Быстрое формирование и тестирование саморасширяющихся NiTi-каркасов с малым форм-фактором, подходящих для минимально инвазивных имплантатов

Эта работа иллюстрирует недорогую технику изготовления нитиноловых проводов/каркасов с малым форм-фактором с использованием жертвенных приспособлений. Этот метод демонстрируется для изготовления саморасширяющихся каркасов, предназначенных для минимально инвазивных имплантатов сложной формы.

Провода NiTiNOL (обычно называемые нитинолом или NiTi) отличаются исключительной памятью формы и сверхэластичными характеристиками, в то время как установка формы часто является дорогостоящим процессом. Среди этапов этого процесса термическая обработка требует воздействия высоких температур для придания формы. Традиционно для этой цели используются металлические приспособления. Однако затраты на их производство могут быть значительными, что не идеально для итерации прототипов. Эта работа демонстрирует недавно внедренный подход с использованием жертвенных приспособлений из медных труб, что устраняет необходимость в дорогостоящих приспособлениях. Эти медные трубки позволяют формировать сложные геометрические формы и служат основой для различных этапов производственного процесса. Кроме того, персульфат аммония используется для селективного травления меди, что упрощает производство NiTi рам. Результаты данной работы подтверждают эффективность данной методики и демонстрируют успешное формирование формы никель-титановых проводов для саморасширяющихся каркасов. Эта методология прокладывает путь для будущих исследований, позволяя быстро создавать прототипы каркасов NiTi для различных приложений, особенно в медицинских устройствах.

Никель-титановые провода широко используются в медицинских имплантатах, но требуют первоначального процесса придания формы во время изготовления устройства¹. Из NiTi изготавливают различные устройства, в том числе катетерные трубки, проводники, корзины для забора камней, фильтры, иглы, стоматологические пилки, а также другие хирургические^{инструменты2}. Биосовместимость, сверхупругость и усталостная прочность NiTi делают его пригодным для этих применений. Кроме того, он находит применение в автомобильной и аэрокосмической промышленности³.

Использование NiTi ограничено из-за его высокой стоимости и сложных процессов, необходимых для придания формы. В процессе формирования формы NiTi структуры традиционно подвергаются воздействию высоких температур (около 500 °C), находясь в приспособлении⁴. Эта повышенная температура, а также напряжения в процессе формирования формы требуют приспособления с высокой механической прочностью. Вот почему типичные светильники обычно изготавливаются из металлов¹. Таким образом, использование металлических приспособлений, которые обычно подвергаются механической обработке, увеличивает затраты и создает проблемы для быстрого прототипирования и тестирования структур из NiTi. Один из альтернативных подходов включает использование реконфигурируемых приспособлений, изготовленных из контактов и пластин¹, что упрощает процесс; Однако этот процесс имеет ограничения в формировании сложных геометрических форм. Соответственно, недорогой процесс формирования формы с использованием недорогих материалов и производства крайне желателен для исследований, требующих создания формообразующих никель-титановых рам.

Чтобы удовлетворить потребность в быстром прототипировании NiTi, мы недавно представили протокол с использованием недорогих деталей, напечатанных на 3D-принтере, и создали производство формообразующих NiTi проводов⁵. Этот метод включает в себя жертвенные приспособления с минимальной массой. Показано, что приспособление полезно для обеспечения безопасности никель-титановой проволоки во время процессов формовки проволоки и формообразования (термообработки). Медные трубки использовались как доступный и недорогой материал. Он действует как усиливающее жертвенное приспособление, а стандартные методы гибки проволоки могут использоваться для придания формы сложным конструкциям. Было замечено, что в качестве альтернативы можно использовать латунные трубки. Персульфат аммония использовался на заключительной стадии селективного травления меди после процесса отжига. На этом этапе окончательно были высвобождены нитниевые провода. Этот подход иллюстрирует инновационное использование жертвенных конструкций в качестве прокладок. Когда этот подход сочетается с аддитивным производством, можно добиться изготовления сложных форм.

Испытание на развертывание in vitro является одним из основных тестов для оценки возможности создания саморасширяющегося прототипа имплантата, предназначенного для развертывания через катетер. Эти тесты включают в себя оценку того, может ли саморасширяющийся имплантат успешно пройти через тубус/катетер требуемого размера. Такие тесты использовались в различных транскатетерных устройствах или прототипах имплантатов; некоторые примеры включают окклюдеры ушка левого предсердия ^6,7, мягкие стенты⁸, отводящий поток NiTi⁹ и стенты^{NiTi 10}. Эти работы подчеркивают необходимость в методологии быстрого изготовления NiTi-каркасов со сложной топологией, которые могли бы саморасширяться через катетеры, тем самым удовлетворяя предварительные требования к транскатетерному имплантату.

