o 4D imprimiu stents bifurcated com estruturas Kirigami-inspiradas

Os stents são usados para alargar passagens estreitadas ou stenosed nos seres humanos, tais como vasos sanguíneos e vias aéreas. Os stents são estruturas tubulares que se assemelham às passagens e suportam mecanicamente as passagens do colapso mais adicional. Tipicamente, os stents Self-expandindo do metal (SEMS) são adotados extensamente. Estes stents são feitos de ligas compostas de cobalto-cromo (aço inoxidável) e níquel-titânio (Nitinol)^1,2. A desvantagem de stents metálicos é que a necrose de pressão pode existir onde os fios metálicos do stent entram em contato com os tecidos vivos e os stents são impactados. Além disso, os vasos do corpo podem ser de forma irregular e são muito mais complexas do que estruturas tubulares simples. Em particular, há muitos procedimentos clínicos especializados para instalar stents em lúmens ramificados. Em um lúmen em forma de Y, dois stents cilíndricos são inseridos simultaneamente e Unidos em uma filial³. Para cada filial adicional, um procedimento cirúrgico adicional precisa de ser conduzido. O procedimento requer médicos especialmente treinados, e a inserção é extremamente desafiadora devido às características salientes dos stents ramificados.

A complexidade da forma de stents bifurcado faz-lhe um alvo muito apropriado para a impressão 3D. Os stents convencionais são produzidos em massa em tamanhos e formas padronizadas. Usando a metodologia de fabricação de impressão 3D, é possível personalizar a forma do stent para cada paciente. Como as formas são feitas adicionando repetidamente camada por camada das formas seccionais do objeto de destino, teoricamente, esse método pode ser usado para fabricar partes de qualquer forma e tamanho. Os stents convencionais são na maior parte cilíndricos na forma. No entanto, os vasos humanos têm galhos, e os diâmetros mudam ao longo dos tubos. Usando a abordagem proposta, todas essas variações de formas e tamanhos podem ser acomodadas. Adicionalmente, embora não demonstrado, os materiais usados podem igualmente mudar dentro de um único stent. Por exemplo, podemos usar materiais mais rígidos onde o suporte é necessário e materiais mais macios, onde mais flexibilidade é necessária.

A exigência de mudança da forma de stents bifurcado chama para a impressão 4D, a saber, impressão 3D com a consideração adicional do tempo. as estruturas impressas 3D formadas usando materiais especializados podem ser programadas para mudar sua forma por uma estimulação externa, tal como o calor. A transformação é autosustentada e não requer fontes de energia externas. Um material especial que é adequado para a impressão 4D é um SMP^4,5,6,7,8,9, que exibe efeitos de memória de forma quando exposto a um temperatura de transição de vidro de disparo específica do material. A esta temperatura, os segmentos tornam-se macios de modo que a estrutura retorne a sua forma original. Depois que a estrutura é 3D impressa, é aquecida a uma temperatura ligeiramente acima da temperatura de transição de vidro. Neste ponto, a estrutura torna-se macia, e nós somos capazes de deformar a forma aplicando forças. Mantendo as forças aplicadas, a estrutura é arrefecida, torna-se endurecida e retém sua forma deformada, mesmo depois que as forças aplicadas são removidas. Posteriormente, na fase final, quando a estrutura precisa retornar à sua forma original, como o momento em que a estrutura atinge o local de destino, o calor é fornecido para que a estrutura atinja sua temperatura de transição de vidro. Finalmente, a estrutura retorna à sua forma original memorizado. A Figura 1 ilustra os vários estágios anteriormente explicados. As SMPS podem ser facilmente esticadas, e existem algumas SMPS que são biocompatíveis e biodegradáveis^9,10. Há muitos usos para SMPS no campo da medicina^9,10, e os stents^11,12 são um deles.

Os padrões dos stents e o projeto de dobramento seguem o projeto de corte de papel japonês chamado “Kirigami”. Este processo se assemelha a técnica de dobradura de papel conhecido chamado “origami”, mas a diferença é que, além de dobrar, o corte do papel também é permitido no projeto. Esta técnica tem sido utilizada em artes e também tem sido aplicada em aplicações de engenharia^2,3,13,14. Em suma, Kirigami pode ser usado para transformar uma estrutura planar para uma estrutura tridimensional, aplicando forças em pontos projetados especificamente. Em nossas exigências do projeto, o stent precisa de ser uma forma cilíndrica simples quando introduzido nos caminhos, e o cilindro deve dividir-se ao longo de seu comprimento onde cada metade deve unfold a uma forma inteiramente cilíndrica na embarcação ramificada alvejada. A solução reside no fato de que o vaso principal e os ramos laterais são dobrados em um único cilindro, de modo que os ramos laterais não interferirá com as paredes dos vasos durante a inserção. O sinal de comando de desdobramento vem do aumento na temperatura ambiental acima da temperatura de transição de vidro do SMP. Adicionalmente, a dobradura será conduzida fora do corpo paciente amaciando o 3D imprimiu o stent bifurcado e dobrando a filial lateral na embarcação principal.

Os métodos convencionais exigiram a inserção de múltiplos stents cilíndricos cujo número é igual ao número de ramos. Este método era inevitável porque as saliências dos ramos laterais dificultaram as paredes dos caminhos e tornaram impossível inserir um stent bifurcado completo em sua totalidade. Usando a estrutura de Kirigami e impressão 4D, os problemas acima podem ser resolvidos. Este protocolo também mostra a visualização da efetividade do método proposto utilizando um modelo de vaso de silicone fabricado após a forma dos vasos sanguíneos. Através deste mock-up, a eficácia da invenção proposta durante o processo de inserção e outras possibilidades de novas aplicações podem ser vistas.

O objetivo deste protocolo é delinear claramente as etapas envolvidas na impressão de um SMP usando uma impressora de modelagem de deposição fundida (FDM). Adicionalmente, as técnicas envolvidas em deformar os stents bifurcado impressos ao estado dobrado, a inserção dos stents bifurcado dobrados ao local de alvo, e a sinalização e desenrolar da estrutura a sua forma original são dadas em detalhe. A demonstração da inserção utiliza um mock-up do silicone de vasos sanguíneos. O protocolo também fornece os procedimentos envolvidos na fabricação deste mock-up usando uma impressora 3D e moldagem.