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3D打印柔性聚氨酯網狀物助推產業發展

2019年06月26日 星期三 來源:中國粉體網 我來說兩句 保存為書簽

環球聚氨酯網訊:由3D打印的助聽器、牙冠和義肢被用來為個體患者進行數字化設計和定製的醫療設備。然而,這些裝置常被設計成替換或支撐身體的骨骼和其他剛性部分,並且通常由非柔性材料製造。

現在,MIT的工程師們設計了柔韌的3D打印網狀材料,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,工程人員可以定製每個網格中複雜的結構,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備(如腳踝或膝蓋支撐設備)甚至可植入的設備(如疝氣網)以便更好地適配病人需求。

作為演示,該團隊製備了一個柔韌的網狀物,用於腳踝支架。他們調整了網狀物的結構,以防止腳踝向內轉—這是造成傷害的常見原因—同時允許關節在其他方向上自由移動。研究人員還製作了一種膝蓋支架設計,即使在彎曲時也能與膝蓋保持一致。他們還製造了一種手套,在其頂部表麵縫有三維印刷網眼,與佩戴者的指關節相契合,可抵抗中風後可能發生的無意識咬合。

“這是一項創新型的研究,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的博士後研究人員 Sebastian Pattinson說。

Pattinson現在是劍橋大學的教師,是發表在《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。

該團隊的網眼靈感來自於柔韌、舒適的麵料。“3D打印的服裝和設備往往非常笨重,我們試圖探索如何使3D打印產品更加靈活和舒適,如紡織品和織物”Pattinson說。

Pattinson在膠原蛋白中找到了更多的靈感,膠原蛋白是構成身體大部分軟組織的結構蛋白,存在於韌帶、肌腱和肌肉中。在顯微鏡下,膠原蛋白可以像彎曲、交織的線,類似於鬆散編織的彈性帶。這種膠原蛋白最初很容易拉伸,因為它的結構中的扭結會變直。但是一旦繃緊,就難以持續拉伸。

受膠原蛋白分子結構的啟發,Pattinson設計了波浪紋圖案,使用熱塑性聚氨酯作為印刷材料進行3D打印。然後,他製作了一個網狀配置,類似於彈性但堅韌、柔韌的麵料。他設計的波形越高,網格就越能在低應變下拉伸,然後變得更加僵直。這一設計原則可以幫助定製網格的柔韌度並幫助它模仿軟組織。

研究人員打印了一條長條狀的網狀物,測試了它對幾名健康誌願者腳踝的支撐。對於每個誌願者,該團隊沿著腳踝外側的長度粘貼一條帶,如果它向內轉,他們預測會支撐腳踝。然後他們將每個誌願者的腳踝放入一個由Hogan實驗室開發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,然後測量每次運動時腳踝施加的力,通過對比試驗了解網狀物如何影響踝部在不同方向上的剛度。

他們發現網狀物一般在反轉期間增加了踝關節的剛度而在向其他方向移動時使其相對不受影響。

“這種技術的優點在於其簡潔性和多功能性。網格可以在基礎的桌麵3D打印機上製作,並且可以定製機製以精確匹配軟組織”Hart說。

該團隊的腳踝支架采用有一定彈性材料製成。但是對於其他應用,例如可植入的疝網,可能需要更硬且合適的材料。為此,該團隊開發了一種方法,通過在彈性網格區域上加入不鏽鋼纖維,將更堅硬的纖維和線材結合到柔韌的網狀物中提高材料硬度,然後在鋼材上加入第三彈性層。將較硬的線夾入網中。

剛性和彈性材料的組合可以使網狀物能夠容易地伸展到一定程度,之後它開始變硬,提供更強的支撐以防止肌肉過度訓練等情況的發生。

該團隊還開發了另外兩種技術,使該網狀材料幾乎具有類似織物的質量,即使在運動時也能輕鬆貼合身體。

“紡織品如此靈活的原因之一是纖維能夠輕鬆地相互移動”Pattinson說。“我們希望3D打印部件可以模仿這些功能。”

在傳統的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,它與其下層結合。Pattinson發現,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麵的層上,使材料有時間冷卻導致它的粘性降低。通過這種方式印刷網格圖案,Pattinson能夠創建一個可以相對於彼此自由移動的多層結構而不是完全粘合的產品,他演示了使用3D打印的多層網格物覆蓋一個高爾夫球的實驗。

最後,該團隊設計了包含拉脹結構的網格——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格結構,當拉伸時會變得更寬,而不是像普通網格那樣收縮。這一特性可用於支撐高度彎曲的身體表麵。為了達到這個目的,研究人員在一個潛在的膝蓋支撐設計中加入輔助網,並發現它能夠很好地適配關節。

“有可能製造出與人體接觸的各種設備”Pattinson說。手術網、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構中受益。”

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


 
 
 
 

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