Слуховые аппараты, зубные коронки и протезы конечностей некоторые из медицинских устройств, которые теперь могут быть в цифровом виде разработанных и произведенных для отдельных пациентов, благодаря 3-D печати. Однако эти устройства, как правило, предназначены для замены или поддержки костей и других твердых частей тела, и часто печатается из твердых, сравнительно негибкий материал.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института разработали податливым, 3-Д печатные материалы ячеистой гибкость и выносливость, они могут настроиться подражать и поддерживать мягкие ткани, такие как мышцы и сухожилия. Они могут адаптировать сложные структуры в каждой сетки, и они видят жесткой, но эластичной ткани, как материал, используется как индивидуальный, пригодный для носки поддержка, в том числе в лодыжке или колене брекеты, и даже имплантируемых устройств, таких как грыжа сетки, что лучше подходит для тела человека.
В качестве демонстрации, команда напечатанная гибкая сетка для использования голеностопного бандажа. Они хорошо развитую структуру сетки, чтобы предотвратить голеностоп от поворота внутрь — частая причина травм, позволяя совместное свободно передвигаться в других направлениях. Исследователи также готовых дизайн-коленного бандажа, который может соответствовать колено даже, как она гнется. И они изготовили перчатку с 3-Д печатные сетки вшиты в его верхней поверхности, которая подчиняется владельцу ножки, обеспечивающие устойчивость к непроизвольное сжимание, которые могут возникнуть после инсульта.
“Эта работа является новым в том, что она ориентирована на механические свойства и геометрии, необходимые для поддержки мягких тканей”, — говорит Себастьян Паттинсон, который проводил исследования в качестве постдока в MIT.
Паттинсон, сейчас на факультете в Кембриджском университете, является ведущим автором исследования, опубликованного сегодня в журнале Advanced функциональных материалов. Его МИТ соавторы включают Меган Губер г-н Ким, Jongwoo Ли, Сара Грансфелд, Рикардо Робертс, Грегори Дрейфус, Кристоф Мейер, и Лэй Лю, так же как и ВС Чжэ, профессор в области машиностроения Невилл Хоган и доцент кафедры машиностроения А. Джон Харт.
Волна езда коллагена
Гибкие сетки команды были вдохновлены податливым, сообразная природе тканей.
“3-Д-печатной одежды и устройств, как правило, очень громоздкая”, — говорит Паттинсон. “Мы пытались придумать, как мы можем сделать 3-Д-печатной конструкции более гибкие и удобные, как и текстильных изделий и тканей”.
Паттинсон нашли дальнейшее вдохновение в коллаген, структурный белок, который составляет большую часть мягких тканей организма и найти в связки, сухожилия и мышцы. Под микроскопом, коллаген может напоминать пышные, переплетенных прядей, похожее на слабо плетеный эластичной ленты. При растяжении этого коллагена изначально не так легко, как зубчики в своей структуре выправить. Но как только натянется, нити сложнее расширить.
Вдохновила молекулярная структура коллагена, Паттинсон разработана волнистые узоры, которые он 3-Д-печатается с использованием термопластичного полиуретана в качестве материала для печати. Тогда он сфабриковал конфигурации сетки напоминают эластичный, но жесткий, податливой ткани. Тот, что повыше он предназначен волны, тем более сетка может быть растянут на низкое напряжение до того, как стать более жесткой конструкции, что может помочь адаптировать степень сетки гибкости и помогли ей имитировать мягкие ткани.
Исследователи напечатали длинную полосу сетки и испытал свою поддержку на лодыжках нескольких здоровых добровольцев. Для каждого волонтера, команда наклеивании полосы вдоль наружной лодыжки, в положении, что они прогнозировали поддержку лодыжки, если он обращен внутрь. Затем они посадили каждого добровольца голеностопного сустава в измерение жесткости голеностопного робот — по имени, по логике, Anklebot — который был разработан в лаборатории Хогана. В Anklebot перенесли свои лодыжки в 12 разных направлениях, а потом измеряли силу щиколотки оказываемое с каждым движением, с сеткой и без нее, чтобы понять, как сетка влияет жесткость голеностопного сустава в разных направлениях.
В общем, они нашли сетка повышенной жесткости лодыжки во время инверсии, но остается относительно устойчивым, так как он двигался в других направлениях.
“Красота этого метода заключается в его простоте и универсальности. Сетка может быть выполнена на основной рабочий стол 3-D принтер, и механики могут быть адаптированы, чтобы точно соответствовать мягких тканей,” Харт говорит.
Жестче, холоднее, портьеры
Бандаж команды голеностопного сустава был выполнен через относительно эластичный материал. Но для других приложений, таких как имплантируемые грыжи сетки, это может быть полезно включить более жесткий материал, который в то же время просто, как созвучно. Для этого команда разработала способ включения сильнее и жестче волокон и нитей в эластичную сетку, при печати из нержавеющей стали волокон по областям эластичной сетки, куда жестче свойства будут не нужны, тогда печать третьего упругого слоя на стали для сэндвич жестче нить в сетку.
Комбинация жестких и эластичных материалов могут дать сетку способность легко растянуть до определенного предела, после чего она начинает застывать, обеспечивая сильную поддержку для предотвращения, например, мышцы от перенапряжения.
Команда также разработала две другие техники, чтобы предоставить печатные сетки практически ткань качества, что позволяет ей с легкостью соответствовать тела, даже во время движения.
“Одна из причин текстиля настолько гибки, что волокна способны легко перемещаться относительно друг друга”, — говорит Паттинсон. “Мы также хотели, чтобы имитировать такую возможность в 3-Д-печатных частей.”
В традиционном 3-D печати, материал, печатается через нагретое сопло, слой за слоем. При нагревании полимера выдавливается, он связывает со слоем под ним. Паттинсон обнаружил, что, как только он напечатал первый слой, если он слегка поднял печатать сопла, материала на выходе из сопла будет занять немного больше времени, чтобы приземлиться на слой ниже, давая время остыть. В результате, он станет менее липким. На печать сетка узор таким образом, Паттинсон сумел создать слои, которые, вместо того чтобы быть полностью приклеен, могли свободно перемещаться относительно друг друга, и он продемонстрировал это в многослойной сетки, накинутой и соответствует форме мяча для гольфа.
Наконец, группа разработала сетки, которые включены auxetic структур — моделей, которые становятся шире, когда вы тянете на них. Например, они смогли распечатать сетки, средняя часть которого состояла из структуры, что, когда вытянулся, стал шире, нежели договаривающиеся, как обычной сетки. Это свойство полезно для обслуживания высоко изогнутые поверхности тела. С этой целью исследователи стиле auxetic сетки на потенциальный дизайн расчалка колена и обнаружил, что он соответствовал сустава.
“Есть потенциал, чтобы сделать все виды устройств, которые взаимодействуют с человеческим организмом”, — говорит Паттинсон. Хирургические сетки, ортезы, даже сердечно-сосудистых устройств, таких как стенты — вы можете представить себе все может принести от вида структур, мы покажем.”
Это исследование было частично поддержана Национальным научным фондом, из MIT-Сколтех программа следующего поколения, и Эрик п. и Эвелин Э. Ньюман фонда в MIT.