Цель этого документа — описать экономически эффективные и хорошо продуманные методы производства, предоставив подробное пошаговое руководство по каждому процессу. Основное внимание в нем уделяется демонстрации различных саморасширяющихся каркасов из никель-титановой проволоки, подходящих для имплантатов, и анализируются ключевые аспекты метода, необходимого для создания сложных топологий с использованием доступных и эффективных методов. Эта статья включает в себя тестирование этих каркасов и их развертывание через катетер Fr-12 в настольной установке, которая имитирует доставку трансептального имплантата в межпредсердную перегородку. Этот тест аналогичен базовым тестам, применяемым в предыдущей работе ^6,8. Этот метод продемонстрировал возможность развертывания прототипа саморасширяющейся рамы после прохождения через катетер. В конечном счете, эта методология может помочь определить, может ли определенная топология/конструкция для каркаса NiTi удовлетворить предварительные механические требования для развертывания через конкретный катетер.

В то время как данная работа сосредоточена на изготовлении прототипов NiTi рам и базовой характеристике их топологии и конформности, для разработки имплантатов необходимы различные другие характеристики¹¹ и нормативные испытания^{безопасности 12,13}. Некоторые характеристики включают в себя определение характеристик поверхностных свойств/химический состав¹⁴, коррозию¹⁴, анализ усталости¹³, гемосовместимость¹³ и биосовместимость¹⁵.

ПРИМЕЧАНИЕ: Смотрите Таблицу материалов для получения подробной информации обо всех материалах, используемых в этом протоколе. На рисунке 1A показан пример рамы из меди/NiTi. Используйте защитные перчатки.

