Stents bifurqués imprimés 4D avec des structures inspirées de Kirigami

Les endoprothèses sont utilisées pour élargir les passages rétrécis ou sténosés chez l’homme, comme les vaisseaux sanguins et les voies respiratoires. Les endoprothèses sont des structures tubulaires qui ressemblent aux passages et soutiennent mécaniquement les passages de l’effondrement ultérieur. Typiquement, les endoprothèses métalliques auto-expansion (SEMS) sont largement adoptées. Ces endoprothèses sont fabriquées à partir d’alliages composés de cobalt-chrome (acier inoxydable) et de nickel-titanium (nitinol)^1,2. L’inconvénient des endoprothèses métalliques est que la nécrose de pression peut exister là où les fils métalliques de l’endoprothèse entrent en contact avec les tissus vivants et les endoprothèses sont touchées. En outre, les vaisseaux du corps peuvent être de forme irrégulière et sont beaucoup plus complexes que de simples structures tubulaires. En particulier, il existe de nombreuses procédures cliniques spécialisées pour installer des endoprothèses dans les lumens ramifiés. Dans un lumen en forme de Y, deux endoprothèses cylindriques sont insérées simultanément et jointes à une branche³. Pour chaque branche supplémentaire, une intervention chirurgicale supplémentaire doit être effectuée. La procédure nécessite des médecins spécialement formés, et l’insertion est extrêmement difficile en raison des caractéristiques saillantes des endoprothèses ramifiées.

La complexité de la forme des endoprothèses bifurquées en fait une cible très appropriée pour l’impression 3D. Les endoprothèses conventionnelles sont produites en masse dans des tailles et des formes standardisées. En utilisant la méthode de fabrication d’impression 3D, il est possible de personnaliser la forme de l’endoprothèse pour chaque patient. Parce que les formes sont faites en ajoutant à plusieurs reprises couche par couche des formes sectionnelles de l’objet cible, en théorie, cette méthode peut être utilisée pour fabriquer des pièces de n’importe quelle forme et taille. Les endoprothèses conventionnelles sont pour la plupart cylindriques. Cependant, les vaisseaux humains ont des branches, et les diamètres changent le long des tubes. En utilisant l’approche proposée, toutes ces variations de formes et de tailles peuvent être prises en compte. En outre, bien qu’ils ne aient pas été démontrés, les matériaux utilisés peuvent également changer au sein d’un seul stent. Par exemple, nous pouvons utiliser des matériaux plus rigides lorsque le soutien est nécessaire et des matériaux plus doux où une plus grande flexibilité est nécessaire.

L’exigence de changement de forme des endoprothèses bifurquées nécessite l’impression 4D, à savoir l’impression 3D avec la considération supplémentaire du temps. Les structures imprimées en 3D formées à l’aide de matériaux spécialisés peuvent être programmées pour changer leur forme par une stimulation externe, comme la chaleur. La transformation est auto-soutenue et ne nécessite aucune source d’énergie externe. Un matériau spécial qui convient à l’impression 4D est un SMP^4,5,^6,7,8,9, qui présente des effets de mémoire de forme lorsqu’il est exposé à un température de transition de déclenchement de verre spécifique au matériau. À cette température, les segments deviennent mous de sorte que la structure retrouve sa forme d’origine. Une fois la structure imprimée en 3D, elle est chauffée à une température légèrement supérieure à la température de transition du verre. À ce stade, la structure devient molle, et nous sommes en mesure de déformer la forme en appliquant des forces. Tout en maintenant les forces appliquées, la structure est refroidie, se durcit et conserve sa forme déformée, même après que les forces appliquées sont enlevées. Par la suite, à l’étape finale, lorsque la structure doit retrouver sa forme d’origine, comme le moment où la structure atteint le site cible, la chaleur est fournie de sorte que la structure atteigne sa température de transition en verre. Enfin, la structure retrouve sa forme originale mémorisée. La figure 1 illustre les différentes étapes expliquées précédemment. Les SMP peuvent être facilement étirés, et il ya quelques SMP qui sont biocompatibles et biodégradables^9,10. Il existe de nombreuses utilisations pour les SMP dans le domaine de la médecine^9,10, et les endoprothèses^11,12 sont l’un d’eux.

Les motifs des endoprothèses et la conception pliante suivent la conception japonaise de découpe de papier appelée « kirigami ». Ce processus ressemble à la technique bien connue de pliage de papier appelée « origami », mais la différence est qu’en plus du pliage, la coupe du papier est également autorisée dans la conception. Cette technique a été utilisée dans les arts et a également été appliquée dans les applications d’ingénierie^2,3,13,14. En bref, kirigami peut être utilisé pour transformer une structure planaire en une structure tridimensionnelle en appliquant des forces à des endroits spécialement conçus. Dans nos exigences de conception, l’endoprothèse doit être une forme cylindrique simple lorsqu’il est inséré dans les voies, et le cylindre doit se diviser le long de sa longueur où chaque moitié doit se dérouler à une forme entièrement cylindrique au navire ramifié ciblé. La solution réside dans le fait que le navire principal et les branches latérales sont repliés dans un seul cylindre de sorte que les branches latérales n’interfèrent pas avec les parois des navires pendant l’insertion. Le signal de commande qui se déroule provient de l’augmentation de la température ambiante au-dessus de la température de transition en verre du SMP. En outre, le pliage sera effectué à l’extérieur du corps du patient en ramollissant l’endoprothèse bifurquée imprimée en 3D et en pliant la branche latérale dans le récipient principal.

Les méthodes conventionnelles ont exigé l’insertion de plusieurs endoprothèses cylindriques dont le nombre est égal au nombre de branches. Cette méthode était inévitable parce que les saillies des branches latérales empêchaient les parois des voies et rendaient impossible l’insertion d’un stent bifurqué complet dans son intégralité. En utilisant la structure kirigami et l’impression 4D, les problèmes ci-dessus peuvent être résolus. Ce protocole montre également la visualisation de l’efficacité de la méthode proposée à l’aide d’un modèle de vaisseau en silicone fabriqué après la forme des vaisseaux sanguins. Grâce à cette maquette, l’efficacité de l’invention proposée au cours du processus d’insertion et d’autres possibilités de nouvelles applications peuvent être vus.

Le but de ce protocole est de décrire clairement les étapes de l’impression d’un SMP à l’aide d’une imprimante de modélisation de dépôt fusionnée (FDM). En outre, les techniques impliquées dans la déformation des endoprothèses bifurquées imprimées à l’état plié, l’insertion des endoprothèses pliées bifurquées sur le site cible, et la signalisation et le déploiement de la structure à sa forme originale sont donnés en détail. La démonstration de l’insertion utilise une maquette en silicone des vaisseaux sanguins. Le protocole fournit également les procédures impliquées dans la fabrication de cette maquette à l’aide d’une imprimante 3D et de moulage.