3D打印柔性聚氨酯網(wǎng)可促進(jìn)行業(yè)發(fā)展

3D打印助聽器，牙冠和假肢用于為個(gè)體患者數(shù)字化設(shè)計(jì)和定制醫(yī)療設(shè)備。然而，這些裝置通常設(shè)計(jì)成替換或支撐骨骼和身體的其他剛性部分，并且通常由非柔性材料制成。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院的工程師們已經(jīng)設(shè)計(jì)出靈活的3D打印網(wǎng)狀材料，這些材料具有足夠的柔韌性，可以模擬和支撐肌肉和肌腱等軟組織。工程師可以定制每個(gè)網(wǎng)格中的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，他們希望這種堅(jiān)韌且柔韌的織物狀材料可用作個(gè)性化的可穿戴支撐設(shè)備（如腳踝或膝蓋支撐設(shè)備），甚至可植入設(shè)備（如疝網(wǎng)），以更好地適應(yīng)患者需要。作為示范，該團(tuán)隊(duì)為腳踝支架準(zhǔn)備了一個(gè)靈活的網(wǎng)狀物。他們調(diào)整了網(wǎng)狀物的結(jié)構(gòu)以防止腳踝向內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng) - 這是造成傷害的常見原因 - 同時(shí)允許關(guān)節(jié)在其他方向上自由移動(dòng)。研究人員還創(chuàng)造了膝蓋支架設(shè)計(jì)，即使在彎曲時(shí)也能與膝蓋對(duì)齊。他們還創(chuàng)造了一個(gè)手套，頂部表面上有一個(gè)三維印刷網(wǎng)，適合佩戴者的指關(guān)節(jié)，以抵抗中風(fēng)后可能發(fā)生的無意咬合。 

“這是一項(xiàng)創(chuàng)新研究，因?yàn)樗宪浗M織支持的機(jī)械特性和幾何要求，”麻省理工學(xué)院博士后研究員塞巴斯蒂安帕丁森說。 Pattinson目前是劍橋大學(xué)的教師，也是發(fā)表在Advanced Functional Materials上的一項(xiàng)研究的主要作者。他在麻省理工學(xué)院的合著者包括Meghan Huber，Sanha Kim，Jongwoo Lee，Sarah Grunsfeld，Ricardo Roberts，Gregory Dreifus，Christoph Meier和Lei Liu，Sun Jae機(jī)械工程教授Neville Hogan和機(jī)械工程副教授A. John Hart。該團(tuán)隊(duì)的網(wǎng)眼靈感來自柔軟舒適的面料。 “3D打印的服裝和設(shè)備通常非常繁瑣，我們正在努力探索如何使3D打印產(chǎn)品更加靈活和舒適，例如紡織品和織物，”Pattinson說。帕丁森在膠原蛋白中找到了更多的靈感，膠原蛋白是一種結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，構(gòu)成了韌帶，肌腱和肌肉中發(fā)現(xiàn)的大部分身體軟組織。在顯微鏡下，膠原蛋白可以像彎曲的交織線，類似于松散編織的松緊帶。這種膠原蛋白最初容易拉伸，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)扭結(jié)會(huì)變直。但是一旦緊張，很難連續(xù)伸展。受到膠原蛋白分子結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，Pattinson設(shè)計(jì)了一種波紋圖案，使用熱塑性聚氨酯作為3D打印的印刷材料。然后他制作了一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，類似于彈性但堅(jiān)韌的柔韌面料。他設(shè)計(jì)的波形越高，網(wǎng)格在低應(yīng)變下拉伸越多，然后變得越硬。這種設(shè)計(jì)原理可以幫助定制網(wǎng)格的靈活性，并幫助它模仿軟組織。研究人員印制了一條長條狀網(wǎng)，測試了它對(duì)幾名健康志愿者腳踝的支持。對(duì)于每個(gè)志愿者，團(tuán)隊(duì)在腳踝外側(cè)貼上一條帶，如果它向內(nèi)轉(zhuǎn)，他們預(yù)測會(huì)支撐腳踝。然后他們將每個(gè)志愿者的腳踝放入一個(gè)由Hogan實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的腳踝僵硬測量機(jī)器人anklebot。 Anklebot在在12個(gè)不同的方向移動(dòng)他們的腳踝，然后測量每個(gè)運(yùn)動(dòng)期間腳踝施加的力，并比較試驗(yàn)，看看網(wǎng)狀物如何影響不同方向的腳踝的剛度。他們發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)通常會(huì)在反轉(zhuǎn)過程中增加踝關(guān)節(jié)的剛度，并使其在向其他方向移動(dòng)時(shí)相對(duì)不受影響。 

“這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢在于其簡單性和多功能性。網(wǎng)格可以在基本的桌面3D打印機(jī)上構(gòu)建，并且可以定制以精確匹配軟組織，”Hart說。該團(tuán)隊(duì)的腳踝支架由一定的彈性材料制成。但是對(duì)于其他應(yīng)用，例如可植入網(wǎng)，可能需要更硬和更合適的材料。為此，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種方法，通過在彈性網(wǎng)格區(qū)域添加不銹鋼纖維，然后在鋼材上添加第三彈性層，將更硬的纖維和線材添加到柔性網(wǎng)格中以增加材料的硬度。 。將較硬的電線夾入網(wǎng)中。剛性和彈性材料的組合允許網(wǎng)狀物容易地拉伸到一定程度，之后它開始硬化，提供更強(qiáng)的支撐以防止肌肉過度訓(xùn)練等。該團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了另外兩種技術(shù)，使網(wǎng)狀材料幾乎像織物質(zhì)量一樣，即使在鍛煉時(shí)也很容易貼合。 “紡織品如此靈活的原因之一是纖維可以很容易地相互移動(dòng)，”帕丁森說。 

“我們希望3D打印部件能夠模仿這些功能。”在傳統(tǒng)的3D打印中，材料通過加熱噴嘴逐層打印。當(dāng)加熱的聚合物被擠出時(shí)，它與其下層結(jié)合。帕丁森發(fā)現(xiàn)，一旦他打印出第一層，如果他將打印噴嘴稍微抬起，從噴嘴噴出的材料將需要更長的時(shí)間才能落在下面的層上，使材料隨著時(shí)間的推移而冷卻，導(dǎo)致其粘度降低。以這種方式打印網(wǎng)格圖案Pattinson能夠創(chuàng)建一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，可以相對(duì)于彼此自由移動(dòng)而不是完全粘合的產(chǎn)品。他展示了用3D打印的多層網(wǎng)格覆蓋高爾夫球的實(shí)驗(yàn)。最后，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)拉伸結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，當(dāng)你拉動(dòng)時(shí)它會(huì)變寬。例如，它們可以在兩者之間打印一個(gè)特殊的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，當(dāng)拉伸時(shí)會(huì)變寬，而不是像普通網(wǎng)格一樣收縮。此功能可用于支持高度彎曲的身體表面。為此，研究人員在潛在的膝關(guān)節(jié)支撐設(shè)計(jì)中添加了輔助網(wǎng)狀物，并發(fā)現(xiàn)它適合關(guān)節(jié)井。 “有可能制造出與人體接觸的各種設(shè)備，”帕丁森說。手術(shù)網(wǎng)，矯形器，甚至心血管設(shè)備，你可以想象每個(gè)人都可以從我們展示的各種結(jié)構(gòu)中受益。這項(xiàng)研究部分得到了美國國家科學(xué)基金會(huì)，MIT-Skoltech下一代計(jì)劃以及麻省理工學(xué)院的Eric P.和Evelyn E. Newman基金的支持。