1. Итерация дизайна никель-титановой рамы/прототипа

1. Выровняйте никель-титановую проволоку внутри медных трубок (или латунных трубок; Рисунок 2А).
   1. Выберите никель-титановую проволоку (0,008 дюйма) и медную трубку (внешний диаметр 1,00 мм x 400 мм).
   2. Включите стереоскоп и визуально посмотрите на NiTi на мониторе и медь во время манипуляций с ними. Выровняйте провод внутри трубки. Полностью вставьте проволоку в трубку.
2. Подготовьте приспособления, напечатанные на 3D-принтере (Рисунок 2B-D).
   1. Скачать один файл . STL-файл для прибора/шаблона (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для некоторых . Примеры файлов STL, см. этот репозиторий (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
   2. Если требуется какая-либо корректировка, загрузите файл . SDLRD из того же репозитория, внесите корректировки в собственное программное обеспечение САПР, а затем экспортируйте его как файл . STL. Кроме того, можно создать модель в программном обеспечении САПР с открытым исходным кодом и экспортировать . STL.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Для некоторых . SDLRD или . Примеры проектирования FCSTD см. в этом репозитории (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
   3. Откройте программное обеспечение для нарезки (например, Elegoo Cura) и импортируйте файл . STL. Выберите объект для 3D-печати и нажмите на нижнюю часть панели среза. Сохраните файл. gcode и сохраните его на карте micro-SD. Вытащите карту micro-SD.
   4. Включите 3d принтер FDM. Вставьте карту micro-sd. На экране выберите «Готовить» | «Разогреть» | НОАК. Выберите назад | печать. Выберите файл .gcode и нажмите « Печать».
   5. Оставьте станок для 3D-печати детали.
   6. После завершения 3D-печати извлеките напечатанную деталь и вырежьте любую опорную часть с помощью плоскогубцев.
   7. Подпилите деталь, где есть грубые края, и отметьте маркером участки, которые нужно просверлить.
   8. Просверлите отверстия в геометрии, напечатанной на 3D-принтере, с помощью ручной дрели (Рисунок 2B).
      ВНИМАНИЕ: Используйте защитные перчатки и защитные очки.
   9. Проденьте винты через отверстия напечатанной на 3D-принтере детали с помощью отвертки (рис. 2C).
3. Сформируйте 3D-структуру Cu/NiTi с помощью приспособления и ручных инструментов. Проденьте проволоку через отверстия и пошагово согните ее над саморезами. При необходимости согните проволоку с помощью ручных инструментов (Рисунок 2D, E).
   1. Удерживая NiTi/Cu, пропустите его через центральное отверстие. Затем сложите/согните трубку Cu с помощью пинцета или плоскогубцев вокруг всех винтов, чтобы сформировать желаемую форму (рисунок 2E).
   2. Открутите винты. Нагрейте напечатанный на 3D-принтере приспособление (из шага 1.2) с помощью паяльного пистолета.
   3. Используйте ножницы, чтобы вырезать напечатанную на 3D-принтере деталь. Удалите ненужную 3D-деталь с помощью пинцета или плоскогубцев (рис. 2F).
4. Термическая обработка структуры/рамы NiTi/Cu (Рисунок 2G).
   1. Включите трубу печи и следите за температурой с помощью термопары. Когда температура достигнет 500 °C, поместите медно-никелевую раму в печь на 3 минуты.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Используйте высокотемпературные перчатки, лабораторный халат и защитный лицевой щиток.
   2. Контролируйте температуру с помощью термопар типа К, поместив термометр в трубчатую печь.
   3. Через 3 минуты извлеките никель-медийную раму с помощью крючка (рис. 2H) и закалите ее в дистиллированной воде.
5. Протравите жертвенные медные трубки (рисунок 2I).
   1. Взвесьте персульфат аммония на весах. Также взвесьте воду в стеклянной емкости. Смешайте их так, чтобы масса персульфата аммония составляла 23% от массы воды.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Проделайте этот процесс внутри вытяжного шкафа и используйте лабораторный халат, безопасное стекло и защитные перчатки.
   2. Добавьте персульфат аммония для достижения 23% весового соотношения (персульфат аммония к воде). Размешайте раствор с помощью стеклянной мешалки до полного растворения персульфата аммония.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Проделайте этот процесс внутри вытяжного шкафа и используйте лабораторный халат, безопасное стекло и защитные перчатки.
   3. Погрузите NiTi/Cu из шага 1.3 в раствор на ~8 часов для травления меди (Рисунок 2I).
      ПРИМЕЧАНИЕ: Проделайте этот процесс внутри вытяжного шкафа и наденьте лабораторный халат, безопасное стекло и защитные перчатки.
   4. Визуально следите за медным травлением. Если они протравлены не полностью, утилизируйте травление, изготовьте свежий травитель (см. пункты 1.5.1 и 1.5.2) и вылейте свежий травитель в контейнер.
   5. Если медь полностью протравлена, выньте ее с помощью пинцета (рис. 2J) и промойте освободившуюся никель-титановую рамку в дистиллированной воде, трижды промыв ее. На рисунке 1B приведен пример освобожденного кадра NiTi после выполнения этих шагов.
   6. Включите микроскоп. Поместите никель-титановый провод под микроскоп; Обратите внимание на любую нежелательную кривизну или размеры.

