التكوين السريع والاختبار لإطارات NiTi ذاتية التوسع بعامل شكل صغير مناسب للغرسات طفيفة التوغل

يوضح هذا العمل تقنية تصنيع منخفضة التكلفة لأسلاك / إطارات النيتينول التي تحدد الشكل بعامل شكل صغير باستخدام تركيبات القرابين. تم عرض هذه التقنية لتصنيع إطارات ذاتية التوسع مصممة للغرسات طفيفة التوغل ذات الأشكال المعقدة.

تتميز أسلاك NiTiNOL (يشار إليها عادة باسم nitinol أو NiTi) بذاكرة شكل استثنائية وخصائص فائقة المرونة ، في حين أن تحديد الشكل غالبا ما يكون عملية مكلفة. من بين خطوات هذه العملية ، تتطلب المعالجة الحرارية التعرض لدرجات حرارة عالية لضبط الشكل. تقليديا ، يتم استخدام التركيبات المعدنية لهذا الغرض. ومع ذلك ، يمكن أن تكون تكاليف التصنيع كبيرة ، وهو أمر غير مثالي لتكرار النماذج الأولية. يوضح هذا العمل نهجا تم تقديمه مؤخرا باستخدام تركيبات القرابين المصنوعة من الأنابيب النحاسية ، مما يلغي الحاجة إلى تركيبات باهظة الثمن. تسمح هذه الأنابيب النحاسية بتكوين أشكال هندسية معقدة ، وتوفر سقالة لمراحل مختلفة من عملية التصنيع. علاوة على ذلك ، يتم استخدام بيرسلفات الأمونيوم لحفر النحاس الانتقائي ، مما يبسط إنتاج إطارات NiTi. تؤكد نتائج هذا العمل فعالية هذه التقنية وتوضح الإعداد الناجح لأسلاك NiTi للإطارات ذاتية التمدد. تمهد هذه المنهجية الطريق للبحث المستقبلي ، مما يسمح بالنماذج الأولية السريعة لإطارات NiTi السلكية لمختلف التطبيقات ، خاصة تلك الموجودة في الأجهزة الطبية.

تستخدم أسلاك NiTi على نطاق واسع في الغرسات الطبية ولكنها تتطلب عملية تحديد الشكل الأولية أثناء تصنيع الجهاز¹. تصنع العديد من الأجهزة من NiTi ، بما في ذلك أنابيب القسطرة ، والأسلاك التوجيهية ، وسلال استرجاع الحجر ، والمرشحات ، والإبر ، وملفات الأسنان ، بالإضافة إلى الأدوات الجراحية الأخرى². التوافق الحيوي والمرونة الفائقة ومقاومة التعب في NiTi تجعله مناسبا لهذه التطبيقات. بالإضافة إلى ذلك ، لها تطبيقات في صناعات السيارات والفضاء³.

استخدام NiTi محدود بسبب تكلفته العالية والعمليات المعقدة اللازمة لإعداد الشكل. في عملية تحديد الشكل ، تتعرض هياكل NiTi تقليديا لدرجات حرارة عالية (حوالي 500 درجة مئوية) بينما تكون محصورة في تركيبات⁴. تتطلب درجة الحرارة المرتفعة هذه ، بالإضافة إلى الضغوط أثناء عملية تحديد الشكل ، تركيبا ذا قوة ميكانيكية عالية. هذا هو السبب في أن التركيبات النموذجية عادة ما تكون مصنوعة من المعادن¹. على هذا النحو ، فإن استخدام التركيبات المعدنية التي يتم تشكيلها عادة يزيد من التكاليف ويشكل تحديات للنماذج الأولية السريعة واختبار هياكل NiTi. يتضمن أحد الأساليب البديلة استخدام تركيبات قابلة لإعادة التكوين مصنوعة من المسامير والألواح¹ ، مما يبسط العملية. ومع ذلك ، فإن هذه العملية لها قيود في تشكيل الأشكال الهندسية المعقدة. وفقا لذلك ، فإن عملية تحديد الشكل منخفضة التكلفة باستخدام مواد وتصنيع منخفض التكلفة أمر مرغوب فيه للغاية للبحث الذي يتطلب إطارات NiTi لتحديد الشكل.

