工程师3-d印刷网灵活的脚踝和膝盖支撑



助听器,牙冠,和肢体的假肢是一些现在可以数字地设计和定制个别患者的医疗器械,由于3-d印刷。然而,这些设备通常被设计为替代或支持骨骼和身体的其它刚性部件,并且通常由固体,相对非柔性的材料的印刷。

3-d网格被设计成重量轻和适形的,类似于织物和纺织品。图像:米。斯科特·布劳尔

现在MIT工程师设计柔韧的,3-d印刷网材料,其柔软性和韧性它们可以调谐到模拟,并支持更软组织,例如肌肉和肌腱。它们可以定制复杂的结构中的每个网格,并且它们设想坚韧但弹性的织物状材料被用作个性化,可佩戴支撑物,包括脚踝或膝盖支架,甚至可植入装置,例如疝网状物,其更好地匹配到人的身体。

作为示范,该球队印刷在挠性网用于在足踝支架中使用。他们量身定制网格的结构,防止脚踝向内旋转 - 损伤的常见原因 - 同时让关节在其他方向自由移动。研究人员还制作的护膝的设计,可以符合甚至它弯曲膝盖。并且,它们产生具有缝入其顶表面上的3-d-印刷网,这符合穿用者的指关节,提供防止意外紧咬电阻可能发生中风后的手套。

“这项工作是新的,因为它专注于支持软组织所需的机械性能和几何形状,”塞巴斯蒂安·帕丁森,谁进行了研究,在澳门银河网游博士后说。

帕丁森,现在在剑桥大学的教授,是研究今天在杂志上发表论文的主要作者 先进功能材料。 他的澳门银河网游共同作者包括梅根HUBER,萨尼亚金,jongwoo李,萨拉·格伦斯菲尔德,里卡多·罗伯茨,格雷戈里dreifus,克里斯托弗迈耶和刘磊,以及机械工程内维尔Hogan和机械工程副教授太阳宰教授。约翰哈特。

骑胶原蛋白的波

球队的灵活网格是由面料的柔软,舒适的灵感来自于大自然。

“3-d印刷服装和设备往往是非常庞大的,”帕丁森说。 “我们正在努力思考我们如何使3-d印刷构建更加灵活和舒适,如纺织品和面料。”

帕丁森发现胶原蛋白更多的灵感,结构蛋白,构成了大部分的身体的软组织和韧带,肌腱和肌肉被发现。在显微镜下,胶原蛋白可以像弯曲,交织绳股,类似于松散编织的弹性带。当拉伸时,这个最初胶原这样做容易,因为在其结构中的扭结理顺。但一旦拉紧,线股更难延伸。

通过胶原的分子结构,帕丁森设计波状图案,他使用热塑性聚氨酯作为印刷材料3-d印刷启发。然后,他制作的网格结构类似于弹性的不失硬朗,柔软的面料。他设计的波高,更多的网格可以在低应变拉伸变得更加僵硬之前 - 设计原则,可以帮助调整的灵活性网状的程度,并帮助它模仿软组织。

研究者印刷网格的长条形,并在几个健康志愿者的脚踝测试了它的支持。每个志愿者,该球队粘附的条带沿着脚踝的外侧的长度,即它们预测将支持脚踝如果它变成向内取向。他们然后把每个志愿者的脚踝到脚踝僵硬测量机器人 - 命名,从逻辑上讲,anklebot - 这是在霍根的实验室开发。所述anklebot移动他们的脚踝在12个不同的方向上,然后测量脚踝施加与每个移动的力,与网,没有它,了解网格如何影响踝的刚度在不同的方向。

在一般情况下,他们找到了网反转时增加了踝关节的硬度,同时保持它相对未受影响,因为它在其他方向移动。

“这种技术的美在于它的简单性和多功能性。网可基本桌面3-d打印机上进行,并且力学可以根据精确匹配的软组织,”哈特说。

硬,冷窗帘

球队的护踝用相对有弹性的材料制成。但是对于其他应用,如植入式疝气网格,它可能是有用的,包括硬的材料,那就是在同一时间,就像顺应性的。为此,研究小组开发了一种将更强和更硬的纤维和线成柔韧的网格,通过在弹性网,其中将需要更硬的性质的区域印刷不锈钢纤维,然后打印在钢的第三弹性层夹着较硬线成网状。

僵硬和弹性材料的组合可以给一个网格,以容易拉伸到一个点,在这之后开始变硬,从提供过渡紧张更有力的支持,以防止,例如,肌肉的能力。

团队还开发了其他两种技术来得到印刷网眼几乎织物般的质量,使其能够容易地适形于身体,即使在运动中。

“的原因,纺织品是如此灵活的是,纤维能够相对轻松地移动到对方,”帕丁森说。 “我们也想模仿的3-d印刷部分这种能力。”

在传统的3 d打印中,材料通过加热喷嘴,逐层印刷。当加热时聚合物被挤出它与它下面的层粘合。帕丁森发现,一旦他印刷的第一层,如果他微微抬起打印喷嘴,出来的喷嘴的材料将需要更长的时间到下面的层上降落,给材料的冷却时间。其结果是,这将是少而粘。通过以这种方式印刷的网状图案,帕丁森能够创建一个层即,而不是被完全粘合,可以自由地相对于彼此移动,而他证明了这一点在披在多层网和符合的形状高尔夫球。

最后,该团队设计网格,纳入拉胀结构 - 当你拉他们变得更宽模式。例如,他们能够打印网格,中间被包括的是,拉伸时的结构,逐渐变宽,而不是承包作为一个通常的网格。这个属性是用于支撑所述主体的高度弯曲的表面是有用的。为此,研究人员造出拉胀网片为一种潜在的膝盖支架设计,发现它符合关节。 

“有潜力,使各种设备与人体界面,”帕丁森说。外科手术网,矫形器,甚至像支架的心血管设备 - 你能想象的所有潜在的自种,我们表明结构中受益“。

这项研究是由美国国家科学基金会,美国澳门银河网游,skoltech下一代计划,以及埃里克·p在部分支持。和伊夫林即在澳门银河网游纽曼基金。