Hörapparater, tandkronor, och lemmproteser är några av de medicintekniska produkter som nu kan designas digitalt och skräddarsys för enskilda patienter, tack vare 3D-utskrift. Dock, dessa enheter är vanligtvis utformade för att ersätta eller stödja ben och andra styva delar av kroppen, och skrivs ofta ut från fast, relativt oflexibelt material.

Nu har MIT -ingenjörer konstruerat smidiga, 3D-tryckta meshmaterial vars flexibilitet och seghet kan ställas in för att efterlikna och stödja mjukare vävnader som muskler och senor. De kan skräddarsy de invecklade strukturerna i varje nät, och de föreställer sig det tuffa men ändå stretchiga tygliknande material som används som personligt, bärbara stöd, inklusive fot- eller knästöd, och till och med implanterbara enheter, såsom bråcknät, som bättre matchar en persons kropp.

Som en demonstration, laget tryckte ut ett flexibelt nät för användning i ett fotledsstöd. De skräddarsydde nätets struktur för att förhindra att fotleden vrider sig inåt - en vanlig orsak till skada - samtidigt som leden låter sig röra sig fritt i andra riktningar. Forskarna tillverkade också en knäskyddsdesign som kunde anpassa sig till knäet även när det böjde sig. Och, de producerade en handske med ett 3D-tryckt nät som sys i dess övre yta, som överensstämmer med bärarens knogar, ger motstånd mot ofrivillig knytning som kan uppstå efter en stroke.

"Detta arbete är nytt genom att det fokuserar på de mekaniska egenskaperna och geometrier som krävs för att stödja mjukvävnader, säger Sebastian Pattinson, som genomförde forskningen som postdoc vid MIT.

Pattinson, nu vid fakulteten vid Cambridge University, är huvudförfattaren till en studie som publicerades idag i tidskriften Avancerade funktionella material . Hans MIT-medförfattare inkluderar Meghan Huber, Sanha Kim, Jongwoo Lee, Sarah Grunsfeld, Ricardo Roberts, Gregory Dreifus, Christoph Meier, och Lei Liu, samt Sun Jae professor i maskinteknik Neville Hogan och docent i maskinteknik A. John Hart.

Ridande kollagens våg

Teamets flexibla maskor inspirerades av de smidiga, tygernas anpassningsbara karaktär.

"3D-tryckta kläder och enheter tenderar att vara mycket skrymmande, "Säger Pattinson." Vi försökte tänka på hur vi kan göra 3D-tryckta konstruktioner mer flexibla och bekväma, som textilier och tyger. "

Pattinson fann ytterligare inspiration i kollagen, det strukturella protein som utgör mycket av kroppens mjuka vävnader och finns i ledband, senor, och muskler. Under ett mikroskop, kollagen kan likna kurviga, sammanflätade trådar, liknande löst flätade elastiska band. Vid sträckning, detta kollagen gör det initialt så enkelt, när kinkarna i dess struktur räcker ut. Men en gång spänd, trådarna är svårare att förlänga.

Inspirerad av kollagens molekylstruktur, Pattinson designade vågiga mönster, som han 3D-tryckt med termoplastisk polyuretan som tryckmaterial. Han tillverkade sedan en nätkonfiguration för att likna stretchig men tuff, smidigt tyg. Ju längre han designade vågorna, ju mer nätet skulle kunna sträckas med låg belastning innan det blir mer styvt - en designprincip som kan hjälpa till att skräddarsy en maskens flexibilitet och hjälpa den att efterlikna mjuk vävnad.

Forskarna skrev ut en lång remsa av nätet och testade dess stöd på anklarna hos flera friska frivilliga. För varje volontär, laget vidhäftade en remsa längs fotens utsida, i en orientering som de förutspådde skulle stödja fotleden om den vände inåt. De stoppade sedan varje volontärs fotled i en robot för mätning av fotledsstyvhet - namngiven, logiskt, Anklebot - som utvecklades i Hogans laboratorium. Anklebot rörde fotleden i 12 olika riktningar, och sedan mätte kraften som fotleden utövade med varje rörelse, med nätet och utan det, för att förstå hur nätet påverkade fotleden styvhet i olika riktningar.

I allmänhet, de fann att nätet ökade fotleden styvhet under inversion, medan den lämnade den relativt opåverkad när den rörde sig i andra riktningar.

"Skönheten i denna teknik ligger i dess enkelhet och mångsidighet. Mesh kan göras på en grundläggande 3D-skrivare, och mekaniken kan skräddarsys för att exakt matcha mjukvävnadens, "Säger Hart.

Styvare, svalare draperier

Lagets fotledsstöd gjordes med relativt stretchigt material. Men för andra applikationer, såsom implanterbara bråcknät, det kan vara användbart att inkludera ett styvare material, det är samtidigt lika anpassningsbart. För detta ändamål, laget utvecklade ett sätt att införliva starkare och styvare fibrer och trådar i ett smidigt nät, genom att trycka rostfria fibrer över områden i ett elastiskt nät där styvare egenskaper skulle behövas, then printing a third elastic layer over the steel to sandwich the stiffer thread into the mesh.

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, till exempel, 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, layer by layer. 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. Som ett resultat, 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.

Till sist, the team designed meshes that incorporated auxetic structures—patterns that become wider when you pull on them. Till exempel, 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. För detta ändamål, 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."

Denna artikel publiceras på nytt med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT -forskning, innovation och undervisning.