מבוא

ההתכנסות של ייצור תוספים וחומרים חכמים הביאה לגבול חדש הרובוטיקה הרפואית: הדפסה 4D. בעוד הדפסה תלת מימדית עולה על ייצור סטטי, מורכב גיאוגרפיה, הדפסה 4D מוסיפה את מימד הזמן.חלקים המיוצרים באמצעות הדפסה 4D יכול לעבור שינויים טרום-מוגדרים או שינויים רכוש כאשר נחשפים לטריקים סביבתיים ספציפיים.

מאמר זה חוקר את טכנולוגיות הליבה, עקרונות התכנון, ויישומים מתעוררים של רובוטיקה רפואית המבוססת על עצמי בנוי עם מרכיבים מודפסים 4D. זה גם מתייחס לאתגרים הטכניים וה הרגולטוריים שיש להתגבר עליהם לפני שהמכשירים האלה הופכים לכלים קליניים סטנדרטיים.ההתמקדות היא לספק הבנה מעשית, ייצורית המשלבת חומרים מדעיים, הנדסה רובוטית ועיצוב רפואי.

מה זה 4D הדפסה?

(הופנה מהדף ויקרא י"ד) [17] , [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

בניגוד לחלקים מודפסים 3D קונבנציונליים שנותרו סטטיים, מבנים מודפסים 4D מתוכנתים עם לחצים פנימיים או תכונות חומריות אנזוטרופיות במהלך הדפסה.כאשר מופעלים, אלה להירגע או את הטרנספורמציות בשלב החומרי, מה שגורם לחלק לקפל, להתעלל, להרחיב, לנוקשות, או לרכך באופן שנקבע מראש.

עקרונות עיצוב עבור רובוטים רפואיים עצמיים

בחירה והתאמה ביולוגית

הבסיס של כל מכשיר רפואי מודפס 4D הוא הבחירה של חומר חכם.חומר חייב להיות (FLT:0) iboתואמים FLT:1 - לא רעיל, לא דלקת, לא פולשני, ומסוגל לסטריליזציה ללא אובדן תכונות החומריות הרציפות שלו.צורה פולימרים (SMPs), כגון פוליאור מבוסס פוליאור או פוליל-דלקת), כי הם יכולים להגיב באופן נרחב על חום הגוף (N)

עיצוב מודולרי להגדרה מחדש

רובוטים רפואיים עצמיים נהנים לעתים קרובות מגישה מודולרית שבה רכיבים מודפסים על ידי 4D יכולים להיות מקובצים במערכות גדולות יותר.מודולריות מאפשר לכל חלק להתמחות בשינוי אחד (למשל, מתווך מתפתל, פלח נוקשה, מאחז, מאחז) בעוד המערכת הכוללת לתאם את פעולותיהם.

אחריות ובחירת טריגר

מעצבים חייבים להחליט איזה אות פיזיולוגי או סביבתי יפעיל את השינוי הצורה.ביישומים רפואיים רבים, טמפרטורת הגוף (~37 מעלות צלזיוס) הוא גורם נוח ובטוח כי זה תמיד נוכח.לדוגמה, סטנט בעל 4D ניתן לדחוס למשלוח באמצעות catheter ולאחר מכן להרחיב לקוטר התפקודי שלו ברגע שהוא מגיע לטמפרטורה.

מערכות בקרה משולבות

בעוד החלק המתוקן 4D עצמו מספק שינוי צורה פסיבי או חצי-אקטיבי, רובוטים רפואיים רבים דורשים שליטה סגורה על תפעול בטוח ומדויק.זה דורש שילוב של FLT:0sensorsovFLT:1 (למשל, זנים, חיישנים, טמפרטורה, חיישנים, חיישנים לחץ) ו-FLT:2actuatorsF:3LT לצד המרכיב החכם של מערכת הבקרה העצמית, ולאחר מכן, לחץ על ידי עיצובים מתקדמים יותר, לחץ עצמי, או על ידי המערכת הטבעית).

חומרים מתקדמים נהיגה 4D-Printed Medical Robotics

Shape-Memory Polymers (SMPs)

(SMPs הם השיעור המלומד ביותר של חומרים הדפסה 4D לשימוש רפואי.הם יכולים להיות מתוכנת עם צורה זמנית ולחזור לצורה קבועה כאשר מחומם מעל טמפרטורת השקיפות שלהם (Tg) על ידי התאמת הכימיה פולימרית, Tg יכול להיות מכוון למגוון של 20 מעלות צלזיוס עד 70 מעלות צלזיוס, מה שהופך את הגוף לטמפרטורה של עבודה אחרונה ב-FLT:0reaves הוכיחהת כלי חיוני לאחר מכן cactusable אחד (החומרים) אשר ניתן להדפיס מספר 1 עד 70 מעלות צלזיוס ל-iFD).

הידרוג'ל ו- Soft Actuators

הידרוגלים הם רשתות פולימרים נודדות שינויים בתגובת לחות, pH או טמפרטורה. הם אטרקטיביים במיוחד עבור רובוטיות רכות כי הם מחקים תאימות של רקמות ביולוגית 4D-rated hydrogel Actuators יכול להיותנד, מעוות, או לתפוס כאשר נחשפים לאתגרים ספציפיים pH, כגון הבטן חומצית או alka ממעיים.

