Focus on some peculiar behaviors of polymers in the context of additive manufacturing processes

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Élaboration de matériaux silicone au comportement mécanique adapté pour la réalisation de fantômes aortiques patients-spécifiques

The present work deals with the producing of patient-specific aortic phantoms using an additive manufacturing technique by 3D printing. Phantoms are manufactured from synthetic materials with morphological and mechanical characteristics which should be close to these identified on a patient. They can be used to develop techniques of medical imaging, to understand the relationship between aortic mechanical behavior and hemodynamic properties of blood flow, as well as to perform a preoperative training of interventions, such as endovascular treatment. In this study, the hyper-viscoelastic aortic mechanical behavior was described using a generalized solid Maxwell model. Silicone materials were developed based on the model’s mechanical parameters to mimic various aortic mechanical behaviors. These materials were formulated from commercials silicones, and then mixing rules were compared to define the ideal mixture which can mimic the specific mechanical behavior. A nondestructive method based on medical imaging by ultrasound was developed to identify the parameters of a blood vessel hyper-viscoelastic model. Silicone tubes made of our formulations with known reference mechanical parameters, were used to validate this method. Then, these silicone materials were used in an additive manufacturing process using indirect 3D printing. A work of computer aided design was done to produce a patient-specific aortic phantom with a thoracic fusiform aneurysm without thrombosisLe travail présenté dans ce manuscrit concerne la fabrication de fantômes d'aorte patient spécifiques utilisant une technique de fabrication additive par impression 3D. Ces répliques sont fabriquées en matériaux synthétiques dont les caractéristiques morphologiques et les propriétés mécaniques doivent être proches de celles déterminées sur un patient. Elles permettent d'optimiser ou de développer les techniques d'imagerie médicale, de comprendre les relations entre le comportement mécanique de la paroi aortique et les caractéristiques hémodynamiques du flux sanguin mais aussi de réaliser des entrainements préopératoires aux interventions chirurgicales, telles que le traitement endovasculaire. Dans cette étude, le comportement mécanique hyper-viscoélastique de la paroi aortique est modélisé par un modèle de Maxwell solide généralisé, dont les paramètres ont permis la sélection et le développement de matériaux élastomères de type silicone aux comportements mécaniques contrôlés. Ces matériaux ont été élaborés à partir de mélanges de formulations existantes et des lois de mélange ont été comparées pour guider la définition de la composition idéale permettant d'imiter le comportement mécanique désiré. Nous avons mis au point une méthode basée sur l'imagerie médicale par ultrason, capable d'identifier les paramètres hyper-viscoélastiques d'une paroi vasculaire. Cette méthode a été validée sur des tubes réalisés avec ces formulations de silicone, dont les propriétés mécaniques ont été mesurées avec des méthodes de référence. Puis, ces silicones ont été utilisés dans un processus de fabrication additive utilisant l'impression 3D par voie indirecte. Un travail de conception assistée par ordinateur a été réalisé pour produire un fantôme d'aorte patient-spécifique présentant un anévrisme fusiforme et non-thrombosé dans la région thoraciqu

Élaboration de matériaux silicone au comportement mécanique adapté pour la réalisation de fantômes aortiques patients-spécifiques

