Les ingénieurs impression 3D flexible de maille de la cheville et le genou accolades

Les prothèses auditives, les couronnes dentaires, et la branche de la prothèse sont certains des dispositifs médicaux qui peuvent maintenant être numériquement conçus et adaptés aux besoins individuels des patients, grâce à l’impression en 3d. Toutefois, ces appareils sont généralement conçus pour remplacer ou soutenir les os et d’autres rigide parties du corps, et sont souvent imprimées à partir de solide, relativement rigide matériau.



Maintenant, MIT les ingénieurs ont conçu souple, 3-D-imprimé en maille matériaux, dont la flexibilité et la ténacité qu’ils peuvent régler à imiter et à un soutien plus doux tissus tels que les muscles et les tendons. Ils peuvent adapter les structures complexes dans chaque maille, et ils envisagent le dur encore élastique tissu en forme de matériau utilisé comme personnalisé, portable prend en charge, y compris la cheville ou du genou bretelles, et même les dispositifs implantables, comme la hernie mailles, qui correspondent mieux à un corps de la personne.


Comme une démonstration, l’équipe imprimé souple mesh pour une utilisation dans une attelle de cheville. Ils ont adapté le maillage de la structure pour empêcher la cheville de tourner vers l’intérieur-une cause fréquente de blessures — tout en permettant à la commune de se déplacer librement dans d’autres directions. Les chercheurs ont également fabriqué une attelle de genou design qui pourrait être conformes au genou, alors même qu’elle se plie. Et, ils ont produit un gant avec un 3-D-imprimé en maille cousue à l’intérieur de sa surface supérieure, qui est conforme à un porteur de doigts, offrant une résistance contre involontaire serrement qui peuvent se produire à la suite d’un accident vasculaire cérébral.


“Ce travail est nouveau en ce qu’il met l’accent sur les propriétés mécaniques et géométriques nécessaires au soutien des tissus mous”, explique Sebastian Pattinson, qui a mené les recherches, comme un post-doctorat au MIT.


Pattinson, maintenant, sur la faculté de l’Université de Cambridge, est l’auteur principal d’une étude publiée dans la revue Advanced functional materials. Son MIT co-auteurs incluent Meghan Huber, Sanha Kim, Jongwoo Lee, Sarah Grunsfeld, Ricardo Roberts, Gregory Dreifus, Christoph Meier, et Lei Liu, ainsi que Sun Jae Professeur en Génie Mécanique Neville Hogan et professeur agrégé de génie mécanique A. John Hart.


L’équitation de collagène de la vague


L’équipe est flexible maillages ont été inspirés par l’souple, conforme à la nature des tissus.


“3-D-vêtements imprimés et les appareils ont tendance à être très volumineux” Pattinson dit. “Nous avons essayé de penser à comment nous pouvons faire en 3-D-imprimé construit plus souple et plus confortable, comme les textiles et les tissus.”


Pattinson trouve plus d’inspiration dans le collagène, la protéine structurale qui fait une grande partie des tissus du corps et se trouve dans les ligaments, les tendons et les muscles. Sous un microscope, le collagène peut ressembler à sinueuse, brins entrelacés, semblable à vaguement tressée élastique rubans. Lorsqu’il est étiré, ce collagène d’abord si facilement, comme les replis de sa structure, de redresser. Mais une fois tendu, les brins sont plus difficile à étendre.


Inspiré par le collagène est la structure moléculaire, Pattinson est conçu ondulée, qu’il 3-D-imprimé à l’aide de polyuréthane thermoplastique comme le matériau d’impression. Il a ensuite fabriqué un maillage de configuration pour ressembler à l’élastique mais robuste, souple en tissu. Le plus grand, il a conçu les vagues, plus le maillage pourrait être étendu au bas de la souche avant de devenir plus raide — un principe de conception qui peuvent aider à adapter un maillage du degré de flexibilité et ont contribué à imiter les tissus mous.