Crystal Elastomers (LCE)

LCEs משלב את התכונות האלסטיות של גומי עם הזמנה מולקולרית aisotropic של גבישים נוזלי.כאשר נחשפים לאור UV או חום, את השינויים ההיערכות המולקולרית, לייצר עיוותים גדולים, ניתוק צורה הפוכה. LCEs ניתן לתכנן כדי להיות nd, מעוות, או קוורגייט מבוסס על אוריינטציה הדפסה.

מגנטיו- ואלקטרו-Responsive Composites

על ידי הטמעת חלקיקים מגנטיים או ממלאים מוליכים לתוך ממטריקס פולימר, חלקים מודפס 4D ניתן לפעול מרחוק על ידי שדות מגנטיים או זרמים חשמליים.מגנטו-responsive תרכובות לאפשר שליטה אלחוטית, אשר הוא יתרון עבור מכשירים מושתלים עמוק. אלקטרו-responsive מורכב, כגון אלה המכילים צינורות פחמן, יכול להיות מחומם על ידי חימום כדי לעורר קפסולת מדויק של שליטה מעצבת ואופן של תאים.

יישומים מרכזיים ברפואה

ניתוח פולשני מינימלי

(ד) כלים רובוטיים מודפסים הם מפוצצים ניתוח פולשני מינימלי על ידי צמצום מספר הכלים הדרושים ולהגדיל את יכולת ההתאמה.כלי יחיד יכול להיות מודפס שטוח, מוכנס דרך אי-דיוק קטן, ולאחר מכן פי שניים לתוך מאחז מורכב או retractor כאשר מופעל על ידי חום גוף.

משלוח סמים ממוקד

למערכות תרופות מבוססות-תרופה יכולות לשחרר תרופות בתגובה לסמן מחלה מסוים. A מיקרו-רובוט מודפס עם הידרוג'ל רגיש pH יכול לבודד מטען סמים ולהשחרר אותו רק כאשר נתקל בסביבה חומצית של גידול. בדומה, סוכריות של סוכרת מסוג C-responsive יכולות למלכודת חומרים טיפוליים ופתוחות בטמפרטורת הגוף כדי לספק תשלום במיקום מדויק של שימוש בפרופיל כימי של D-Facteric, במקום שבו הוא מכווץ ל-D הוא מנקה, במקום טיפול כימי של 4D.

הנדסת מכונות ורפואה חדשנית

עצמי-המתאמת 4D- מודפסת פיגומים יכול לחקות את התכונות המכניות הדינמיות של רקמות Native. A scaffold מודפס עם חומרים דמויי צורה ניתן לדחוס עבור השתלה פולשנית מינימלית, ולאחר מכן להרחיב כדי למלא אתר פגם לא סדיר.עם הזמן, הספידרבן יכול לגוון טוב יותר בקצב המתאים לרקמות המוחזקות.

« ⁇ ו- Implants

(המכונים עצמם) הם יישום רפואי קלאסי של ⁇ צורה-זיכרון, אבל הדפסה 4D מציעה את היכולת להתאים את הגיאומטריה הסטנטית לאנטומיות של המטופל באמצעות סריקות CT או MRI. A 4D-rated SMPent ניתן להתאים אישית עבור כלי שיט מתחום, עם קטעים המתרחבים בזמנים שונים כדי להימנע ממחלה.

שילוב עם מערכות רובוטיות

אינטגרציה

עבור רובוט רפואי עצמי מתואם את עצמו לתפקד באופן אוטונומי או למחצה, זה חייב לחוש את הסביבה שלה ואת המדינה. 4D הדפסה יכול לשלב אלמנטים רגישים ישירות לתוך המבנה, כגון מסלולים מודפסים עבור חישה מתוחה או thermocouples מוטבע עבור ניטור טמפרטורה. מעגלים אלקטרוניים גמישים ניתן להדפיס על תת-החומר החכם, יצירת מנטרול מונוליטית-אוטומטית זה יכול לדרוש שילוב חיצוני של תקשורת אופטית או צמצום מורכבות.

המונחים: mechanism

בעוד החלק המתוקן 4D מספק את השינוי הצורה העיקרית, יישומים רבים ליהנות מפעולה פעילה נוספת, כגון מיקרו-אופנועים, שלפוחית השתן, או בצורת סגסוגת (SMA) חוטים.שלב את המתושמות הללו עם רכיבי הדפסה 4D יוצר מערכות היברידיות שיכולות לבצע מניפולציות מרובות מעלות ללא חתימות.

אדריכלות שליטה

בקרת מכשירים רפואיים מודפסים 4D לעתים קרובות כרוכה אדריכלות היררכית: בקר ברמה נמוכה מנהל את גירוי (למשל, זרם לחום) בעוד מתכנן ברמה גבוהה מחליט מתי וכמה שינוי צורה נדרש על בסיס משוב חיישן. רצף טרום-מוגדרי משמש להליכים מוגדרים היטב, אך שליטה אדפטיבית נדרשת לסביבות בלתי צפויות.

