キリガミ風構造の4Dプリント分岐ステント

ステントは、血管や気道などのヒトの狭窄または狭窄した通路を広げるのに用いられる。ステントは、通路に似た管状の構造であり、機械的にさらなる崩壊からの通路をサポートします。典型的には、自己膨張金属ステント(SEMS)が広く採用されている。これらのステントはコバルトクロム(ステンレス鋼)およびニッケルチタン(ニチノール)1、2から成る合金からなされる。金属ステントの欠点は、ステントの金属ワイヤーが生組織に接触し、ステントが影響を受ける場合に、圧力壊死が存在する可能性があることです。さらに、体の血管は不規則な形にすることができ、単純な管状構造よりもはるかに複雑です。特に、分岐した内膜にステントを取り付ける多くの専門的な臨床手順があります。Y字型のルーメンでは、2つの円筒形のステントが同時に挿入され、分岐3で結合されます。各追加の分岐のために、追加の外科的処置を行う必要があります。プロシージャは特別な訓練を受けた医者を要求し、挿入は分岐したステントの突出した特徴のために非常に挑戦的である。

二股ステントの形状の複雑さは、3Dプリンティングに非常に適したターゲットになります。従来のステントは、標準化されたサイズと形状で大量生産されています。3Dプリンティング製作方法論を用いて、患者毎にステントの形状をカスタマイズすることができる。シェイプは、ターゲット オブジェクトの断面形状のレイヤーごとに繰り返し追加することで行われるため、理論的には、この方法を使用して、任意の形状とサイズのパーツを製造できます。従来のステントは、主に円筒形の形状である。しかし、人間の血管には枝があり、直径は管に沿って変化します。提案されたアプローチを使用して、形状およびサイズのすべてのこれらの変化を収容することができる。さらに、実証されていないが、使用される材料はまた、単一のステント内で変更することができます。例えば、サポートが必要な硬質な材料や、より柔軟性が求められる柔らかい素材を使用できます。

二股ステントの形状変化要件は、4Dプリンティング、すなわち、時間の追加の考慮と3D印刷を必要とします。特殊な材料を用いて形成された3Dプリント構造は、熱などの外部刺激によって形状を変化させるプログラムが可能です。変換は自立的であり、外部電源は必要ありません。4Dプリンティングに適した1つの特殊な材料は、SMP4、5、6、7、8、9^であり、それにさらされたときに形状記憶効果を発揮する材料特異的トリガガラス遷移温度。この温度では、セグメントが柔らかくなり、構造が元のシェイプに戻ります。構造が3Dプリントされた後、ガラス転移温度をわずかに上回る温度に加熱される。この時点で構造が柔らかくなり、力を加えることで形状を変形させることができる。適用された力を維持しながら、構造は冷却され、硬化し、適用された力が除去された後でも、その変形形状を保持します。その後、最終段階で、構造がターゲット部位に到達した瞬間など、構造が元の形状に戻る必要がある場合、構造がガラス遷移温度に達するように熱が供給されます。最後に、構造体は記憶された元の形状に戻ります。図1は、前に説明した様々な段階を示す。SM は簡単に引き伸ばすことができ、生体適合性と生分解性^9、10の SM があります。医学9、10、ステント11、12の分野ではSMの多くの用途があります。

ステントの模様と折りたたみデザインは、「切り紙」と呼ばれる和紙の切削デザインに従っています。このプロセスは、「折り紙」と呼ばれるよく知られている紙の折りたたみ技術に似ていますが、違いは、折りたたみに加えて、紙の切断も設計に許可されていることです。この技術は、芸術に使用され、また、エンジニアリングアプリケーション2、3、13、14に適用されています。要するに、キリガミは、具体的に設計されたスポットに力を加えることによって、平面構造を3次元構造に変換するために使用することができます。私たちの設計要件では、ステントは経路に挿入される際に単純な円筒形状である必要があり、シリンダーは、各半分がターゲット分岐容器で完全に円筒形に展開する必要があり、その長さに沿って分割する必要があります。解決策は、主な容器と側枝が挿入中に容器の壁に干渉しないように、単一のシリンダーに折り畳まれるという事実にあります。展開コマンド信号は、SMPのガラス遷移温度を上回る周囲温度の上昇から来ています。さらに、折りたたみは、3Dプリントされた二股ステントを柔らかくし、側面の枝をメイン容器に折りたたむことで、患者の体外で行われます。

従来の方法では、その数が分岐の数に等しい複数の円筒形ステントの挿入が必要でした。側枝の突起が経路の壁を妨げ、完全な二股ステントを完全に挿入することが不可能にしたため、この方法は避けられませんでした。切り紙構造と4Dプリンティングを用いて、上記の問題を解決することができます。このプロトコルはまた、血管の形状の後に製造されたシリコーン血管モデルを用いて提案された方法の有効性の可視化を示す。このモックアップを通じて、挿入プロセス中に提案された発明の有効性と新しいアプリケーションのさらなる可能性が見られます。

このプロトコルの目的は、融合堆積モデリング (FDM) プリンタを使用して SMP の印刷に関連する手順を明確に概説することです。さらに、印刷された二股ステントを折りたたまれた状態に変形させる技術、折り畳まれた分岐ステントをターゲット部位に挿入すること、および構造のシグナリングと展開を元の形状に詳細に与える。挿入のデモンストレーションは、血管のシリコーンモックアップを利用しています。このプロトコルは、3Dプリンターと成形を使用してこのモックアップを製造する手順も提供します。