لتلبية الحاجة إلى النماذج الأولية السريعة ل NiTi ، قدمنا مؤخرا بروتوكولا يستخدم الأجزاء المطبوعة ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة والتصنيع المصنوع لأسلاك NiTi^{5 التي تحدد} الشكل. تتضمن هذه الطريقة تركيبات القرابين ذات الحد الأدنى من الكتلة. ثبت أن التركيبات مفيدة في تأمين سلك NiTi أثناء عمليات تشكيل الأسلاك وضبط الشكل (المعالجة الحرارية). تم استخدام الأنابيب النحاسية كمادة يسهل الوصول إليها ومنخفضة التكلفة. إنه بمثابة تركيبات تقوية القرابين ويمكن استخدام تقنيات ثني الأسلاك القياسية لوضع الهياكل المعقدة لتشكيل الشكل. لوحظ أنه يمكن استخدام الأنابيب النحاسية كبديل. تم استخدام بيرسلفات الأمونيوم في المرحلة النهائية للنقش الانتقائي للنحاس ، بعد عملية التلدين. أصدرت هذه الخطوة أخيرا أسلاك NiTi ذات الشكل. يوضح هذا النهج الاستخدام المبتكر لهياكل القرابين كمفاصلات. عندما يتم الجمع بين هذا النهج والتصنيع الإضافي ، يمكن تحقيق تصنيع الأشكال المعقدة.

يعد اختبار النشر في المختبر من بين الاختبارات الأساسية لتقييم جدوى النموذج الأولي للزرع ذاتي التوسع ، المصمم ليتم نشره من خلال قسطرة. تتضمن هذه الاختبارات تقييم ما إذا كانت الغرسة ذاتية التوسع يمكن أن تمر بنجاح عبر غمد / قسطرة ذات البعد المطلوب. وقد استخدمت هذه الاختبارات في مختلف الأجهزة عبر القسطرة أو نماذج الزرع. تتضمن بعض الأمثلة انسداد الزائدة الأذينية اليسرى^6،7 ، والدعامات الناعمة⁸ ، ومحول تدفق NiTi⁹ ، ودعامات NiTi¹⁰. تسلط هذه الأعمال الضوء على الحاجة إلى منهجية لتصنيع إطارات NiTi بسرعة مع طبولوجيا معقدة ، والتي يمكن أن تتوسع ذاتيا من خلال القسطرة وبالتالي تلبية المتطلبات الأولية لزرع القسطرة.

الهدف من هذه الورقة هو تحديد طرق التصنيع الفعالة من حيث التكلفة والمصممة جيدا ، وتوفير دليل مفصل خطوة بخطوة خلال كل عملية. يركز على إظهار مجموعة متنوعة من إطارات أسلاك NiTi ذاتية التوسع المناسبة للغرسات ويحلل الجوانب الرئيسية للطريقة اللازمة لإنتاج طبولوجيا معقدة باستخدام تقنيات ميسورة التكلفة وفعالة. تتضمن هذه الورقة اختبار هذه الإطارات ونشرها من خلال قسطرة Fr-12 في إعداد على الطاولة يحاكي توصيل الغرسة عبر الحجز الأذيني. هذا الاختبار مشابه للاختبارات الأساسية ، التي يستخدمها العمل السابق^6،8. أظهرت هذه الطريقة القدرة على نشر نموذج أولي لإطار ذاتي التمدد بعد المرور عبر قسطرة. في النهاية ، يمكن أن تساعد هذه المنهجية في تحديد ما إذا كان طوبولوجيا / تصميم معين لإطار NiTi يمكن أن يفي بالمتطلبات الميكانيكية الأولية للنشر من خلال قسطرة معينة.

بينما يركز هذا العمل على تصنيع النماذج الأولية لإطارات NiTi والتوصيف الأساسي لطوبولوجيتها وتوافقها ، فإن العديد من التوصيفات الأخرى¹¹ واختبارات السلامة التنظيمية^12،13 ضرورية لتطوير الغرسات. تتضمن بعض التوصيفات توصيف خصائص السطح / الكيمياء¹⁴ ، والتآكل¹⁴ ، وتحليل التعب¹³ ، والتوافق الدموي¹³ ، والتوافق الحيوي¹⁵.

ملاحظة: راجع جدول المواد للحصول على تفاصيل تتعلق بجميع المواد المستخدمة في هذا البروتوكول. يوضح الشكل 1 أ مثالا على الإطار النحاسي / NiTi. استخدم قفازات الأمان.

