Gehoorapparaten, tandheelkundige kronen, en ledemaatprothesen zijn enkele van de medische apparaten die nu digitaal kunnen worden ontworpen en aangepast voor individuele patiënten, dankzij 3D-printen. Echter, deze apparaten zijn meestal ontworpen om botten en andere stijve delen van het lichaam te vervangen of te ondersteunen, en zijn vaak bedrukt van massief, relatief inflexibel materiaal.

Nu hebben MIT-ingenieurs plooibare, 3D-geprinte mesh-materialen waarvan de flexibiliteit en taaiheid ze kunnen afstemmen om zachtere weefsels zoals spieren en pezen na te bootsen en te ondersteunen. Ze kunnen de ingewikkelde structuren in elke mesh aanpassen, en ze stellen zich voor dat het stoere maar rekbare stofachtige materiaal wordt gebruikt als gepersonaliseerd, draagbare steunen, inclusief enkel- of kniebraces, en zelfs implanteerbare apparaten, zoals hernia meshes, die beter passen bij iemands lichaam.

Als demonstratie, het team heeft een flexibel gaas geprint voor gebruik in een enkelbrace. Ze hebben de structuur van het gaas aangepast om te voorkomen dat de enkel naar binnen draait - een veelvoorkomende oorzaak van letsel - terwijl het gewricht vrij in andere richtingen kan bewegen. De onderzoekers maakten ook een kniebrace-ontwerp dat zich aan de knie zou kunnen aanpassen, zelfs als deze buigt. En, ze produceerden een handschoen met een 3D-geprint gaas dat in het bovenoppervlak was genaaid, die zich aanpast aan de knokkels van een drager, biedt weerstand tegen onvrijwillig klemmen dat kan optreden na een beroerte.

"Dit werk is nieuw omdat het zich richt op de mechanische eigenschappen en geometrieën die nodig zijn om zachte weefsels te ondersteunen, " zegt Sebastian Pattinson, die het onderzoek uitvoerde als postdoc aan het MIT.

Pattinson, nu op de faculteit van Cambridge University, is de hoofdauteur van een studie die vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Geavanceerde functionele materialen . Tot zijn co-auteurs van het MIT behoren Meghan Huber, Sanha Kim, Jongwoo Lee, Sarah Grunsfeld, Ricardo Roberts, Gregorius Dreifus, Christoffel Meier, en Lei Liu, evenals Sun Jae hoogleraar werktuigbouwkunde Neville Hogan en universitair hoofddocent werktuigbouwkunde A. John Hart.

De golf van collageen berijden

De flexibele mazen van het team zijn geïnspireerd op de plooibare, vervormbare aard van stoffen.

"3D-geprinte kleding en apparaten zijn vaak erg volumineus, " zegt Pattinson. "We probeerden te bedenken hoe we 3D-geprinte constructies flexibeler en comfortabeler kunnen maken, zoals textiel en stoffen."

Pattinson vond verdere inspiratie in collageen, het structurele eiwit dat een groot deel van de zachte weefsels van het lichaam vormt en wordt aangetroffen in ligamenten, pezen, en spieren. Onder een microscoop, collageen kan lijken op bochtige, verstrengelde strengen, vergelijkbaar met losjes gevlochten elastische linten. Wanneer uitgerekt, dit collageen doet aanvankelijk zo gemakkelijk, terwijl de knikken in de structuur rechttrekken. Maar eenmaal strak, de strengen zijn moeilijker te verlengen.

Geïnspireerd door de moleculaire structuur van collageen, Pattinson ontwierp golvende patronen, die hij 3D-printte met thermoplastisch polyurethaan als printmateriaal. Vervolgens fabriceerde hij een mesh-configuratie om te lijken op rekbaar en toch stevig, soepele stof. Hoe groter hij de golven ontwierp, hoe meer het gaas kan worden uitgerekt bij lage spanning voordat het stijver wordt - een ontwerpprincipe dat kan helpen om de mate van flexibiliteit van een gaas aan te passen en het helpt om zacht weefsel na te bootsen.

De onderzoekers printten een lange strook van het gaas en testten de ondersteuning op de enkels van verschillende gezonde vrijwilligers. Voor elke vrijwilliger het team plakte een strook langs de lengte van de buitenkant van de enkel, in een richting waarvan ze voorspelden dat die de enkel zou ondersteunen als deze naar binnen zou draaien. Vervolgens plaatsten ze de enkel van elke vrijwilliger in een robot voor het meten van de enkelstijfheid, genaamd, logisch, Anklebot - dat is ontwikkeld in het laboratorium van Hogan. De Anklebot bewoog hun enkel in 12 verschillende richtingen, en vervolgens de kracht gemeten die de enkel bij elke beweging uitoefende, met het gaas en zonder het, om te begrijpen hoe het gaas de stijfheid van de enkel in verschillende richtingen beïnvloedde.

In het algemeen, ze ontdekten dat het gaas de stijfheid van de enkel verhoogde tijdens inversie, terwijl het relatief onaangetast bleef terwijl het in andere richtingen bewoog.

"De schoonheid van deze techniek ligt in zijn eenvoud en veelzijdigheid. Mesh kan worden gemaakt op een standaard desktop 3D-printer, en de mechanica kan worden aangepast om precies overeen te komen met die van zacht weefsel, ' zegt Hart.

stijver, koelere gordijnen

De enkelbrace van het team is gemaakt van relatief rekbaar materiaal. Maar voor andere toepassingen zoals implanteerbare hernia meshes, het kan nuttig zijn om een ​​stijver materiaal toe te voegen, dat is tegelijkertijd net zo conform. Hiertoe, het team ontwikkelde een manier om sterkere en stijvere vezels en draden op te nemen in een buigzaam gaas, door roestvrijstalen vezels te printen over gebieden van een elastisch gaas waar stijvere eigenschappen nodig zouden zijn, druk vervolgens een derde elastische laag over het staal om de stijvere draad in het gaas te klemmen.

The combination of stiff and elastic materials can give a mesh the ability to stretch easily up to a point, after which it starts to stiffen, providing stronger support to prevent, bijvoorbeeld, a muscle from overstraining.

The team also developed two other techniques to give the printed mesh an almost fabric-like quality, enabling it to conform easily to the body, even while in motion.

"One of the reasons textiles are so flexible is that the fibers are able to move relative to each other easily, " Pattinson says. "We also wanted to mimic that capability in the 3-D-printed parts."

In traditional 3-D printing, a material is printed through a heated nozzle, laag voor laag. When heated polymer is extruded it bonds with the layer underneath it. Pattinson found that, once he printed a first layer, if he raised the print nozzle slightly, the material coming out of the nozzle would take a bit longer to land on the layer below, giving the material time to cool. Als resultaat, it would be less sticky. By printing a mesh pattern in this way, Pattinson was able to create a layers that, rather than being fully bonded, were free to move relative to each other, and he demonstrated this in a multilayer mesh that draped over and conformed to the shape of a golf ball.

Eindelijk, the team designed meshes that incorporated auxetic structures—patterns that become wider when you pull on them. Bijvoorbeeld, they were able to print meshes, the middle of which consisted of structures that, when stretched, became wider rather than contracting as a normal mesh would. This property is useful for supporting highly curved surfaces of the body. Daartoe, the researchers fashioned an auxetic mesh into a potential knee brace design and found that it conformed to the joint.

"There's potential to make all sorts of devices that interface with the human body, " Pattinson says. Surgical meshes, orthoses, even cardiovascular devices like stents—you can imagine all potentially benefiting from the kinds of structures we show."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.