2. Обшивка боковых сторон рамы пленками или тканью

1. Покройте ароматическим полиуретановым эластомером (поликарбонат уретан является альтернативой, см. Таблицу материалов; полный протокол приведен в другом месте⁶).
   1. Поместите 4-дюймовую кремниевую пластину в кислородную плазменную машину и обрабатывайте ее плазмой в течение 2 минут. Далее извлеките клеевую пластину.
   2. Откройте вакуумный эксикатор и вылейте несколько капель силана (C₈H₄Cl₃F₁₃Si; см. Таблицу материалов) в пластиковый контейнер в эксикаторе.
   3. Поместите в эксикатор, закройте крышку и подайте вакуум на эксикатор.
   4. Закройте клапан эксикатора и выключите вакуумный насос.
   5. Оставьте эксикатор на 2 часа, после чего извлеките силиконовую пластину.
   6. Поместите пластину на отвержную машину, отцентрируйте ее по центру и налейте на ее центр немного ароматического или алифатического полиуретанового эластомера, растворенного в DMAc (см. Таблицу материалов).
   7. Прядите облатку; затем извлеките и поместите ее в духовку при температуре 80 °C на 2 часа под вытяжной шкаф.
   8. Через 2 часа достаньте пластину и снимите отвержденную пленку с помощью пинцета (при необходимости используйте пальцы).
   9. Отклеенную пленку разрежьте на более мелкие кусочки с помощью ножниц.
2. Термическое прессование ароматических полиуретановых эластомерных пленок на никель-титановых рамах.
   1. Спроектируйте дистанционную рамку для процедуры термообработки.
   2. Используйте собственное программное обеспечение САПР или программное обеспечение с открытым исходным кодом для проектирования распорки, экспортируйте . STL в среде и разрежьте объект для создания файлов gcode (см. шаг 1.2.3). В качестве альтернативы загрузите и используйте предоставленную конструкцию распорки (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
   3. Начните 3D-печать распорки, открыв . STL в программном обеспечении для нарезки (например, CHITUBOX), В качестве альтернативы следуйте шагам 3D-печати в 1.2.4, 1.2.5 вместо 2.2.4, 2.2.5 и 2.2.6.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Дистанционная рамка, изготовленная на последних этапах, будет иметь более длительный срок службы.
   4. Выберите объект для 3D-печати, нажмите на панель среза и сохраните файл в формате . Формат CBT на USB-накопителе.
   5. Вставьте USB-накопитель в 3D-принтер SLA, залейте фотополимерную смолу в контейнер 3D-принтера, включите 3D-принтер, выберите печать и нажмите на знак треугольника, чтобы начать процесс 3D-печати.
   6. После завершения процесса 3D-печати снимите распорку с печатного стола, поместите ее на 10 минут внутрь УФ-светодиодной системы, затем промойте в воде и храните до следующих шагов.
   7. Откройте термопресс.
   8. Заламинируйте пленку полиуретанового эластомера на распорку (Рисунок 2K) и поместите никель-титановую проволоку/рамку вокруг распорки и поверх пленки. На проволоку нанесите второй слой пленки. Установите температуру на уровне 240 °F (при желании добавьте дополнительные слои эластомеров между двумя слоями или между полиуретаном и распоркой, чтобы избежать адгезии).
   9. Закройте верхнюю часть пресса и зафиксируйте ее; Подождите 60 с.
   10. Повторите тот же процесс термопрессования для другой стороны никель-титанового каркаса и дистанционной рамки.
   11. Разрежьте ножницами лишние части склеенной пленки (Рисунок 2L).
   12. В качестве альтернативы склеиванию термопластичных материалов накрывайте каркас из никель-титановой проволоки, пришивая ПЭТ-ткани.
       ПРИМЕЧАНИЕ: На рисунке 3 показана рама, покрытая слоями гемосовместимого полимера. Здесь слои включают в себя дополнительный слой полидиметилсилоксана с микроструктурой, который зажат между ними.

3. Развертывание тестового фрейма

1. Держите катетер FR 12 рукой (рисунок 4A) и пропустите его через расширитель и иглу (рисунок 4B,C).
2. Закрепите силиконовую деталь на держателе (рисунок 4E).
3. С помощью иглы и расширителя создайте отверстие в силиконовой детали (рисунок 4E).
4. Постепенно вводите катетер через отверстие (рисунок 4F) и втяните расширитель и иглу.
5. Сложите никель-металлистическую рамку и протолкните ее через проксимальный конец катетера (рисунок 4G).
6. Сдвиньте рамку к дистальному концу катетера с помощью стержня из политетрафторэтилена (ПТФЭ) (рисунок 4D).
7. Сместите первую сторону рамы NiTi (рис. 4I).
8. Втяните уловитель (Рисунок 4H) и сместите вторую сторону NiTi-рамы с другой стороны силиконовой резины (Рисунок 5).
9. Осмотрите раму под микроскопом, чтобы проверить ее на наличие неисправностей или нежелательных деформаций.

Никель-титановые рамы были приданы различным топологиям с использованием недорогих пластиковых приспособлений и ручных инструментов (рис. 1). На этапах протокола с 1.1 по 1.4 (рис. 1A) кадры NiTi/Cu были сформированы в сложные топологии. В соотв...

В этом протоколе несколько этапов требуют тщательного внимания, таких как термическая обработка (отжиг), травление и проектирование приспособлений, напечатанных на 3D-принтере. Большие колебания температуры от 500 °C ¹⁷ или времени отжига NiTi могут отрицател?...

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Исследование, представленное в этой публикации, было поддержано Национальным институтом биомедицинской визуализации и биоинженерии Национальных институтов здравоохранения под номером R21EB030654. Ответственность за содержание лежит исключительно на авторах и не обязательно отражает официальную точку зрения Национальных институтов здравоохранения. С. Алайе и Х. Мата также благодарят факультет механической и аэрокосмической инженерии и Инженерный колледж Университета штата Нью-Мексико за их поддержку. Авторы благодарят Оскара Лару и Анхеля де Хесуса Зунигу Рамиреса за их вклад в создание рисунка 2 и редактирование ссылок. Авторы также благодарят Андреа Гонсалес Мартинес и Хесус Армандо Хиль Парра за их вклад в демонстрации видео.