1. تكرار تصميم إطار / نموذج أولي NiTi

1. قم بمحاذاة سلك NiTi داخل الأنابيب النحاسية (أو الأنابيب النحاسية ؛ الشكل 2 أ).
   1. حدد سلك NiTi (0.008 بوصة) وأنبوب نحاسي (OD 1.00 مم × 400 مم).
   2. قم بتشغيل المجسم وانظر بصريا إلى NiTi على الشاشة والنحاس أثناء التلاعب بها. قم بمحاذاة السلك داخل الأنبوب. ادفع السلك بالكامل في الأنبوب.
2. إعداد تركيبات مطبوعة ثلاثية الأبعاد (الشكل 2B-D).
   1. قم بتنزيل واحد . STL للتركيبات / القالب (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
      ملاحظة: بالنسبة للبعض . أمثلة على ملفات STL، راجع هذا المستودع (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
   2. إذا كانت هناك حاجة إلى أي تعديل، فقم بتنزيل ملف . SDLRD من نفس المستودع ، قم بإجراء تعديلات على التصميم في برنامج CAD المناسب ، ثم قم بتصديره كملف . ملف STL. بدلا من ذلك ، قم بإنشاء نموذج في برنامج CAD مفتوح المصدر وقم بتصدير ملف . ملف STL.
      ملاحظة: بالنسبة للبعض . SDLRD أو . أمثلة تصميم FCSTD ، راجع هذا المستودع (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
   3. افتح برنامج التقطيع (على سبيل المثال ، Elegoo Cura) واستورد ملف . ملف STL. حدد الكائن المراد طباعته ثلاثية الأبعاد وانقر على الجزء السفلي من جزء الشريحة. احفظ الملف. gcode واحفظه على بطاقة micro-SD. اسحب بطاقة micro-SD للخارج.
   4. قم بتشغيل طابعة FDM 3D. ضع بطاقة micro-sd. من الشاشة، حدد تحضير | التسخين المسبق | جيش التحرير الشعبى الصينى. حدد رجوع | طباعة. حدد ملف .gcode ثم انقر فوق طباعة.
   5. اترك الجهاز لطباعة الجزء ثلاثي الأبعاد.
   6. بعد الانتهاء من الطباعة ثلاثية الأبعاد ، قم بإزالة الجزء المطبوع وقم بقص أي جزء دعم باستخدام كماشة.
   7. قم بحفظ الجزء ، حيث توجد حواف خشنة ، وحدد المناطق المراد حفرها بعلامة.
   8. قم بحفر ثقوب في الهندسة المطبوعة ثلاثية الأبعاد باستخدام مثقاب يدوي (الشكل 2 ب).
      تنبيه: استخدم قفازات السلامة ونظارات السلامة.
   9. قم بتمرير البراغي من خلال فتحات الجزء المطبوع ثلاثي الأبعاد باستخدام مفك البراغي (الشكل 2C).
3. تشكيل الهيكل 3D من Cu / NiTi باستخدام تركيبات والأدوات اليدوية. مرر السلك عبر الثقوب وثنيه فوق البراغي خطوة بخطوة. إذا لزم الأمر ، قم بثني السلك باستخدام الأدوات اليدوية (الشكل 2D ، E).
