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

來(lái)源：未知大陸

由3D打印的助聽(tīng)器、牙冠和義肢被用來(lái)為個(gè)體患者進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)和定制的醫(yī)療設(shè)備。然而，這些裝置常被設(shè)計(jì)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?cè)O(shè)計(jì)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(gè)網(wǎng)格中復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，他們希望這類(lèi)堅(jiān)韌而有彈性的織物狀材料被用作個(gè)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(tuán)隊(duì)制備了一個(gè)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(jiàn)原因—同時(shí)允許關(guān)節(jié)在其他方向上自由移動(dòng)。研究人員還制作了一種膝蓋支架設(shè)計(jì)，即使在彎曲時(shí)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(fēng)后可能發(fā)生的無(wú)意識(shí)咬合。

“這是一項(xiàng)創(chuàng)新型的研究，因?yàn)樗�能滿足軟組織支撐對(duì)機(jī)械性能和幾何形狀的要求”MIT的博士后研究人員 Sebastian Pattinson說(shuō)。

Pattinson現(xiàn)在是劍橋大學(xué)的教師，是發(fā)表在《Advanced Functional Materials》上一項(xiàng)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(jī)械工程教授Neville Hogan和機(jī)械工程副教授A.John Hart。

該團(tuán)隊(duì)的網(wǎng)眼靈感來(lái)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?cè)噲D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”P(pán)attinson說(shuō)。

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(lèi)似于松散編織的彈性帶。這種膠原蛋白最初很容易拉伸，因?yàn)樗�的結(jié)構(gòu)中的扭結(jié)會(huì)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(jì)了波浪紋圖案，使用熱塑性聚氨酯作為印刷材料進(jìn)行3D打印。然后，他制作了一個(gè)網(wǎng)狀配置，類(lèi)似于彈性但堅(jiān)韌、柔韌的面料。他設(shè)計(jì)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(jì)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(zhǎng)條狀的網(wǎng)狀物，測(cè)試了它對(duì)幾名健康志愿者腳踝的支撐。對(duì)于每個(gè)志愿者，該團(tuán)隊(duì)沿著腳踝外側(cè)的長(zhǎng)度粘貼一條帶，如果它向內(nèi)轉(zhuǎn)，他們預(yù)測(cè)會(huì)支撐腳踝。然后他們將每個(gè)志愿者的腳踝放入一個(gè)由Hogan實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的腳踝僵硬測(cè)量機(jī)器人——Anklebot。Anklebot在12個(gè)不同的方向上移動(dòng)他們的腳踝，然后測(cè)量每次運(yùn)動(dòng)時(shí)腳踝施加的力，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)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(dòng)時(shí)使其相對(duì)不受影響。“這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其簡(jiǎn)潔性和多功能性。網(wǎng)格可以在基礎(chǔ)的桌面3D打印機(jī)上制作，并且可以定制機(jī)制以精確匹配軟組織”Hart說(shuō)。

該團(tuán)隊(duì)的腳踝支架采用有一定彈性材料制成。但是對(duì)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(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種方法，通過(guò)在彈性網(wǎng)格區(qū)域上加入不銹鋼纖維，將更堅(jiān)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(kāi)始變硬，提供更強(qiáng)的支撐以防止肌肉過(guò)度訓(xùn)練等情況的發(fā)生。

該團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了另外兩種技術(shù)，使該網(wǎng)狀材料幾乎具有類(lèi)似織物的質(zhì)量，即使在運(yùn)動(dòng)時(shí)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(dòng)”P(pán)attinson說(shuō)。“我們希望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(guò)加熱噴嘴逐層打印。當(dāng)加熱的聚合物被擠出時(shí)，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(huì)花費(fèi)更長(zhǎng)的時(shí)間落在下面的層上，使材料有時(shí)間冷卻導(dǎo)致它的粘性降低。通過(guò)這種方式印刷網(wǎng)格圖案，Pattinson能夠創(chuàng)建一個(gè)可以相對(duì)于彼此自由移動(dòng)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(gè)高爾夫球的實(shí)驗(yàn)。

最后，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了包含拉脹結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格——它們會(huì)隨著你的拉動(dòng)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(dāng)拉伸時(shí)會(huì)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(dá)到這個(gè)目的，研究人員在一個(gè)潛在的膝蓋支撐設(shè)計(jì)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”P(pán)attinson說(shuō)。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(xiàng)研究部分得到了國(guó)家科學(xué)基金會(huì)，MIT-Skoltech下一代計(jì)劃以及麻省理工學(xué)院的Eric P.和Evelyn E. Newman基金的支持。