Les chercheurs ont imprimé une longue bande de la maille et testé son soutien sur les chevilles de plusieurs volontaires sains. Pour chacun des bénévoles, l’équipe a respecté une bande le long de la longueur de l’extérieur de la cheville, dans une orientation qu’ils ont prédit serait soutien de la cheville si il s’est tourné vers l’intérieur. Ils ont ensuite mis de chaque volontaire de la cheville à la cheville mesure de la rigidité robot-nommé, logiquement, Anklebot — qui a été développé dans Hogan laboratoire. Le Anklebot déplacé leur cheville en 12 directions différentes, et ensuite mesuré la force de la cheville exercée avec chaque mouvement, avec la maille, et sans elle, pour comprendre comment le maillage touché à la cheville de la rigidité dans des directions différentes.


En général, ils ont trouvé le maillage augmentation de la raideur de la cheville lors de l’inversion, tout en laissant relativement inchangés, tout comme il a déménagé dans d’autres directions.


“La beauté de cette technique réside dans sa simplicité et sa polyvalence. La maille peut être faite sur une base de bureau, imprimante 3d, et les mécaniciens peuvent être adaptés pour correspondre précisément à celles des tissus mous,” Hart dit.


Plus rigide, plus frais rideaux


L’équipe de l’attelle de cheville a été faite en utilisant un matériau élastique. Mais pour d’autres applications, telles que implantables hernie mailles, il pourrait être utile d’inclure un matériau plus rigide, qui est en même temps comme conforme. À cette fin, l’équipe a développé un moyen d’intégrer plus forte et plus rigide de fibres et de fils dans une maille souple, par l’impression d’acier inoxydable de fibres sur les régions d’une maille élastique où les plus sévères des propriétés seraient nécessaires, puis l’impression d’une troisième couche élastique sur l’acier à sandwich le plus rigide fil dans les mailles.


La combinaison des matières rigides et élastiques peuvent donner un maillage de la capacité d’étirer facilement jusqu’à un certain point, après quoi il commence à se raidir, fournir plus de soutien pour éviter, par exemple, un muscle de overstraining.


L’équipe a aussi développé deux autres techniques pour donner l’imprimé maille presque tissu de qualité, lui permettant de se conformer facilement à l’organisme, même en mouvement.


“L’une des raisons les textiles sont si flexibles que les fibres sont en mesure de se déplacer par rapport les uns avec les autres,” Pattinson dit. “Nous avons aussi voulu imiter cette capacité en 3-D des pièces imprimées.”


En traditionnelle d’impression 3-D, un matériau est imprimée par le biais d’une buse chaude, couche par couche. Lorsqu’il est chauffé polymère extrudé il se lie avec le calque de dessous. Pattinson a révélé que, une fois qu’il a imprimé une première couche, si il a soulevé l’impression buse légèrement, le matériel sortant de la buse prendrait un peu plus de terrain sur le calque de dessous, donnant au matériau le temps de refroidir. En conséquence, il serait moins collante. Par l’impression d’un motif de maille de cette façon, Pattinson a été en mesure de créer des couches, plutôt que d’être entièrement collé, étaient libres de se déplacer les uns par rapport aux autres, et il l’a démontré dans une multicouche mesh drapé et conformes à la forme d’une balle de golf.


Enfin, l’équipe a conçu des mailles qui incorporated auxetic structures — modèles qui deviennent plus larges lorsque vous tirez sur eux. Par exemple, ils ont été en mesure d’imprimer des maillages, au milieu de laquelle se composait de structures qui, lorsqu’il est étiré, est devenu plus large plutôt que de reculer comme un fait normal de la maille serait. Cette propriété est utile pour soutenir fortement les surfaces courbes du corps. À cette fin, les chercheurs ont façonné un auxetic mesh dans un potentiel attelle de genou conception et trouvé qu’il était conforme à la commune.


“Il y a du potentiel pour faire toutes sortes de dispositifs à l’interface avec le corps humain,” Pattinson dit. Mailles chirurgicales, d’orthèses, de même des appareils cardiovasculaires comme les stents — vous pouvez imaginer tous potentiellement bénéficier à partir des types de structures de nous montrer.”


Cette recherche a été financée en partie par la National Science Foundation, le MIT-Skoltech de la Prochaine Génération du Programme, et les Eric P. et Evelyn E. Newman Fonds au MIT.