Engineers 3-D print fleksibelt mesh til ankel- og knæbøjler

Høreapparater, tandkroner, og lemmerproteser er nogle af de medicinske anordninger, der nu kan designes digitalt og tilpasses individuelle patienter, takket være 3-D print. Imidlertid, disse enheder er typisk designet til at erstatte eller støtte knogler og andre stive dele af kroppen, og er ofte trykt af solide, relativt ufleksibelt materiale.

Nu har MIT-ingeniører designet bøjelige, 3-D-printede mesh-materialer, hvis fleksibilitet og sejhed de kan indstilles til at efterligne og understøtte blødere væv såsom muskler og sener. De kan skræddersy de indviklede strukturer i hvert net, og de forestiller sig, at det hårde, men alligevel strækbare stoflignende materiale bliver brugt som personligt, bærbare understøtninger, inklusive ankel- eller knæbøjler, og endda implanterbare enheder, såsom brokmasker, som bedre matcher en persons krop.

Som en demonstration, holdet printede et fleksibelt mesh til brug i en ankelbøjle. De skræddersyede nettets struktur for at forhindre anklen i at dreje indad - en almindelig årsag til skader - mens de tillod leddet at bevæge sig frit i andre retninger. Forskerne fremstillede også et knæstøttedesign, der kunne tilpasse sig knæet, selvom det bøjer. Og, de producerede en handske med et 3-D-printet mesh syet ind i dens øverste overflade, som passer til en bærers knoer, giver modstand mod ufrivillig sammentrækning, der kan opstå efter et slagtilfælde.

"Dette arbejde er nyt, fordi det fokuserer på de mekaniske egenskaber og geometrier, der kræves for at understøtte blødt væv, " siger Sebastian Pattinson, der foretog forskningen som postdoc ved MIT.

Pattinson, nu på fakultetet ved Cambridge University, er hovedforfatter til en undersøgelse offentliggjort i dag i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer . Hans MIT medforfattere inkluderer Meghan Huber, Sanha Kim, Jongwoo Lee, Sarah Grunsfeld, Ricardo Roberts, Gregory Dreifus, Christoph Meier, og Lei Liu, samt Sun Jae professor i maskinteknik Neville Hogan og lektor i maskinteknik A. John Hart.

Rider på kollagens bølge

Holdets fleksible masker var inspireret af det bøjelige, stoffers formbare karakter.

"3-D-printet tøj og enheder har tendens til at være meget omfangsrige, " siger Pattinson. "Vi prøvede at tænke på, hvordan vi kan gøre 3-D-printede konstruktioner mere fleksible og komfortable, som tekstiler og stoffer."

Pattinson fandt yderligere inspiration i kollagen, det strukturelle protein, der udgør meget af kroppens bløde væv og findes i ledbånd, sener, og muskler. Under et mikroskop, kollagen kan ligne kurvet, sammenflettede tråde, ligner løst flettede elastiske bånd. Når det strækkes, dette kollagen gør i starten så let, som knæk i dens struktur rettes ud. Men en gang stramt, strengene er sværere at forlænge.

Inspireret af kollagens molekylære struktur, Pattinson designede bølgede mønstre, som han 3-D-printede med termoplastisk polyurethan som trykmateriale. Han fremstillede derefter en mesh-konfiguration, der ligner strækbar, men alligevel hård, bøjeligt stof. Jo højere han designede bølgerne, jo mere kunne nettet strækkes ved lav belastning, før det blev mere stift – et designprincip, der kan hjælpe med at skræddersy et nets grad af fleksibilitet og hjalp det til at efterligne blødt væv.

Forskerne printede en lang strimmel af nettet og testede dets støtte på anklerne af flere raske frivillige. For hver frivillig, holdet klæbte en strimmel langs ydersiden af ​​anklen, i en orientering, som de forudsagde ville støtte anklen, hvis den vendte indad. De satte derefter hver frivilligs ankel i en robot til måling af ankelstivhed – ved navn:logisk set, Anklebot - der blev udviklet i Hogans laboratorium. Anklebot flyttede deres ankel i 12 forskellige retninger, og målte derefter den kraft anklen udøvede ved hver bevægelse, med nettet og uden det, at forstå, hvordan nettet påvirkede anklens stivhed i forskellige retninger.

Generelt, de fandt, at nettet øgede anklens stivhed under inversion, mens den efterlades relativt upåvirket, da den bevægede sig i andre retninger.

"Det skønne ved denne teknik ligger i dens enkelhed og alsidighed. Mesh kan laves på en grundlæggende desktop 3-D printer, og mekanikken kan skræddersyes til præcis at matche blødt vævs, " siger Hart.

Stivere, køligere gardiner

Holdets ankelbøjle blev lavet af relativt strækbart materiale. Men for andre applikationer, såsom implanterbare brokmasker, det kan være nyttigt at inkludere et stivere materiale, det er på samme tid lige så konform. Til denne ende, holdet udviklede en måde at inkorporere stærkere og stivere fibre og tråde i et bøjeligt mesh, ved at udskrive rustfri stålfibre over områder af et elastisk mesh, hvor der er behov for stivere egenskaber, tryk derefter et tredje elastisk lag over stålet for at klemme den stivere tråd ind i nettet.

Kombinationen af ​​stive og elastiske materialer kan give en mesh evnen til at strække sig let op til et punkt, hvorefter det begynder at stivne, give stærkere støtte til at forebygge, for eksempel, en muskel fra overbelastning.

The team also developed two other techniques to give the printed mesh an almost fabric-like quality, enabling it to conform easily to the body, even while in motion.

"One of the reasons textiles are so flexible is that the fibers are able to move relative to each other easily, " Pattinson says. "We also wanted to mimic that capability in the 3-D-printed parts."

In traditional 3-D printing, a material is printed through a heated nozzle, lag for lag. When heated polymer is extruded it bonds with the layer underneath it. Pattinson found that, once he printed a first layer, if he raised the print nozzle slightly, the material coming out of the nozzle would take a bit longer to land on the layer below, giving the material time to cool. Som resultat, it would be less sticky. By printing a mesh pattern in this way, Pattinson was able to create a layers that, rather than being fully bonded, were free to move relative to each other, and he demonstrated this in a multilayer mesh that draped over and conformed to the shape of a golf ball.

Endelig, the team designed meshes that incorporated auxetic structures—patterns that become wider when you pull on them. For eksempel, they were able to print meshes, the middle of which consisted of structures that, when stretched, became wider rather than contracting as a normal mesh would. This property is useful for supporting highly curved surfaces of the body. Til det formål, the researchers fashioned an auxetic mesh into a potential knee brace design and found that it conformed to the joint.

"There's potential to make all sorts of devices that interface with the human body, " Pattinson says. Surgical meshes, orthoses, even cardiovascular devices like stents—you can imagine all potentially benefiting from the kinds of structures we show."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.