   1. امسك NiTi / Cu وقم بتمريره عبر الفتحة المركزية. بعد ذلك ، قم بطي / ثني أنبوب النحاس باستخدام ملاقط أو كماشة حول جميع البراغي لتشكيل الشكل المطلوب (الشكل 2 ه).
   2. قم بفك البراغي. تسخين لتليين تركيبات 3D المطبوعة (من الخطوة 1.2) باستخدام مسدس لحام.
   3. استخدم المقص لقص الجزء المطبوع ثلاثي الأبعاد. قم بإزالة الجزء ثلاثي الأبعاد غير المرغوب فيه باستخدام ملاقط أو كماشة (الشكل 2F).
4. المعالجة الحرارية لهيكل / إطار NiTi / Cu (الشكل 2G).
   1. قم بتشغيل أنبوب الفرن ومراقبة درجة الحرارة باستخدام مزدوج حراري. عندما تصل درجة الحرارة إلى 500 درجة مئوية ، ضع إطار Cu / NiTi في الفرن لمدة 3 دقائق.
      ملاحظة: استخدم قفازات ذات درجة حرارة عالية ومعطف مختبر وواقي وجه آمن.
   2. راقب درجة الحرارة باستخدام المزدوجات الحرارية من النوع K عن طريق وضع مقياس الحرارة في فرن الأنبوب.
   3. أخرج إطار NiTi / Cu باستخدام خطاف بعد 3 دقائق (الشكل 2H) وقم بإخماده في الماء المقطر.
5. حفر الأنابيب النحاسية القرابين (الشكل 2I).
   1. تزن بيرسلفات الأمونيوم على ميزان. قم بوزن الماء في وعاء زجاجي أيضا. امزجها بحيث يكون وزن بيرسلفات الأمونيوم 23٪ من وزن الماء.
      ملاحظة: قم بهذه العملية داخل غطاء الدخان واستخدم معطف المختبر وزجاج الأمان وقفازات الأمان.
   2. أضف بيرسلفات الأمونيوم لتحقيق نسبة وزن 23٪ (بيرسلفات الأمونيوم إلى الماء). قلب المحلول باستخدام محرك زجاجي حتى يذوب بيرسلفات الأمونيوم.
      ملاحظة: قم بهذه العملية داخل غطاء الدخان واستخدم معطف المختبر وزجاج الأمان وقفازات الأمان.
   3. اغمر إطارات NiTi / Cu من الخطوة 1.3 في المحلول لمدة ~ 8 ساعات لحفر النحاس (الشكل 2I).
      ملاحظة: قم بهذه العملية داخل غطاء الدخان وارتد معطف المختبر وزجاج الأمان وقفازات الأمان.
   4. راقب بصريا نقش النحاس. إذا لم يتم حفرها بالكامل ، فتخلص من الحفر ، وأنتج النقش الطازج (انظر الخطوتين 1.5.1 و 1.5.2) ، واسكب الحفر الطازج في الحاوية.
   5. إذا كان النحاس محفورا بالكامل ، فأخرجه باستخدام ملاقط (الشكل 2J) واغسل إطار NiTi الذي تم إطلاقه في الماء المقطر عن طريق شطفه ثلاث مرات. انظر الشكل 1 ب للحصول على مثال على إطار NiTi الذي تم إصداره بعد هذه الخطوات.
   6. قم بتشغيل المجهر. ضع سلك NiTi تحت المجهر ؛ ابحث عن أي انحناء أو أبعاد غير مرغوب فيها.

