Ingenieure 3D-drucken-flexibles mesh-Knöchel-und Kniebandagen: Techniken, die dazu führen könnten, personalisierten tragbaren und implantierbaren Geräten

Hörgeräte, Zahnkronen, des Körpers und der Gliedmaßen Prothesen sind nur einige der medizinischen Geräte, können nun Digital entworfen und maßgeschneidert für den individuellen Patienten, Dank 3-D-Druck. Allerdings sind diese Geräte in der Regel entwickelt, um zu ersetzen oder zu unterstützen, Knochen und andere starre Teile des Körpers, und sind oft gedruckt von festen, relativ unflexiblen material.

Jetzt MIT-Ingenieure haben entwickelt, biegsam, 3-D-gedruckte mesh-Materialien, deren Flexibilität und Härte, können Sie tune, um zu emulieren und unterstützen weichere Gewebe wie z.B. Muskeln und sehnen. Sie können maßgeschneiderte die komplizierten Strukturen in jedes Netz, und Sie stellen sich die robusten und dennoch dehnbaren Stoff-ähnliches material verwendet wird wie personalisierte, tragbare unterstützt, einschließlich Knöchel oder Knie-Klammern, und auch implantierbare Geräte, wie z.B. Hernien Netze, die besser passen, um den Körper einer person.

Als eine demonstration, die team gedruckt eine flexible mesh für den Einsatz in einer Knöchelbandage. Sie passten die mesh-Struktur, um zu verhindern, dass den Knöchel aus nach innen — eine häufige Ursache von Verletzungen-während so dass das Gelenk sich frei zu bewegen in andere Richtungen. Die Forscher fabriziert ein Knie-brace design, das könnte konform zu den Knie-auch, wie es die Kurven. Und, Sie erzeugt einen Handschuh mit einem 3-D-gedruckten mesh eingenäht in seiner oberen Oberfläche, die entspricht einer Trägerin Knöchel, die Bereitstellung von Widerstand gegen die unfreiwillige Zähnepressen, die auftreten können, nach einem Schlaganfall.

„Diese Arbeit ist neu, dass es konzentriert sich auf die mechanischen Eigenschaften und Geometrien erforderlich für die Unterstützung der Weichgewebe“, sagt Sebastian Pattinson, wer führte die Forschung als postdoc am MIT.

Pattinson, der jetzt auf der Lehrkörper an der Universität Cambridge, ist der führende Autor einer Studie, veröffentlicht in der Fachzeitschrift Advanced Functional Materials. Seine MIT co-Autoren gehören Meghan Huber, Sanha Kim, Jongwoo Lee, Sarah Grunsfeld, Ricardo Roberts, Gregory Dreifus, Christoph Meier und Lei Liu, sowie Sun-Jae Professor in Mechanical Engineering Neville Hogan und associate professor of mechanical engineering A. John Hart.

Reiten-collagen-Welle

Das team der flexiblen Netze wurden inspiriert durch die geschmeidigen, harmonischen Natur der Stoffe.

„3-D-gedruckte Kleidung und Geräte neigen dazu, sehr sperrig,“ Pattinson sagt. „Wir versuchten, zu denken, wie können wir 3-D-gedruckten Konstrukte mehr flexibel und komfortabel, wie Textilien und Stoffen.“

Pattinson fand weitere inspiration in Kollagen, dem Strukturprotein, das macht viel von der Körper die Weichteile und ist gefunden in Bänder, sehnen und Muskeln. Unter einem Mikroskop, Kollagen ähneln kann kurvenreichen, verschlungenen Strängen, ähnlich Locker geflochtenen, elastischen Bändern. Wenn gedehnt, das Kollagen zunächst nicht so leicht, wie die kinks in Ihrer Struktur wieder besser. Aber einmal straff gespannt, die Stränge sind schwerer zu erweitern.

Inspiriert von Kollagen, die molekulare Struktur Pattinson entwickelt, wellenförmige Muster, die er 3-D-gedruckt mit thermoplastischem Polyurethan, der als Druck-material. Er dann fabriziert ein Netz-Konfiguration zu ähneln dehnbar, aber zäh, biegsam Stoff. Je höher er entwickelt die Wellen, desto größer die Maschen gedehnt werden, die bei niedrigen Belastungen vor mehr steif ist-ein design-Prinzip, die helfen können, um Schneider eine Masche die Flexibilität und geholfen, es zu imitieren, weichen Gewebe.

