工程师3D打印柔性网状物用于踝关节和膝关节支撑

由于3D打印，助听器，牙冠和肢体假肢是一些现在可以为个体患者进行数字化设计和定制的医疗设备。然而，这些装置通常设计成替换或支撑身体的骨骼和其他刚性部分，并且通常由固体的相对非柔性材料印刷。

现在，麻省理工学院的工程师们设计了柔韧的3D打印网状材料，它们具有灵活性和韧性，可以模拟和支撑肌肉和肌腱等柔软组织。他们可以定制每个网格中复杂的结构，他们设想坚韧而有弹性的织物状材料被用作个性化的可穿戴支撑，包括脚踝或膝盖支撑，甚至可植入的设备，如疝气网，更好地匹配人的身体。

作为演示，该团队印刷了一个柔韧的网状物，用于脚踝支架。他们调整了网状物的结构，以防止脚踝向内转 - 这是造成伤害的常见原因 - 同时允许关节在其他方向上自由移动。研究人员还制作了一种膝盖支架设计，即使在弯曲时也能与膝盖保持一致。并且，他们生产了一种手套，在其顶部表面缝有三维印刷网眼，符合佩戴者的指关节，可抵抗中风后可能发生的无意识咬合。

“这项工作是新的，因为它专注于支持软组织所需的机械性能和几何形状，”塞巴斯蒂安帕丁森说，他是麻省理工学院的博士后研究人员。

帕丁森现在是剑桥大学的教师，是发表在高级功能材料杂志上的一项研究的主要作者。他的麻省理工学院合着者包括Meghan Huber，Sanha Kim，Jongwoo Lee，Sarah Grunsfeld，Ricardo Roberts，Gregory Dreifus，Christoph Meier和刘磊，以及Sun Jae机械工程教授Neville Hogan和机械工程副教授A.约翰哈特。

骑胶原蛋白的波浪该团队灵活的网眼灵感来自于柔韧，舒适的面料。3D打印的服装和设备往往非常笨重，”帕丁森说。“我们试图想到如何使3D打印结构更加灵活和舒适如纺织品和织物。”

帕丁森在胶原蛋白中找到了进一步的灵感，胶原蛋白是构成身体大部分软组织的结构蛋白，存在于韧带，肌腱和肌肉中。在显微镜下，胶原蛋白可以像弯曲，交织的股线，类似于松散编织的弹性带。当拉伸时，这种胶原蛋白最初很容易，因为它的结构中的扭结会变直。但是一旦绷紧，股线就难以延伸。

受胶原蛋白分子结构的启发，Pattinson设计了波浪纹图案，使用热塑性聚氨酯作为印刷材料进行3D打印。然后，他制作了一个网状配置，类似于弹性但坚韧，柔韧的面料。他设计的波浪越高，网格就越能在低应变下拉伸，然后变得更加僵硬 - 这一设计原则可以帮助定制网格的柔韧度并帮助它模仿软组织。

研究人员打印了一条长条状的网状物，测试了它对几名健康志愿者脚踝的支撑。对于每个志愿者，该团队沿着脚踝外侧的长度粘贴一条带，如果它向内转，他们预测会支撑脚踝。然后他们将每个志愿者的脚踝放入一个脚踝僵硬测量机器人 - 在逻辑上命名为Anklebot - 这是在Hogan实验室开发的。Anklebot在12个不同的方向上移动他们的脚踝，然后测量每次运动时脚踝施加的力，使用网状物并且没有它，以了解网状物如何影响踝部在不同方向上的刚度。