2. تغطية جوانب الإطار بأفلام أو قماش

1. تدور المطاط الصناعي من البولي يوريثين العطري (البولي كربونات يوريثان هو بديل ، انظر جدول المواد ؛ يتم توفير البروتوكول الكامل في مكان آخر⁶).
   1. ضع رقاقة سيليكون مقاس 4 بوصات في آلة بلازما الأكسجين وقم بمعالجتها بالبلازما لمدة دقيقتين. بعد ذلك ، قم بإزالة الرقاقة.
   2. افتح المجفف الفراغي واسكب بضع قطرات من السيلان (C₈H₄Cl₃F₁₃Si ؛ انظر جدول المواد) في وعاء بلاستيكي في المجفف.
   3. ضع الرقاقة في المجفف ، وأغلق الغطاء ، وقم بتطبيق الفراغ على المجفف.
   4. أغلق صمام المجفف وقم بإيقاف تشغيل مضخة التفريغ.
   5. اترك المجفف لمدة ساعتين ، ثم أخرج رقاقة السيليكون.
   6. ضع الرقاقة على المغطي الدوار ، وتوسيطها ، واسكب بعض المطاط الصناعي العطري أو الأليفاتي المذاب في DMAc (انظر جدول المواد) في وسطه.
   7. تدور معطف الرقاقة. ثم أخرجي الرقاقة وضعيها في فرن 80 درجة مئوية لمدة ساعتين ، تحت غطاء الدخان.
   8. بعد ساعتين ، أخرج الرقاقة وقشر الفيلم المعالج باستخدام ملاقط (استخدم الأصابع إذا لزم الأمر).
   9. قطع الفيلم المقشر إلى قطع أصغر باستخدام المقص.
2. اضغط بالحرارة على أغشية المطاط الصناعي العطرية من مادة البولي يوريثين على إطارات NiTi.
   1. تصميم فاصل لإجراء المعالجة الحرارية.
   2. استخدم برنامج CAD الخاص أو مفتوح المصدر لتصميم المباعد ، وتصدير ملف . STL في البيئة ، وقم بتقسيم الكائن لإنشاء ملفات gcode (انظر الخطوة 1.2.3). بدلا من ذلك، قم بتنزيل واستخدام تصميم الفاصل المقدم (https://osf.io/54rm3/files/osfstorage).
   3. ابدأ الطباعة ثلاثية الأبعاد للفاصل عن طريق فتح ملف . STL في تقطيع البرنامج (على سبيل المثال، CHITUBOX)، بدلا من ذلك، اتبع خطوات الطباعة ثلاثية الأبعاد في 1.2.4 و1.2.5 بدلا من 2.2.4 و2.2.5 و2.2.6.
      ملاحظة: سيكون للفاصل المصنوع من خلال الخطوات الأخيرة متانة أطول.
   4. اختر الكائن المراد طباعته ثلاثية الأبعاد ، واضغط على جزء الشريحة واحفظ الملف في ملف . تنسيق العلاج المعرفي السلوكي على محرك أقراص USB.
   5. ضع عصا USB في طابعة SLA 3D ، واسكب راتنج البوليمر الضوئي في حاوية الطابعة ثلاثية الأبعاد ، وقم بتشغيل الطابعة ثلاثية الأبعاد ، واختر الطباعة ، واضغط على علامة المثلث لبدء عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد.
   6. بعد الانتهاء من عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد ، قم بإزالة الفاصل من سرير الطباعة ، وضعه لمدة 10 دقائق داخل نظام UV LED ، ثم اغسله بالماء ، وقم بتخزينه للخطوات التالية.
   7. افتح المكبس الحراري.
   8. قم بتصفيح فيلم المطاط الصناعي المصنوع من البولي يوريثين على الفاصل (الشكل 2K) ، وضع سلك / إطار NiTi حول الفاصل وأعلى الفيلم. صفح طبقة فيلم ثانية على السلك. اضبط درجة الحرارة على 240 درجة فهرنهايت (إذا رغبت في ذلك ، أضف طبقات إضافية من اللدائن بين الطبقتين أو بين البولي يوريثين والمباعد لتجنب الالتصاق).
   9. أغلق الجزء العلوي من المكبس وأغلقه. انتظر 60 ثانية.
   10. كرر نفس عملية الضغط الحراري على الجانب الآخر من إطار سلك NiTi والفاصل.
   11. قص الأجزاء الإضافية من الفيلم المستعبدين بالمقص (الشكل 2L).
   12. كبديل لربط المواد البلاستيكية الحرارية ، قم بتغطية إطار سلك NiTi عن طريق خياطة أقمشة PET.
       ملاحظة: يوضح الشكل 3 الإطار المغطى بطبقات من البوليمر المتوافق مع الدم. هنا ، تشتمل الطبقات على طبقة إضافية من بولي ديميثيل سيلوكسان المزخرف بشكل دقيق محصورة بينها.

3. اختبار نشر الإطار

1. أمسك قسطرة FR 12 باليد (الشكل 4 أ) وقم بتمريرها عبر موسع وإبرة (الشكل 4 ب ، ج).
2. قم بتأمين قطعة سيليكون على الحامل (الشكل 4E).
3. باستخدام الإبرة والموسع ، قم بعمل ثقب في قطعة السيليكون (الشكل 4E).
4. مرر القسطرة عبر الفتحة تدريجيا (الشكل 4F) واسحب الموسع والإبرة.
5. قم بطي إطار NiTi وادفعه عبر الطرف القريب من القسطرة (الشكل 4G).
6. ادفع الإطار باتجاه الطرف البعيد للقسطرة باستخدام قضيب بولي تترافلورو إيثيلين (PTFE) (الشكل 4 د).
7. قم بإزالة الجانب الأول من إطار NiTi (الشكل 4I).
8. اسحب الماسك (الشكل 4H) وقم بإزاحة الجانب الثاني من إطار NiTi على الجانب الآخر من مطاط السيليكون (الشكل 5).
9. افحص الإطار الموجود أسفل المجهر للتحقق من وجود أي نوع من الفشل أو التشوهات غير المرغوب فيها.

