Forbedring af 3D-printede proteser og integration af elektroniske sensorer

Med væksten af ​​3D-print, det er fuldt ud muligt at 3-D printe din egen protese fra modeller fundet i open source databaser.

Men disse modeller mangler personlige elektroniske brugergrænseflader som dem, der findes i dyre, state-of-the-art proteser.

Nu, en Virginia Tech-professor og hans tværfaglige team af bachelorstuderende forskere har gjort indtog i at integrere elektroniske sensorer med personlig 3-D-printede proteser - en udvikling, der en dag kan føre til mere overkommelige elektriske proteser.

Denne nyligt offentliggjorte forskning fra Blake Johnsons laboratorium, en Virginia Tech assisterende professor i industri- og systemteknik, tog et skridt fremad med at forbedre funktionaliteterne af 3-D-printede personlige bærbare systemer.

Ved at integrere elektroniske sensorer i skæringspunktet mellem en protese og bærerens væv, forskerne kan indsamle information relateret til protesefunktion og komfort, såsom trykket hen over bærerens væv, som kan hjælpe med at forbedre yderligere iterationer af disse typer proteser.

Integrationen af ​​materialer i formtilpassede områder af 3-D-printede proteser via en konform 3-D-printteknik, i stedet for manuel integration efter udskrivning, kunne også bane vejen for unikke muligheder for at matche hårdheden af ​​bærerens væv og og integrere sensorer på forskellige steder på tværs af den formtilpassede grænseflade. I modsætning til traditionel 3-D-print, der involverer aflejring af materiale i en lag-for-lag måde på en flad overflade, konform 3-D print giver mulighed for aflejring af materialer på buede overflader og genstande.

Ifølge Yuxin Tong, en industri- og systemingeniørstuderende og førsteforfatter til den offentliggjorte undersøgelse, det ultimative mål er at skabe ingeniørpraksis og processer, der kan nå så mange mennesker som muligt, begyndende med en indsats for at hjælpe med at udvikle en protese til en lokal teenager.

"Forhåbentlig, hver forælder kunne følge beskrivelsen fra det papir, vi udgav, og udvikle en billig personlig håndprotese til hans eller hendes barn, " sagde Tong.

At udvikle proteserne integreret med elektroniske sensorer, forskerne startede med 3D-scanningsdata, hvilket svarer til at tage billeder i forskellige vinkler for at få den fulde form af et objekt - i dette tilfælde, en skimmelsvamp af teenagerens lem.

De brugte derefter 3-D-scanningsdata til at guide integrationen af ​​sensorer i det formtilpassede hulrum af protesen ved hjælp af en konform 3-D-printteknik.

Processen udviklet af forskerholdet vil egne sig til yderligere anvendelser inden for personlig medicin og design af bærbare systemer.

"Tilpasning og ændring af egenskaberne og funktionaliteterne af bærbare systemgrænseflader ved hjælp af 3-D-scanning og 3-D-print åbner døren til design og fremstilling af nye teknologier til human assistance og sundhedspleje samt undersøgelse af grundlæggende spørgsmål forbundet med funktionen og komfort af bærbare systemer, " sagde Johnson.

Johnsons forskning i protesehænder blev inspireret, da han lærte om sin kollegas datter, Josie Fraticelli, så 12 år gammel, som var født med amnionbåndssyndrom. Mens i livmoderen, udviklingen af ​​hendes hånd stoppede. Strengelignende fostervandsbånd begrænsede blodgennemstrømningen og påvirkede udviklingen af ​​højre hånd, forårsager manglende dannelse ud over knoerne.

Johnson brugte sin relaterede forskningsekspertise inden for additiv biofremstilling og et team af tværfaglige bachelor-forskere til at 3-D-printe den bioniske hånd til Fraticelli, som ville blive grundlaget for den nu offentliggjorte forskning.

Da de arbejdede med Fraticelli, de fortsatte med at finjustere prototypeprotesen ved at udvikle nye additive fremstillingsteknikker, der ville give mulighed for en bedre tilpasning til Fraticellis håndflade, skabe en mere behagelig, formtilpasset proteseanordning.

De validerede, at personaliseringen af ​​protesen øgede kontakten mellem Fraticellis væv og protesen med næsten fire gange sammenlignet med ikke-personaliserede enheder. Dette øgede kontaktområde hjalp dem med at finde ud af, hvor de skulle installere sensorelektrode-arrays for at teste trykfordelingen, hvilket hjalp dem med at forbedre designet yderligere.

Der blev udført sanseeksperimenter under anvendelse af to personlige proteser med og uden sanseelektrode-arrays. Ved at køre disse eksperimenter med Fraticelli, de fandt ud af, at trykfordelingen var anderledes, når hun slappede af i hånden i forhold til at holde hånden i en bøjet stilling.

"Uoverensstemmelsen mellem den bløde hud og den stive grænseflade er stadig et problem, der vil reducere overensstemmelsen, " sagde Tong. "Sansende elektrode-arrays kan åbne endnu et nyt område for at forbedre protetikdesignet ud fra et perspektiv om at fordele en bedre trykbalance."

Samlet set, Fraticelli føler, at den nye personlige protese forbedrer hendes komfortniveau. Da hendes hånd er blød og foranderlig under forskellige stillinger, og protesematerialet er stift og fast, overensstemmelsesniveauet kan fortsætte med at ændre sig.

Personlige proteser har stadig plads til forbedringer, og Johnsons team vil fortsætte med at forske i og udvikle nye teknikker inden for additiv fremstilling for at lave forbedringer på bærbare bioniske enheder.