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。
一般来说，他们发现网状物在反转期间增加了踝关节的刚度，而在向其他方向移动时使其相对不受影响。
“这种技术的优点在于它的简单性和多功能性。网状物可以在基本的桌面3-D打印机上制作，并且可以定制机械结构以精确匹配软组织，”Hart说。
更硬，更凉爽的窗帘
该团队的脚踝支架采用相对弹性材料制成。但是对于其他应用，例如可植入的疝网，包括更硬的材料可能是有用的，同时也适合。为此，该团队开发了一种方法，通过在弹性网格区域上印刷不锈钢纤维，将更坚固，更硬的纤维和线材结合到柔韧的网状物中，在那里需要更硬的性能，然后在钢材上印刷第三弹性层。将较硬的线夹入网中。
刚性和弹性材料的组合可以使网状物能够容易地伸展到一定程度，之后它开始变硬，提供更强的支撑以防止例如肌肉过度训练。
该团队还开发了另外两种技术，使印花网几乎具有类似织物的质量，即使在运动时也能轻松贴合身体。
“纺织品如此灵活的原因之一是纤维能够轻松地相互移动，”帕丁森说。“我们还希望模仿3D打印部件的功能。”
在传统的3-D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，它与其下面的层结合。帕丁森发现，一旦他打印出第一层，如果他稍微抬起打印喷嘴，从喷嘴喷出的材料会花费更长的时间落在下面的层上，使材料有时间冷却。结果，它会变得不那么粘。通过以这种方式印刷网格图案，帕丁森能够创建一个层，而不是完全粘合，可以相对于彼此自由移动，并且他在多层网格中展示了这一点，该网格覆盖并符合形状一个高尔夫球。
最后，该团队设计了包含拉胀结构的网格 - 当您拉动它们时，图案变得更宽。例如，他们能够打印网格，其中间由结构组成，当拉伸时，变得更宽，而不是像普通网格那样收缩。此属性可用于支撑身体的高度弯曲表面。为此，研究人员将一个拉胀网片制作成潜在的膝盖支架设计，并发现它符合关节。
“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，甚至心血管装置，如支架 - 你可以想象所有可能从我们展示的各种结构中受益。“