تم تعيين إطارات NiTi في طبولوجيا مختلفة باستخدام تركيبات بلاستيكية منخفضة التكلفة وأدوات يدوية (الشكل 1). في خطوات البروتوكول من 1.1 إلى 1.4 (الشكل 1 أ) ، تم تشكيل إطارات NiTi / Cu في طبولوجيا معقدة. باتباع خطوة البروتوكول 1.5 ، تم حفر النحاس لتحرير إطارات NiTi (الشكل 1 ب). هنا ، تم حفر تركيبات النحاس بالكامل ، مما سمح بتحرير إطار NiTi باستخدام رقصات / تركيبات منخفضة التكلفة تمت طباعتها ثلاثية الأبعاد (الخطوة 1.2). بعد تأكيد التشكيل الناجح ل NiTi ، يتم اختبار فائدته باتباع قسمي البروتوكول 2 و 3. بعد ذلك ، تم تطبيق فيلم البولي يوريثين ، وهو متوافق مع^{الدم 16} (الشكل 3) ، على جانبي الإطار باتباع قسم البروتوكول 2 (الشكل 3). تم تقييم إطار NiTi ، المغطى الآن بأغشية البولي يوريثين ، على أنه مانع قادر على التثبيت على الحاجز الأذيني. تم اختبار هذه الوظيفة باتباع قسم البروتوكول 3 ، وتقييم الأداء الميكانيكي لطوبولوجيا إطار NiTi عند النشر (الشكل 3).

لاختبار إطار / احتلال NiTi ، تم اتباع قسم البروتوكول 3 ، والذي يحاكي النشر من خلال قسطرة FR-12 (الشكل 4). حافظت إطارات NiTi على شكلها بعد النشر. في قسم البروتوكول 3 ، تم تمرير إطارات / انسداد NiTi من خلال قسطرة FR-12 (الشكل 1 والشكل 4 أ) وتم نشرها على جزء سيليكون يمثل الحاجز بين الأذين. خلال هذه العملية ، قام موسع (الشكل 4 ب) وإبرة (الشكل 4 ج) بثقب غشاء السيليكون (الشكل 4 ه). ثم تم إدخال القسطرة من خلال الحاجز (الشكل 4F). باستخدام قضيب PTFE (الشكل 4D) ، تم تمرير الانسداد (الشكل 4G) عبر القسطرة (الشكل 4H) وتم إزاحته في النهاية بالقضيب (الشكل 4I). يسمح الانتهاء بنجاح من هذا الاختبار للجهاز بالانتشار على حاجز السيليكون (الشكل 5A-C). أهم جوانب هذه النتائج هي إطارات NiTi المعقدة والمرنة ، جنبا إلى جنب مع تكاليف التصنيع المنخفضة ووقت التصنيع القصير الذي تتطلبه. يمكن تشكيل الأشكال المعقدة (الشكل 3) باستخدام أنابيب نحاسية وتقنيات تصنيع منخفضة التكلفة. علاوة على ذلك ، فإن وقت التصنيع لإطار NiTi الوظيفي قصير بشكل ملحوظ ، وعادة ما يستغرق حوالي 10 ساعات فقط.

الشكل 1: إطار NiTi. (أ) قبل عملية النقش ، يقتصر إطار NiTi على تركيبات Cu. (ب) العينة النهائية لإطار NiTi بعد المعالجة الحرارية والنقش. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: تصميم إطار / نموذج أولي NiTi. (أ) يتم محاذاة سلك NiTi في أنبوب كوبر ، (ب) يتم استخدام الطباعة / التركيبات ثلاثية الأبعاد لتشكيل ثقوب يتم حفرها على التركيبات المطبوعة ثلاثية الأبعاد (يمكن أيضا تصميم الثقوب في الجزء مقدما) ، (ج) يتم وضع البراغي في الثقوب ، (د) يتم تمرير سلك NiTi / Cu من خلال الفتحة المركزية ، (ه) سلك NiTi / Cu المنحني حول البراغي ، (F) تتم إزالة إطار NiTi / Cu من التركيبات ، (G) يتم وضع الإطار في فرن ، (H) تتم إزالة إطار النحاس / NiTi بعد عملية المعالجة الحرارية ، (I) يتم غمر إطار النحاس / NiTi في الحفر ، (J) يتم تحرير إطار NiTi بعد حفر النحاس ، (ك) يغطي البولي يوريثين بالحرارة الحلقة العلوية لسلك NiTi ، أثناء وضعه على فاصل قبل الضغط الحراري ، و (L) يتم ضغط البولي يوريثين بالحرارة وتحديده على جانبي الإطار ويتم قطع الأجزاء الإضافية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: إطار NiTi مغطى بمطاط صناعي متوافق مع الدم. هنا ، يعمل فيلم البولي يوريثين كمحتل / فيلم يتم تثبيته على الحاجز (يتم وضع فيلم بوليمري إضافي بين أغشية البولي يوريثين). الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: اختبار إطارات / انسداد NiTi لانسداد عيب الحاجز باستخدام إعداد قسطرة لاختبار النشر الأولي. يتكون من (أ) قسطرة FR-12 ، (ب) موسع ، (ج) إبرة ، و (د) قضيب PTFE. (ه) يتم استخدام الموسع والإبرة لثقب غشاء السيليكون الذي يمثل الحاجز ، ويتم إدخال القسطرة من خلال غشاء الحاجز (F) (السيليكون). بعد ذلك ، (G) يتم تمرير الانسداد عبر القسطرة و (H) يتم إزاحته باستخدام قضيب PTFE. يقيم هذا الإعداد ما إذا كان الإطار له الشكل الصحيح للضغط و (I) التمدد الذاتي الضروري للنشر من خلال قسطرة Fr-12. يساعد الاختبار في العثور على طبغولوجيا أسلاك NiTi المناسبة للنشر. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: إطارات NiTi بعد وضعها في السيليكون (تحاكي الحاجز بين الأذين). يتم عرض أجزاء مختلفة مثل (أ) منظر أمامي لإطار NiTi الموضوع في عينة السيليكون ؛ (ب) منظر خلفي لإطار NiTi الموضوع في عينة السيليكون ؛ (ج) منظر جانبي لإطار NiTi الموضوعة في حاجز السيليكون. نجح الإطار والفيلم في تغطية كلا الجانبين. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

