工程師3D打印柔性網狀物 用于踝關節和膝關節支撐-環球報資訊

由于3D打印，助聽器，牙冠和肢體假肢是一些現在可以為個體患者進行數字化設計和定制的醫療設備。然而，這些裝置通常設計成替換或支撐身體的骨骼和其他剛性部分，并且通常由固體的相對非柔性材料印刷。

【資料圖】

現在，麻省理工學院的工程師們設計了柔韌的3D打印網狀材料，它們具有靈活性和韌性，可以模擬和支撐肌肉和肌腱等柔軟組織。他們可以定制每個網格中復雜的結構，他們設想堅韌而有彈性的織物狀材料被用作個性化的可穿戴支撐，包括腳踝或膝蓋支撐，甚至可植入的設備，如疝氣網，更好地匹配人的身體。

作為演示，該團隊印刷了一個柔韌的網狀物，用于腳踝支架。他們調整了網狀物的結構，以防止腳踝向內轉 - 這是造成傷害的常見原因 - 同時允許關節在其他方向上自由移動。研究人員還制作了一種膝蓋支架設計，即使在彎曲時也能與膝蓋保持一致。并且，他們生產了一種手套，在其頂部表面縫有三維印刷網眼，符合佩戴者的指關節，可抵抗中風后可能發生的無意識咬合。

“這項工作是新的，因為它專注于支持軟組織所需的機械性能和幾何形狀，”塞巴斯蒂安帕丁森說，他是麻省理工學院的博士后研究人員。

帕丁森現在是劍橋大學的教師，是發表在高級功能材料雜志上的一項研究的主要作者。他的麻省理工學院合著者包括Meghan Huber，Sanha Kim，Jongwoo Lee，Sarah Grunsfeld，Ricardo Roberts，Gregory Dreifus，Christoph Meier和劉磊，以及Sun Jae機械工程教授Neville Hogan和機械工程副教授A.約翰哈特。

騎膠原蛋白的波浪

該團隊靈活的網眼靈感來自于柔韌，舒適的面料。

“3D打印的服裝和設備往往非常笨重，”帕丁森說。“我們試圖想到如何使3D打印結構更加靈活和舒適，如紡織品和織物。”

帕丁森在膠原蛋白中找到了進一步的靈感，膠原蛋白是構成身體大部分軟組織的結構蛋白，存在于韌帶，肌腱和肌肉中。在顯微鏡下，膠原蛋白可以像彎曲，交織的股線，類似于松散編織的彈性帶。當拉伸時，這種膠原蛋白最初很容易，因為它的結構中的扭結會變直。但是一旦繃緊，股線就難以延伸。

受膠原蛋白分子結構的啟發，Pattinson設計了波浪紋圖案，使用熱塑性聚氨酯作為印刷材料進行3D打印。然后，他制作了一個網狀配置，類似于彈性但堅韌，柔韌的面料。他設計的波浪越高，網格就越能在低應變下拉伸，然后變得更加僵硬 - 這一設計原則可以幫助定制網格的柔韌度并幫助它模仿軟組織。

研究人員打印了一條長條狀的網狀物，測試了它對幾名健康志愿者腳踝的支撐。對于每個志愿者，該團隊沿著腳踝外側的長度粘貼一條帶，如果它向內轉，他們預測會支撐腳踝。然后他們將每個志愿者的腳踝放入一個腳踝僵硬測量機器人 - 在邏輯上命名為Anklebot - 這是在Hogan實驗室開發的。Anklebot在12個不同的方向上移動他們的腳踝，然后測量每次運動時腳踝施加的力，使用網狀物并且沒有它，以了解網狀物如何影響踝部在不同方向上的剛度。

一般來說，他們發現網狀物在反轉期間增加了踝關節的剛度，而在向其他方向移動時使其相對不受影響。

“這種技術的優點在于它的簡單性和多功能性。網狀物可以在基本的桌面3-D打印機上制作，并且可以定制機械結構以精確匹配軟組織，”Hart說。

更硬，更涼爽的窗簾

該團隊的腳踝支架采用相對彈性材料制成。但是對于其他應用，例如可植入的疝網，包括更硬的材料可能是有用的，同時也適合。為此，該團隊開發了一種方法，通過在彈性網格區域上印刷不銹鋼纖維，將更堅固，更硬的纖維和線材結合到柔韌的網狀物中，在那里需要更硬的性能，然后在鋼材上印刷第三彈性層。將較硬的線夾入網中。

剛性和彈性材料的組合可以使網狀物能夠容易地伸展到一定程度，之后它開始變硬，提供更強的支撐以防止例如肌肉過度訓練。

該團隊還開發了另外兩種技術，使印花網幾乎具有類似織物的質量，即使在運動時也能輕松貼合身體。

“紡織品如此靈活的原因之一是纖維能夠輕松地相互移動，”帕丁森說。“我們還希望模仿3D打印部件的功能。”

在傳統的3-D打印中，材料通過加熱噴嘴逐層打印。當加熱的聚合物被擠出時，它與其下面的層結合。帕丁森發現，一旦他打印出第一層，如果他稍微抬起打印噴嘴，從噴嘴噴出的材料會花費更長的時間落在下面的層上，使材料有時間冷卻。結果，它會變得不那么粘。通過以這種方式印刷網格圖案，帕丁森能夠創建一個層，而不是完全粘合，可以相對于彼此自由移動，并且他在多層網格中展示了這一點，該網格覆蓋并符合形狀一個高爾夫球。

最后，該團隊設計了包含拉脹結構的網格 - 當您拉動它們時，圖案變得更寬。例如，他們能夠打印網格，其中間由結構組成，當拉伸時，變得更寬，而不是像普通網格那樣收縮。此屬性可用于支撐身體的高度彎曲表面。為此，研究人員將一個拉脹網片制作成潛在的膝蓋支架設計，并發現它符合關節。

“有可能制造出與人體接觸的各種設備，”帕丁森說。手術網，矯形器，甚至心血管裝置，如支架 - 你可以想象所有可能從我們展示的各種結構中受益。“