Forskere bruger architected auxetics til at opnå 300 gange mere fleksibilitet i nyt 3D-printdesign

Fleksibel adfærd

Grundlæggende er et auxetisk materiale en netværksstruktur designet ved at samle enhedsceller. Disse enhedsceller består af stivere og deres krydsende led, som er et vigtigt aspekt af en auxetisk enheds adfærd. Rotationen af ​​de krydsende led i netværket, under kompression eller forlængelse, forårsager negativ Poissons adfærd. Det muliggør også avanceret ydeevne for en printet enhed, herunder slagenergiabsorption, modstandsdygtighed over for fordybninger og høj fleksibilitet.

"Når man ser på tallene, baseret på Jeong Huns arbejde, er den nye struktur omkring 300 gange mere fleksibel end den typiske solide struktur, vi laver ud af PCL i vores laboratorium," sagde Hollister, professor i Wallace H. Coulter Department of Biomedicinsk teknik ved Georgia Tech og Emory University, hvor han også besidder Patsy og Alan Dorris-stolen i Pediatric Technology og fungerer som afdelingens associerede formand for translationel forskning.

Kombinationen af ​​fleksibilitet og styrke i en enhed er særlig vigtig her, sagde Park, fordi det ultimative mål med forskningen er at "anvende denne struktur til at udvikle et brystrekonstruktionsimplantat, der har sammenlignelige biomekaniske egenskaber med det oprindelige brystvæv. I øjeblikket donerer vi ikke har en mulighed for biologisk nedbrydelig brystimplantation i de kliniske omgivelser."

Han forklarede, at disse biologisk nedbrydelige brystrekonstruktionsimplantater tjener som en slags stillads. Ideen er, at det biokompatible materiale (PCL) med tiden nedbrydes og absorberes i kroppen, samtidig med at de bevarer de mekaniske egenskaber, der svarer til det oprindelige brystvæv.

"Vi forventer, at naturligt væv først vil blive infiltreret i porerne på det biologisk nedbrydelige implantat," sagde Park. "Vævsvolumen vil derefter stige i implantatet, efterhånden som det nedbrydes, og til sidst erstattes selve enheden med vævet efter fuldstændig nedbrydning af implantatet."

Udvidelse af mobilnetværket

I det væsentlige er det 3D-printede brystimplantat designet til at give rekonstruktiv støtte, samtidig med at det letter væksten af ​​nyt væv.

Mellemrummet mellem disse små stivere gør hele forskellen for den større enhed, hvilket giver den en blødhed og smidighed, som ellers ville have været umulig. Disse rum kan til sidst fyldes med hydrogel, der vil hjælpe med at fremme celle- og vævsvækst.

Holdets arkitektonerede auxetik omfatter også designet af indre hulrum og mellemrum inde i stiverne, hvilket skaber en slags mikroporøsitet, der muliggør massetransport af ilt, næringsstoffer og metabolitter for at nære udvidelsen og væksten af ​​et cellulært netværk.

Park arbejder sammen med Emory-kirurgen Angela Cheng om at indsende et tilskud til yderligere forskning og test af brystimplantatet. Og teamet er allerede ved at tilpasse teknologien til andre applikationer. En af samarbejdspartnerne i denne forskning er for eksempel Mike Davis, hvis laboratorium i Emory er fokuseret på hjerteregenerering.

"På grund af den store fleksibilitet bruger de det til at rekonstruere infarkt eller nekrotisk myokardievæv," sagde Hollister.

Og Park har udviklet en auxetisk version af den pædiatriske trachealskinne. "Fordelen der er, med dette design, kan det udvides i to retninger," sagde han. "Så efterhånden som unge patienter vokser, vil den nye enhed vokse med dem."

Flere oplysninger: Jeong Hun Park et al., 3D-printning af poly-ε-Caprolacton (PCL) auxetiske implantater med avanceret ydeevne til konstruktion af blødt væv i store volumer, avancerede funktionelle materialer (2023). DOI:10.1002/adfm.202215220

Journaloplysninger: Avancerede funktionelle materialer

Leveret af Georgia Institute of Technology