The present work deals with the producing of patient-specific aortic phantoms using an additive manufacturing technique by 3D printing. Phantoms are manufactured from synthetic materials with morphological and mechanical characteristics which should be close to these identified on a patient. They can be used to develop techniques of medical imaging, to understand the relationship between aortic mechanical behavior and hemodynamic properties of blood flow, as well as to perform a preoperative training of interventions, such as endovascular treatment. In this study, the hyper-viscoelastic aortic mechanical behavior was described using a generalized solid Maxwell model. Silicone materials were developed based on the model’s mechanical parameters to mimic various aortic mechanical behaviors. These materials were formulated from commercials silicones, and then mixing rules were compared to define the ideal mixture which can mimic the specific mechanical behavior. A nondestructive method based on medical imaging by ultrasound was developed to identify the parameters of a blood vessel hyper-viscoelastic model. Silicone tubes made of our formulations with known reference mechanical parameters, were used to validate this method. Then, these silicone materials were used in an additive manufacturing process using indirect 3D printing. A work of computer aided design was done to produce a patient-specific aortic phantom with a thoracic fusiform aneurysm without thrombosisLe travail présenté dans ce manuscrit concerne la fabrication de fantômes d'aorte patient spécifiques utilisant une technique de fabrication additive par impression 3D. Ces répliques sont fabriquées en matériaux synthétiques dont les caractéristiques morphologiques et les propriétés mécaniques doivent être proches de celles déterminées sur un patient. Elles permettent d'optimiser ou de développer les techniques d'imagerie médicale, de comprendre les relations entre le comportement mécanique de la paroi aortique et les caractéristiques hémodynamiques du flux sanguin mais aussi de réaliser des entrainements préopératoires aux interventions chirurgicales, telles que le traitement endovasculaire. Dans cette étude, le comportement mécanique hyper-viscoélastique de la paroi aortique est modélisé par un modèle de Maxwell solide généralisé, dont les paramètres ont permis la sélection et le développement de matériaux élastomères de type silicone aux comportements mécaniques contrôlés. Ces matériaux ont été élaborés à partir de mélanges de formulations existantes et des lois de mélange ont été comparées pour guider la définition de la composition idéale permettant d'imiter le comportement mécanique désiré. Nous avons mis au point une méthode basée sur l'imagerie médicale par ultrason, capable d'identifier les paramètres hyper-viscoélastiques d'une paroi vasculaire. Cette méthode a été validée sur des tubes réalisés avec ces formulations de silicone, dont les propriétés mécaniques ont été mesurées avec des méthodes de référence. Puis, ces silicones ont été utilisés dans un processus de fabrication additive utilisant l'impression 3D par voie indirecte. Un travail de conception assistée par ordinateur a été réalisé pour produire un fantôme d'aorte patient-spécifique présentant un anévrisme fusiforme et non-thrombosé dans la région thoraciqu

Elaboration of silicone materials with a mechanical behavior tailored for manufacturing patient-specific aortic phantom

Le travail présenté dans ce manuscrit concerne la fabrication de fantômes d'aorte patient spécifiques utilisant une technique de fabrication additive par impression 3D. Ces répliques sont fabriquées en matériaux synthétiques dont les caractéristiques morphologiques et les propriétés mécaniques doivent être proches de celles déterminées sur un patient. Elles permettent d'optimiser ou de développer les techniques d'imagerie médicale, de comprendre les relations entre le comportement mécanique de la paroi aortique et les caractéristiques hémodynamiques du flux sanguin mais aussi de réaliser des entrainements préopératoires aux interventions chirurgicales, telles que le traitement endovasculaire. Dans cette étude, le comportement mécanique hyper-viscoélastique de la paroi aortique est modélisé par un modèle de Maxwell solide généralisé, dont les paramètres ont permis la sélection et le développement de matériaux élastomères de type silicone aux comportements mécaniques contrôlés. Ces matériaux ont été élaborés à partir de mélanges de formulations existantes et des lois de mélange ont été comparées pour guider la définition de la composition idéale permettant d'imiter le comportement mécanique désiré. Nous avons mis au point une méthode basée sur l'imagerie médicale par ultrason, capable d'identifier les paramètres hyper-viscoélastiques d'une paroi vasculaire. Cette méthode a été validée sur des tubes réalisés avec ces formulations de silicone, dont les propriétés mécaniques ont été mesurées avec des méthodes de référence. Puis, ces silicones ont été utilisés dans un processus de fabrication additive utilisant l'impression 3D par voie indirecte. Un travail de conception assistée par ordinateur a été réalisé pour produire un fantôme d'aorte patient-spécifique présentant un anévrisme fusiforme et non-thrombosé dans la région thoraciqueThe present work deals with the producing of patient-specific aortic phantoms using an additive manufacturing technique by 3D printing. Phantoms are manufactured from synthetic materials with morphological and mechanical characteristics which should be close to these identified on a patient. They can be used to develop techniques of medical imaging, to understand the relationship between aortic mechanical behavior and hemodynamic properties of blood flow, as well as to perform a preoperative training of interventions, such as endovascular treatment. In this study, the hyper-viscoelastic aortic mechanical behavior was described using a generalized solid Maxwell model. Silicone materials were developed based on the model’s mechanical parameters to mimic various aortic mechanical behaviors. These materials were formulated from commercials silicones, and then mixing rules were compared to define the ideal mixture which can mimic the specific mechanical behavior. A nondestructive method based on medical imaging by ultrasound was developed to identify the parameters of a blood vessel hyper-viscoelastic model. Silicone tubes made of our formulations with known reference mechanical parameters, were used to validate this method. Then, these silicone materials were used in an additive manufacturing process using indirect 3D printing. A work of computer aided design was done to produce a patient-specific aortic phantom with a thoracic fusiform aneurysm without thrombosi