في هذا البروتوكول ، تتطلب الخطوات المتعددة اهتماما دقيقا مثل المعالجة الحرارية (الصلب) والنقش وتصميم التركيبات المطبوعة ثلاثية الأبعاد. يمكن أن تكون الاختلافات الكبيرة في درجة الحرارة من 500 درجة مئوية ¹⁷ أو وقت التلدين ل NiTi ضارة بالمرونة الفائقة لسلك NiTi وتحقيق الأشكال المرغوبة¹⁸. يمكن أن تؤدي المعالجة الحرارية بظروف غير دقيقة (درجة الحرارة والوقت) أيضا إلى فقدان خاصية المرونة^{الفائقة 19}. تتطلب عملية النقش كمية كافية من بيركبريتات الأمونيوم لتحرير الإطارات ذات الأشكال الصحيحة²⁰. قد يؤدي سحب إطار NiTi قبل اكتمال عملية النقش إلى تشوهات غير مرغوب فيها في إطار NiTi. أخيرا ، يمكن أن تساعد التركيبات المطبوعة ثلاثية الأبعاد في ثني إطارات NiTi / الأسلاك وتحسين أداء الإطارات في عمليات النشر. غالبا ما تتطلب تكرارات متعددة لضبط مرونة الإطارات.

أحد المتغيرات المهمة لعملية تصنيع الإطار هو درجة حرارة المعالجة الحرارية ، والتي يمكن أن تختلف حسب نوع الفرن المستخدم. في التجارب الحالية ، تم استخدام فرن الانقسام من سلسلة أنظمة الاختبار التطبيقية 3210. هنا ، تصل درجة حرارة الفرن إلى 500 درجة مئوية ثم عينات المعالجة الحرارية لمدة 3 دقائق. ومع ذلك ، قد يتطلب استخدام أفران مختلفة أو أنواع أسلاك NiTi تعديلات في درجة الحرارة ومدة التسخين. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن للمرء استكشاف التعديلات في استخدام الأنابيب النحاسية بأقطار مختلفة بناء على سمك أسلاك NiTi. تتطلب الأنابيب النحاسية السميكة للغاية قوة مفرطة. في مثل هذه الحالات ، يمكن أن يساعد استخدام أدوات ثني الأسلاك المحمولة باليد في تشكيل أسلاك NiTi.

التحدي الآخر هو الحفاظ على درجة الحرارة المثالية أثناء المعالجة الحرارية. يمكن أن يؤدي الاختلاف البسيط إلى أداء ميكانيكي غير مرغوب فيه. ومع ذلك ، بالطريقة التقليدية ، يمكن للتركيبات المعدنية تحسين توحيد توزيع درجة الحرارة. يمكن أن يكون تحقيق تفاوتات صارمة في أسلاك NiTi أمرا صعبا مقارنة بتركيبات معدنية تقليدية. إذا كان المرء يعمل مع عينات / إطارات أكبر ، فستكون هناك حاجة إلى أفران أكبر ، والتي يمكن أن تكون مكلفة. علاوة على ذلك ، في حالة وجود كمية كبيرة من النحاس لعملية النقش ، قد يحتاج النقش إلى كميات أكبر من النقوش بتكلفة إضافية²⁰. أخيرا ، تتطلب هذه الطريقة ، على عكس الطريقة التقليدية ، عملية نقش كيميائي مع عمليات وتكاليف إضافية. قد يكون تحقيق أنصاف أقطار انحناء صغيرة جدا أمرا صعبا بسبب استخدام الأنابيب النحاسية.