Die Forscher druckte einen langen Streifen aus dem Netz getestet und Ihre Unterstützung auf den Knöchel von mehreren gesunden Probanden. Für jeden Freiwilligen, das team beachtet einen Streifen entlang der Länge der Außenseite des Knöchels, in eine Orientierung, die Sie vorhergesagt unterstützt den Knöchel, wenn es nach innen gerichtet. Dann setzen Sie jeden Freiwilligen Knöchel zu Knöchel Steifigkeit mess-Roboter-benannt, logisch, Anklebot-das war, entwickelte sich in Hogan ‚ s lab. Die Anklebot zog Ihre Knöchel in 12 verschiedene Richtungen, und dann gemessen wird die Kraft, die Knöchel ausgeübt, mit jeder Bewegung, mit mesh und, ohne es zu verstehen, wie das Netz berührt den Knöchel Steifigkeit in verschiedenen Richtungen.

Im Allgemeinen fanden Sie, dass das mesh erhöht den Knöchel Steifigkeit während der inversion, wobei Sie relativ unberührt, da Sie sich in andere Richtungen.

„Die Schönheit dieser Technik liegt in Ihrer Einfachheit und Vielseitigkeit. Mesh gemacht werden kann, auf einem Standard-desktop 3-D-Drucker, und die mechanik kann zugeschnitten werden, um genau denen entsprechen, die von weichem Gewebe,“ Hart sagt.

Steifer, Kühler, Vorhänge

Das team der Sprunggelenk-Bandage wurde mit einer relativ dehnbares material. Aber auch für andere Anwendungen wie implantierbare Hernie meshes, könnte es nützlich sein, eine steifere material, dass zur gleichen Zeit nur als anschmiegsam. Zu diesem Zweck entwickelte das team eine Art und Weise zu integrieren, stärker und steifer Fasern und Fäden in eine dehnbare mesh, durch das drucken von Edelstahl-Fasern über Regionen, das von einem elastischen mesh-wo steifer Eigenschaften benötigt werden würde, dann drucken eine Dritte elastische Schicht über den Stahl-sandwich-die steifer Faden in die Maschen.

Die Kombination aus steifen und elastischen Materialien kann eine Masche die Möglichkeit, sich leicht bis zu einem Punkt, nach dem es beginnt zu versteifen, die Bereitstellung stärker zu unterstützen, um zu verhindern, dass, zum Beispiel, ein Muskel von überbeanspruchung.

Das team entwickelte auch zwei andere Techniken zu geben, die bedruckten mesh-fast-Stoff-Qualität, die es ermöglicht, entsprechen sich leicht auf den Körper, sogar während Sie in Bewegung ist.

„Einer der Gründe für die Textilien so flexibel ist, dass die Fasern in der Lage sind, um relativ zueinander bewegen können“ Pattinson sagt. „Wir wollten auch zu imitieren-Fähigkeit in der 3-D-gedruckte Teile.“

In der traditionellen 3-D-Druck wird ein material gedruckt durch eine beheizte Düse, Schicht für Schicht. Beim erhitzen Polymers Extrudiertes es verbindet sich mit der Schicht darunter. Pattinson fand, dass, sobald er druckte eine erste Schicht, wenn er hob die druckkopfdüsen leicht, das material kommt aus der Düse würde ein wenig länger dauern, zu land, auf der Ebene darunter, was dem material Zeit zum abkühlen. Als Ergebnis, wäre es weniger klebrig. Durch drucken einer mesh-Muster in dieser Weise Pattinson war in der Lage, erstellen Sie eine Ebenen -, dass, eher als voll gebundene, frei relativ zueinander bewegen, und er hat dies in einem mehrlagigen mesh, der drapiert und angepasst an die Form eines Golfballs.

Endlich, das team entwickelt Maschen, die aufgenommen auxetic Strukturen-Muster, werden breiter, wenn man daran zieht. Zum Beispiel, Sie waren in der Lage zu drucken, Maschen, die Mitte, die aus Strukturen, die, wenn gestreckt, breiter wurde, anstatt einen Vertrag als normale Masche würde. Diese Eigenschaft ist nützlich für die Unterstützung von stark gekrümmten Oberflächen der Körper. Zu diesem Zweck haben die Forscher fashioned eine auxetic mesh zu einer möglichen Knie-brace design und festgestellt, dass es entsprach den joint.

„Es gibt Potenzial, um alle Arten von Geräten, die als Schnittstelle mit dem menschlichen Körper,“ Pattinson sagt. Chirurgische Netze, Orthesen, sogar Herz-Kreislauf-Geräte, wie stents-Sie können sich vorstellen potentiell alle profitieren von den Strukturen, die wir zeigen.“

Diese Forschung wurde unterstützt im Teil durch die National Science Foundation, die MIT-Skoltech Next Generation-Programm, und die Eric P. und Evelyn E. Newman-Fonds am MIT.