אתגרים ומגבלות

בטיחות חומרית וזמינות

חומרים חכמים רבים עדיין לא עברו את בדיקות ביו-תחרות קפדניות הנדרשות להשתלה ארוכת טווח.הלחות של מונומרים לא מנוסים, השפלה על ידי מוצרים, או רעילות חלקיקים נשאר דאגה. טיפולים על פני השטח או encapsulations יכול לשפר את יכולת הגמישות אך עשוי לשנות את ההיענות של החומר מ- ISO 10993 הערכה, אך האופי הדינמי של 4D מוסיף חומרים חדשים או ממולקולות.

אחריות והתאמה

אפקט בצורת-זיכרון בפולימרים הוא לא מדויק פחות מאשר בסגסוגת מתכתית. Variability ב אוריינטציה הדפסה, לחות מתפתלת, והיסטוריה תרמית יכולה לגרום הבדלים אצווה-to-batch בטמפרטורת הטרנספורמציה ובצורה הסופית.עבור רובוטיקה רפואית הדורשת דיוק תת-מילימטרי, כגון מכשירים מיקרו-surgical, יכולת זו היא תהליך חשוב מאוד.

ייצור Scalability

טכנולוגיות הדפסה 4D הנוכחיות נותרו בעיקר בקנה מידה המעבדה.הפחתת חלקים מותאם אישית עבור חולים בודדים דורשות זרימת עבודה דיגיטלית המשלבת הדמיה רפואית, סימולציה עיצוב וייצור תוספים.תפוקה גבוהה היא מאתגרת כי כל הדפסה עשויה להיות גיאומטריה ייחודית וקומפוזיציה חומרית. יתר על כן, הדפסה של חלקים רב-חומריים עם ⁇ מרחבי של ⁇ s של היענות היא עדיין טכניקה מתפתחת.

המונחים: path

מכשירים רפואיים המכילים רכיבי הדפסה 4D עומדים בפני בדיקה רגולטורית מורכבת מכיוון שהם משלבים חומרים חדשים, ייצור תוספים ומערכות בקרה פעיל.FDA אישר כמה שתלים מודפסים 3D, אך אין להם תכונות שינוי צורה דינמיות. יצרנים חייבים להראות כי המכשיר ניתן להתקנה באופן עקבי, כי השינוי מתרחש באופן אמין בתנאים פיזיולוגיים, וכי מצבי כשל הם מובן היטב באיחוד האירופי, תקנה רפואית (DR) דורש הערכה קלינית עבור הדפסה ראשונית של 4D.

כיוונים עתידיים

Multi-Material and Gradient Printing

ההתקדמות הדפסה מבוססת-נוזל ו- voxel תאפשר לפירוק של חומרים מגיבים מרובים עם תכונות מדורגות.רכיב יחיד יכול להיות אזורים להגיב חום, לחות ואור בנפרד, המאפשרים שינויים מורכבים, זניחים.יכולות אלה יאפשרו לתכנן רובוטים המבצעים סדרה של פעולות - מטענים, להיות שחרור נדרי, ושחרור - באמצעות תגובות חומריות פאסיביות.

AI-Driven self-Adjustment

בינה מלאכותית יכולה להתאים את התנהגות השינוי של הגוף עבור האנטומיה של המטופל הבודד.על ידי אימון רשת עצבית על נתוני סימולציה ותוצאות ניסיוניות, את הפרמטרים ההדפסה האופטימלית ואת תנאי ההנעה ניתן לנסח באופן אוטומטי. במהלך הפריסה, הרובוט יכול להשתמש על גבי לוח AI כדי להתאים את פרופיל הטרנספורמציה שלו בהתבסס על נתוני חיישן בזמן אמת, תוך קידוד עבור תנועות רקמות בלתי צפויות או שינויים בתנאים פיזיולוגיים.

תרגום קליני ומסחר

כמה סטארט-אפים וספין- offs אקדמיים מתמקדים כעת להביא רובוטים רפואיים מודפסים 4D לשוק. מוצרים מוקדמים הם כנראה לשימוש יחיד, כלים מוכווניים מחדש (למשל, כמוסות משלוח תרופות) שיכולים לנווט את המסלול הרגולטורי מהר יותר. חברות גדולות יותר משקיעות יכולות הדפסה של 4D עבור prototyping והפקה אישית.

מסקנה

עיצוב רובוטיקה רפואית עם חלקים מודפסים 4D מייצג שינוי פרדיגמה של שתלים סטטיים כדי להתאים מכשירים דמויי חיים.על ידי שילוב חומרים חכמים, עיצוב מודולרי ומערכות בקרה מתקדמות, מהנדסים יכולים ליצור כלים אשר מורפיום להתאים האנטומיה של המטופל, להגיב לטריגרים פיזיולוגיים, ולבצע משימות מורכבות עם מינימום של חומרים, בעוד אתגרים משמעותיים נשארים במדע, ייצור עקביות, אישור רגולטורי, קצב של אינטראקציה, אך לא מבטיח אינטראקציה יעילה יותר, אלא גם עם מכשירים משפטיים.