3D打印柔性聚氨酯网可促进行业发展

3D打印助听器，牙冠和假肢用于为个体患者数字化设计和定制医疗设备。然而，这些装置通常设计成替换或支撑骨骼和身体的其他刚性部分，并且通常由非柔性材料制成。现在，麻省理工学院的工程师们已经设计出灵活的3D打印网状材料，这些材料具有足够的柔韧性，可以模拟和支撑肌肉和肌腱等软组织。工程师可以定制每个网格中的复杂结构，他们希望这种坚韧且柔韧的织物状材料可用作个性化的可穿戴支撑设备（如脚踝或膝盖支撑设备），甚至可植入设备（如疝网），以更好地适应患者需要。作为示范，该团队为脚踝支架准备了一个灵活的网状物。他们调整了网状物的结构以防止脚踝向内转动 - 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。研究人员还创造了膝盖支架设计，即使在弯曲时也能与膝盖对齐。他们还创造了一个手套，顶部表面上有一个三维印刷网，适合佩戴者的指关节，以抵抗中风后可能发生的无意咬合。 

“这是一项创新研究，因为它符合软组织支持的机械特性和几何要求，”麻省理工学院博士后研究员塞巴斯蒂安帕丁森说。 Pattinson目前是剑桥大学的教师，也是发表在Advanced Functional Materials上的一项研究的主要作者。他在麻省理工学院的合着者包括Meghan Huber，Sanha Kim，Jongwoo Lee，Sarah Grunsfeld，Ricardo Roberts，Gregory Dreifus，Christoph Meier和Lei Liu，Sun Jae机械工程教授Neville Hogan和机械工程副教授A. John Hart。该团队的网眼灵感来自柔软舒适的面料。 “3D打印的服装和设备通常非常繁琐，我们正在努力探索如何使3D打印产品更加灵活和舒适，例如纺织品和织物，”Pattinson说。帕丁森在胶原蛋白中找到了更多的灵感，胶原蛋白是一种结构蛋白质，构成了韧带，肌腱和肌肉中发现的大部分身体软组织。在显微镜下，胶原蛋白可以像弯曲的交织线，类似于松散编织的松紧带。这种胶原蛋白最初容易拉伸，因为它的结构扭结会变直。但是一旦紧张，很难连续伸展。受到胶原蛋白分子结构的启发，Pattinson设计了一种波纹图案，使用热塑性聚氨酯作为3D打印的印刷材料。然后他制作了一种网状结构，类似于弹性但坚韧的柔韧面料。他设计的波形越高，网格在低应变下拉伸越多，然后变得越硬。这种设计原理可以帮助定制网格的灵活性，并帮助它模仿软组织。研究人员印制了一条长条状网，测试了它对几名健康志愿者脚踝的支持。对于每个志愿者，团队在脚踝外侧贴上一条带，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由Hogan实验室开发的脚踝僵硬测量机器人anklebot。 Anklebot在在12个不同的方向移动他们的脚踝，然后测量每个运动期间脚踝施加的力，并比较试验，看看网状物如何影响不同方向的脚踝的刚度。他们发现，网状结构通常会在反转过程中增加踝关节的刚度，并使其在向其他方向移动时相对不受影响。 

“这项技术的优势在于其简单性和多功能性。网格可以在基本的桌面3D打印机上构建，并且可以定制以精确匹配软组织，”Hart说。该团队的脚踝支架由一定的弹性材料制成。但是对于其他应用，例如可植入网，可能需要更硬和更合适的材料。为此，该团队开发了一种方法，通过在弹性网格区域添加不锈钢纤维，然后在钢材上添加第三弹性层，将更硬的纤维和线材添加到柔性网格中以增加材料的硬度。 。将较硬的电线夹入网中。刚性和弹性材料的组合允许网状物容易地拉伸到一定程度，之后它开始硬化，提供更强的支撑以防止肌肉过度训练等。该团队还开发了另外两种技术，使网状材料几乎像织物质量一样，即使在锻炼时也很容易贴合。 “纺织品如此灵活的原因之一是纤维可以很容易地相互移动，”帕丁森说。 

“我们希望3D打印部件能够模仿这些功能。”在传统的3D打印中，材料通过加热喷嘴逐层打印。当加热的聚合物被挤出时，它与其下层结合。帕丁森发现，一旦他打印出第一层，如果他将打印喷嘴稍微抬起，从喷嘴喷出的材料将需要更长的时间才能落在下面的层上，使材料随着时间的推移而冷却，导致其粘度降低。以这种方式打印网格图案Pattinson能够创建一个多层结构，可以相对于彼此自由移动而不是完全粘合的产品。他展示了用3D打印的多层网格覆盖高尔夫球的实验。最后，该团队设计了一个拉伸结构的网格，当你拉动时它会变宽。例如，它们可以在两者之间打印一个特殊的网格结构，当拉伸时会变宽，而不是像普通网格一样收缩。此功能可用于支持高度弯曲的身体表面。为此，研究人员在潜在的膝关节支撑设计中添加了辅助网状物，并发现它适合关节井。 “有可能制造出与人体接触的各种设备，”帕丁森说。手术网，矫形器，甚至心血管设备，你可以想象每个人都可以从我们展示的各种结构中受益。这项研究部分得到了美国国家科学基金会，MIT-Skoltech下一代计划以及麻省理工学院的Eric P.和Evelyn E. Newman基金的支持。