MIT丨3D打印柔性網(wǎng)狀物助推產(chǎn)業(yè)發(fā)展

來源：未知大陸

由3D打印的助聽器、牙冠和義肢被用來為個體患者進行數(shù)字化設(shè)計和定制的醫(yī)療設(shè)備。然而，這些裝置常被設(shè)計成替換或支撐身體的骨骼和其他剛性部分，并且通常由非柔性材料制造。

現(xiàn)在，MIT的工程師們設(shè)計了柔韌的3D打印網(wǎng)狀材料，它具有靈活性和韌性，可以模擬和支撐肌肉和肌腱等柔軟組織，工程人員可以定制每個網(wǎng)格中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，他們希望這類堅韌而有彈性的織物狀材料被用作個性化的可穿戴支撐設(shè)備（如腳踝或膝蓋支撐設(shè)備）甚至可植入的設(shè)備（如疝氣網(wǎng)）以便更好地適配病人需求。

作為演示，該團隊制備了一個柔韌的網(wǎng)狀物，用于腳踝支架。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)—這是造成傷害的常見原因—同時允許關(guān)節(jié)在其他方向上自由移動。研究人員還制作了一種膝蓋支架設(shè)計，即使在彎曲時也能與膝蓋保持一致。他們還制造了一種手套，在其頂部表面縫有三維印刷網(wǎng)眼，與佩戴者的指關(guān)節(jié)相契合，可抵抗中風后可能發(fā)生的無意識咬合。

“這是一項創(chuàng)新型的研究，因為它能滿足軟組織支撐對機械性能和幾何形狀的要求”MIT的博士后研究人員 Sebastian Pattinson說。

Pattinson現(xiàn)在是劍橋大學(xué)的教師，是發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上一項研究的主要作者。他在MIT研究的合著者包括Meghan Huber，Sanha Kim,Jongwoo Lee,Sarah Grunsfeld,Ricardo Roberts,Gregory Dreifus，Christoph Meier和Lei Liu，以及Sun Jae機械工程教授Neville Hogan和機械工程副教授A.John Hart。

該團隊的網(wǎng)眼靈感來自于柔韌、舒適的面料�！�3D打印的服裝和設(shè)備往往非常笨重，我們試圖探索如何使3D打印產(chǎn)品更加靈活和舒適，如紡織品和織物”Pattinson說。

Pattinson在膠原蛋白中找到了更多的靈感，膠原蛋白是構(gòu)成身體大部分軟組織的結(jié)構(gòu)蛋白，存在于韌帶、肌腱和肌肉中。在顯微鏡下，膠原蛋白可以像彎曲、交織的線，類似于松散編織的彈性帶。這種膠原蛋白最初很容易拉伸，因為它的結(jié)構(gòu)中的扭結(jié)會變直。但是一旦繃緊，就難以持續(xù)拉伸。

受膠原蛋白分子結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，Pattinson設(shè)計了波浪紋圖案，使用熱塑性聚氨酯作為印刷材料進行3D打印。然后，他制作了一個網(wǎng)狀配置，類似于彈性但堅韌、柔韌的面料。他設(shè)計的波形越高，網(wǎng)格就越能在低應(yīng)變下拉伸，然后變得更加僵直。這一設(shè)計原則可以幫助定制網(wǎng)格的柔韌度并幫助它模仿軟組織。

研究人員打印了一條長條狀的網(wǎng)狀物，測試了它對幾名健康志愿者腳踝的支撐。對于每個志愿者，該團隊沿著腳踝外側(cè)的長度粘貼一條帶，如果它向內(nèi)轉(zhuǎn)，他們預(yù)測會支撐腳踝。然后他們將每個志愿者的腳踝放入一個由Hogan實驗室開發(fā)的腳踝僵硬測量機器人——Anklebot。Anklebot在12個不同的方向上移動他們的腳踝，然后測量每次運動時腳踝施加的力，通過對比試驗了解網(wǎng)狀物如何影響踝部在不同方向上的剛度。

他們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)狀物一般在反轉(zhuǎn)期間增加了踝關(guān)節(jié)的剛度而在向其他方向移動時使其相對不受影響�！斑@種技術(shù)的優(yōu)點在于其簡潔性和多功能性。網(wǎng)格可以在基礎(chǔ)的桌面3D打印機上制作，并且可以定制機制以精確匹配軟組織”Hart說。

該團隊的腳踝支架采用有一定彈性材料制成。但是對于其他應(yīng)用，例如可植入的疝網(wǎng)，可能需要更硬且合適的材料。為此，該團隊開發(fā)了一種方法，通過在彈性網(wǎng)格區(qū)域上加入不銹鋼纖維，將更堅硬的纖維和線材結(jié)合到柔韌的網(wǎng)狀物中提高材料硬度，然后在鋼材上加入第三彈性層。將較硬的線夾入網(wǎng)中。

剛性和彈性材料的組合可以使網(wǎng)狀物能夠容易地伸展到一定程度，之后它開始變硬，提供更強的支撐以防止肌肉過度訓(xùn)練等情況的發(fā)生。

該團隊還開發(fā)了另外兩種技術(shù)，使該網(wǎng)狀材料幾乎具有類似織物的質(zhì)量，即使在運動時也能輕松貼合身體。

“紡織品如此靈活的原因之一是纖維能夠輕松地相互移動”Pattinson說�！拔覀兿Ｍ�3D打印部件可以模仿這些功能�！�

在傳統(tǒng)的3D打印中，材料通過加熱噴嘴逐層打印。當加熱的聚合物被擠出時，它與其下層結(jié)合。Pattinson發(fā)現(xiàn)，一旦他打印出第一層，如果他稍微抬起打印噴嘴，從噴嘴噴出的材料會花費更長的時間落在下面的層上，使材料有時間冷卻導(dǎo)致它的粘性降低。通過這種方式印刷網(wǎng)格圖案，Pattinson能夠創(chuàng)建一個可以相對于彼此自由移動的多層結(jié)構(gòu)而不是完全粘合的產(chǎn)品，他演示了使用3D打印的多層網(wǎng)格物覆蓋一個高爾夫球的實驗。

最后，該團隊設(shè)計了包含拉脹結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格——它們會隨著你的拉動變得更寬。例如，他們能夠在其中間打印特殊的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，當拉伸時會變得更寬，而不是像普通網(wǎng)格那樣收縮。這一特性可用于支撐高度彎曲的身體表面。為了達到這個目的，研究人員在一個潛在的膝蓋支撐設(shè)計中加入輔助網(wǎng)，并發(fā)現(xiàn)它能夠很好地適配關(guān)節(jié)。

“有可能制造出與人體接觸的各種設(shè)備”Pattinson說。手術(shù)網(wǎng)、矯形器，甚至心血管裝置，你可以想象所有人都可能從我們展示的各種結(jié)構(gòu)中受益�！�

這項研究部分得到了國家科學(xué)基金會，MIT-Skoltech下一代計劃以及麻省理工學(xué)院的Eric P.和Evelyn E. Newman基金的支持。