبيل المثال، يمكننا استخدام مواد أكثر صلابة حيث هناك حاجة إلى الدعم والمواد أكثر ليونة حيث هناك حاجة إلى مزيد من المرونة.
يتطلب متطلبات تغيير الشكل من الدعامات ثنائية الأبعاد الطباعة ثلاثية الأبعاد، أي الطباعة ثلاثية الأبعاد مع النظر الإضافي في الوقت. يمكن برمجة الهياكل المطبوعة ثلاثية الأبعاد التي تم تشكيلها باستخدام مواد متخصصة لتغيير شكلها عن طريق التحفيز الخارجي، مثل الحرارة. وهذا التحول ذاتي الاكتفاء ولا يتطلب مصادر طاقة خارجية. مادة واحدة خاصة مناسبة للطباعة 4Dهو SMP 4،5،6،7،8،9،الذي يعرض آثار الذاكرة الشكل عند التعرض ل المواد الخاصة مما يؤدي إلى درجة حرارة انتقال الزجاج. في هذه درجة الحرارة، تصبح الشرائح لينة بحيث يعود الهيكل إلى شكله الأصلي. بعد طباعة الهيكل 3D، يتم تسخينه إلى درجة حرارة أعلى قليلا من درجة حرارة انتقال الزجاج. عند هذه النقطة، يصبح الهيكل لينة، ونحن قادرون على تشويه الشكل من خلال تطبيق القوى. مع الحفاظ على القوى المطبقة، يتم تبريد الهيكل، ويصبح تصلب احتوى على شكله المشوه، حتى بعد إزالة القوى المطبقة. في وقت لاحق، في المرحلة النهائية، عندما يحتاج الهيكل للعودة إلى شكله الأصلي، مثل اللحظة التي يصل فيها الهيكل إلى الموقع المستهدف، يتم توفير الحرارة بحيث يصل الهيكل إلى درجة حرارة انتقال الزجاج. وأخيراً، يعود الهيكل إلى شكله الأصلي المحفوظ. ويبين الشكل 1 مختلف المراحل التي سبق شرحها. يمكن أن تمتد بسهولة SMPs، وهناك بعض SMPs التي هيمتوافقة بيولوجيا وقابلة للتحلل 9،10. هناك العديد من الاستخدامات للنواب فيمجال الطب 9،10،والدعامات11،12 هي واحدة منهم.
أنماط الدعامات وتصميم للطي تتبع تصميم قطع الورق الياباني يسمى “kirigami”. هذه العملية تشبه تقنية طي الورق المعروفة تسمى “اوريغامي”، ولكن الفرق هو أنه بالإضافة إلى للطي، يسمح قطع الورق أيضا في التصميم. وقد استخدمت هذه التقنية في الفنون، كماتم تطبيقها في التطبيقات الهندسية 2،3،13،14. وباختصار، يمكن استخدام kirigami لتحويل بنية اللوح إلى هيكل ثلاثي الأبعاد من خلال تطبيق القوات في بقع مصممة خصيصا. في متطلبات التصميم لدينا، يجب أن يكون الدعامة شكل أسطواني بسيط عند إدراجها في المسارات، وينبغي تقسيم الاسطوانة على طولها حيث يجب أن تتكشف كل نصف إلى شكل أسطواني بالكامل في السفينة المتفرعة المستهدفة. ويكمن الحل في حقيقة أن السفينة الرئيسية والفروع الجانبية مطوية في اسطوانة واحدة بحيث لا تتداخل الفروع الجانبية مع جدران السفن أثناء الإدراج. تأتي إشارة القيادة التي تتكشف من الزيادة في درجة الحرارة المحيطة فوق درجة حرارة انتقال الزجاج من SMP. بالإضافة إلى ذلك، سيتم إجراء للطي خارج جسم المريض عن طريق تليين الدعامة المزدوجة المطبوعة ثلاثية الأبعاد وطي الفرع الجانبي في السفينة الرئيسية.
تتطلب الطرق التقليدية إدخال دعامات أسطوانية متعددة يساوي عددها عدد الفروع. وكان هذا الأسلوب لا مفر منه لأن نتوءات الفروع الجانبية أعاقت جدران الممرات وجعلت من المستحيل إدراج دعامة كاملة ثنائية في مجملها. باستخدام هيكل kirigami والطباعة 4D، يمكن حل المشاكل المذكورة أعلاه. ويبين هذا البروتوكول أيضا تصور فعالية الطريقة المقترحة باستخدام نموذج أوعية سيليكون ملفقة بعد شكل الأوعية الدموية. ومن خلال هذا النموذج، يمكن رؤية فعالية الاختراع المقترح أثناء عملية الإدراج وإمكانيات أخرى للطلبات الجديدة.
الغرض من هذا البروتوكول هو تحديد الخطوات المتضمنة في طباعة SMP باستخدام طابعة طراز ترسيب تنصهر (FDM). بالإضافة إلى ذلك، يتم إعطاء التقنيات التي تنطوي على تشويه الدعامات المطبوعة المزدوجة إلى الحالة المطوية، وإدخال الدعامات المطوية إلى الموقع المستهدف، والإشارة وتتكشف للهيكل إلى شكله الأصلي بالتفصيل. يستخدم عرض الإدراج نموذج سيليكون من الأوعية الدموية. كما يوفر البروتوكول الإجراءات التي ينطوي عليها تلفيق هذا النموذج باستخدام طابعة ثلاثية الأبعاد وصب.
Protocol
Representative Results
Discussion
وغالبا ما تستخدم الدعامات لمسح المسارات الداخلية المسدودة مثل الأوعية الدموية والمسالك الهوائية للمرضى. العملية الجراحية لإدخال الدعامات يتطلب النظر بعناية في مرض المريض والخصائص التشريحية البشرية. شكل السفينة معقد، وتوجد ظروف تفريع متنوعة. ومع ذلك، تستند الإجراءات التشغيلية للدعامات…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من قبل معهد تخطيط وتقييم تكنولوجيا المعلومات والاتصالات (IITP) منحة بتمويل من الحكومة الكورية (MSIT) (رقم 2018-0-01290، وتطوير مجموعة بيانات مفتوحة وتكنولوجيا المعالجة المعرفية ل الاعتراف بالميزات المستمدة من البشر غير المنظمين (ضباط الشرطة، وضباط السلامة المرورية، والمشاة، وما إلى ذلك) الاقتراحات المستخدمة في السيارات ذاتية القيادة) ومنحة معهد البحوث GIST (GRI) التي يمولها GIST في عام 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).