اتبع البروتوكول القسم 1 من تصنيع الأشكال المعقدة بأقل تكلفة. هذه القدرة على التكيف مفيدة للنماذج الأولية وتخصيص تصنيع الغرسات الطبية. تلغي التقنية المقترحة الحاجة إلى التركيبات المعدنية الآلية التي يتم الحصول عليها عادة بالطرق الحالية ، وهو أمر باهظ التكلفة. تعمل الطريقة على تسريع النماذج الأولية لهياكل NiTi. إن دمج البوليمرات المطبوعة ثلاثية الأبعاد منخفضة التكلفة والقضاء على الحاجة إلى التركيبات يجعل العملية أكثر كفاءة من حيث الوقت مقارنة بالطرق التقليدية²¹. هذه الطريقة مناسبة بشكل خاص لبيئة مختبرية صغيرة للبحث عن الهياكل الجديدة.

يمكن استخدام قسمي البروتوكول 2 و3 للتخلص بسرعة من الإطارات المصنعة باستخدام البروتوكول 1 أو التحقق منها. كما هو موضح في الشكل 4 والشكل 5 ، يمكن استخدام هذه البروتوكولات لتقييم ما إذا كان يمكن نشر الغرسة من خلال قسطرة أم لا عند إضافة أجزاء أخرى إلى الإطار. في حين أن هذه الخطوات (كما هو موضح في الشكل 5) من شأنها أن تبرر دراسات شاملة للاختبارات التنظيمية / السلامة^12،13 ، فإن الفشل (الأجزاء المكسورة أو المشوهة) يمكن أن يقضي على تصميمات الإطار غير المرضية. على سبيل المثال ، في الشكل 5 ، لوحظ أن جميع المكونات الأساسية للنموذج الأولي / الغرسة أو نظام التوصيل (الأفلام ، وإطار NiTi ، والقسطرة) لم تظهر علامات بصرية على الفشل. يمكن استخدام هذه المعلومات كملاحظات لتكرار الإطارات المختلفة من خلال قسم البروتوكول 1 ، والذي بدوره يسمح بالتطوير السريع للطبولوجيا / التصاميم المعقدة لإطارات NiTi.

تمهد هذه الطريقة الطريق للبحث المستقبلي ، بما في ذلك النماذج الأولية ودراسة ميكانيكا أسلاك / إطارات NiTi لاستخدامها في الأجهزة الطبية ذاتية التوسع. تتيح الحماية الطبيعية للنحاس أثناء التلدين استخدام تقنيات مثل تلدين حمام الملح دون مخاوف بشأن التلوث الكيميائي ل NiTi. يمكن أن تتكامل الطريقة الموضحة مع تقنيات التصنيع الأخرى مثل عمليات تشكيل الأسلاك المحوسبة. سيقلل هذا التكامل بشكل كبير من تكلفة النماذج الأولية لإطارات / هياكل NiTi للأجهزة الطبية.

يعلن أصحاب البلاغ عدم وجود تضارب في المصالح.

تم دعم البحث الوارد في هذا المنشور من قبل المعهد الوطني للتصوير الطبي الحيوي والهندسة الحيوية التابع للمعاهد الوطنية للصحة بموجب الجائزة رقم R21EB030654. المحتوى هو مسؤولية المؤلفين وحدهم ولا يمثل بالضرورة الآراء الرسمية للمعاهد الوطنية للصحة. كما يشكر S. Alaie و J. Mata قسم الهندسة الميكانيكية والفضائية وكلية الهندسة بجامعة ولاية نيو مكسيكو على دعمهم. يشكر المؤلفون أوسكار لارا وأنجيل دي جيسوس زونيجا راميريز على مساهماتهم في إنشاء الشكل 2 وتحرير المراجع. كما يشكر المؤلفان أندريا غونزاليس مارتينيز وخيسوس أرماندو جيل بارا على مساهماتهم في عروض الفيديو.