可穿戴、可植入,麻省理工研发3D打印网格材料

作者: 51SHAPE   来源:51SHAPE   发布日期: 2019/7/10 11:03:40 

患者匹配型定制化医疗器械为3D打印的应用提供了市场空间,3D打印不仅能够实现与患者解剖结构匹配的设计,还能够实现生物力学上相匹配的设计。

来自麻省理工学院的研究团队开发了一种可以灵活定制机械性能和几何形状的3D打印网格材料,该材料既可用于制造轻便、柔软的可穿戴支具,又可应用于植入式医疗设备。

Material_MIT3D打印网格材料,通过调整波浪结构改变材料性能。
来源:MIT

block 如纺织面料般柔韧的材料

麻省理工学院科学家团队开发的3D打印网格材料具有良好的柔韧性。

3D打印为网格结构的定制提供了便利性,设计师可以通过调整网状结构实现材料的个性化定制,既可以制造脚踝、膝盖支具等外部佩带的设备,又可用于制造植入式设备,例如疝气修补网。

Material_MIT2用于制造踝关节、膝关节支具的网格材料。来源:MIT

研究团队通过三款支具展示了3D打印网格材料的性能:

脚踝支架-作用是防止穿戴者的脚踝向内转动,同时保持穿戴者关节移动的灵活性;

膝关节支架-不影响膝盖弯曲;

手部护具-护具与指关节相匹配。

这项研究的侧重点在提供既能够为满足支撑人体组织所需的机械性能,又能够满足几何形状,并且像纺织面料那样灵活及舒适。

研究人员在天然材料胶原蛋白中找到了这款材料的设计灵感。胶原蛋白是人体软组织中的结构蛋白,韧带、肌腱和肌肉中都含有胶原蛋白。在显微镜下观察到的胶原蛋白看起来就像是弯曲交织在一起的股线,当被拉伸时会变直。

研究人员模仿胶原蛋白的特点,以热塑性聚氨酯(TPU)为原材料,设计了模拟胶原蛋白分子结构的3D打印波浪状的网格材料,它们坚韧、可拉伸。

波浪状结构是调整整块材料性能的关键,通过改变波浪结构,材料的特性将能够被改变,网状材料变硬之前,波浪越高网格材料在在低应变下拉伸得越多。

研究团队对于材料为脚踝提供的支撑作用进行了测试,研究人员为健康的志愿者们提供了可以粘附在脚踝外侧的3D打印网状材料,然后用脚踝僵硬度测量机器人Anklebot 对志愿者进行测试。机器人分别对佩带了支撑材料与没有佩带支撑材料的志愿者移动脚踝时所用的力进行了测试。

这些测试揭示了3D打印网格如何影响踝关节在各个方向的刚度,并发现3D打印网状材料在反转期间增加了踝关节的刚度,同时使踝关节不受其他方向运动的影响。

根据麻省理工学院机械工程副教授A. John Hart,这种网状材料制造的方式比较简单,通过FDM 桌面级3D打印机就可以实现制造。

根据3D科学谷的了解,研究团队还对网格状材料的设计思路进行了拓展,比如说,类似的设计方式还可以用于制造金属3D打印网格材料,前面提到的可植入人体的疝网就可以通过金属材料进行制造。研究团队还想出一种方法,通过在弹性网的某些部分上印刷不锈钢纤维,然后再印刷第三弹性层,就像三明治夹心结构一样将坚硬的不锈钢材料夹在中间,通过这种方法创建的3D打印网格材料可以延伸到一定程度,但当材料变硬时可以提供额外的力量和支撑,这对于制造防止肌肉过度训练的器械尤其有意义。

研究人员还在类似设计思路的基础上开发了一种3D打印超材料,该材料在被拉伸的时候不会变窄收缩,反而是变得更宽。这类材料可用于制造支撑身体中需要高度弯曲部位的支具,例如膝关节支具。

麻省理工的研究团队表示,凡是有可能与人体接触的医疗设备,例如支具矫形器、甚至心血管支架都有可能成为这类3D打印网格材料的应用场景。

与此研究相关的论文发表于Advance Functional Materials, 题为”Additive Manufacturing of Biomechanically Tailored Meshes for Compliant Wearable and Implantable Devices”。

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