Poloxamer/Poly(ethylene glycol) Self-Healing Hydrogel for High-Precision Freeform Reversible Embedding of Suspended Hydrogel

International audienceFreeform reversible embedding of suspended hydrogel (FRESH) is an additive manufacturing technique enabling the 3D printing of soft materials with low or no yield stress. The printed material is embedded during the process until its solidification. From the literature, FRESH abilities are self-healing, reusability, suspending, thermal stability, and high-precision printing. This study proposes a new support hydrogel bath formulation for FRESH 3D printing. To do so, a poloxamer micellar thermoreversible hydrogel is tuned through the addition of poly(ethylene glycol) (PEG) to adapt rheological properties. PEG macromolecules interact with poly(ethylene oxide) blocks of poloxamer and favor micelle dehydration, and then decreasing the gelation temperature, the yield stress, and the viscosity. Parameters such as the Oldroyd number and the Rayleigh−Plateau instability, both dependent on yield stress, were studied to determine their impact on the FRESH 3D printing resolution and accuracy. It was found that print accuracy of embedded parts increases with increasing yield stress but then the self-healing property gets limited, leading to crevasse formation. The usefulness of this approach is distinctly demonstrated through a six-axis printing of a highly complex silicone anatomical model. Printing fidelity of 96.0 ± 3.58% (5−40 mm printed parts) is thus achieved using the newly formulated FRESH material, while only 56.0 ± 0.76% fidelity is obtained using the standard formulation. The present study thus showed that complex FRESH 3D printing of soft materials is possible in this tunable hydrogel and that parts can be manufactured on an industrial scale, thanks to the reusability of the support bath

Dynamic Molding: Additive manufacturing in partially ordered system

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FingerMap: a new approach to predict soft material 3D objects printability

International audienceSoft material 3D printing through liquid deposition modelling (LDM) is a challenging manufacturing process where yield stress control is mandatory. Indeed, the higher the yield stress value, the more complex the 3D printed structure can be. In a bid to go one step further, this report proposes a new approach enabling the prediction of soft material 3D printability as a function of the material's properties and shape. The prediction consists in numerical simulation to anticipate, in silico, the collapse of a voxelised 3D design, called FingerMap. To do so, a calibration of the program using three silicone formulations (with increasing yield stress value) was first performed to define a printability domain according to mass/surface ratio, overhang angle and the z-position of each voxel. Then, two anatomical 3D models (ear and aortic valve) were used to demonstrate the capacity of the tool to predict printability. Good correlations between theoretical and experimental results were obtained. The proposed in silico simulation tool was then proven to be useful for LDM, even if some limitations were identified, particularly in the case of materials exhibiting complex rheological behaviours such as time-dependent rheological properties

ALGINATE-GELATIN HYDROGELS AS A TOOL TO CONTROL THE FATE OF INDUCED PLURIPOTENT STEM CELLS

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Dynamic Molding Deposition: The additive manufacturing in partially ordered system

Abstract Additive manufacturing (AM) is now identified as a powerful bundle of fabrication techniques. Limitations were identified to be mostly related to the availability of reformulated materials compatible with existing AM technologies. What if we were able to dynamically generate sacrificial molds with unlimited architectures and material composition? We have discovered such a process, called Dynamic Molding Deposition (DMD) in partially ordered powder system and demonstrated its capacity to produce highly complex objects with 100 µm resolution, without any building plate or support structures. The DMD compatible materials were shown to be almost infinite, from low to high viscosity, from thermoplastic to elastomers. Our process enables us to build unexpected composite objects made up of injection material and powder grains from the dynamic mold. This feature opens the path to a complete new field of research and applications

Classification of the emerging freeform three-dimensional printing techniques

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