3D-напечатанная сетка упрощает процесс изготовления ортопедических бандажей

В новом исследовании рассматривается возможность технологии послойной печати биомеханически адаптированных гибких сеток, которая может привести к созданию персонализированных носимых и имплантируемых устройств.

Сетки, разработанные в Массачусетском технологическом институте (Massachusetts Institute of Technology - MIT; Кембридж, штат Массачусетс, США), изготавливаются путем экструзии термопластичного полиуретана с использованием непрерывной траектории инструмента послойной печати для настройки упругости ячеек сетки путем изменения натяжения и модуляции связи нити с нитью. Получающаяся в результате сетчатая конфигурация напоминает податливую ткань с определенной жесткостью в заданном направлении. Чем шире расстояние между элементарными ячейками, тем больше сетка может быть растянута при низкой деформации, прежде чем станет более жесткой; такой принцип конструкции регулирует степень гибкости сетки и помогает имитировать мягкие ткани.

Податливая сетка также может быть укреплена путем печати волокон из нержавеющей стали на участках эластичной сетки, где требуются более жесткие свойства, и затем печати третьего эластичного слоя поверх стали, чтобы внедрить в сетку более жесткую нить. Комбинация как жестких, так и упругих материалов дает сетке возможность легко растягиваться до точки, после которой она теряет гибкость. Сетки также могут быть выполнены в виде ауксетической структуры, которая при вытягивании становится шире. Кроме того, ауксетические структуры могут поддерживать сильноизогнутые поверхности тела.

Чтобы продемонстрировать возможности новой сетки, исследователи создали бандаж для голеностопа со специфически направленной инверсной жесткостью, возникающей из встроенной сетки, которая может обеспечить более сильную поддержку, чтобы предотвратить, например, перенапряжение мышц. Их сетчатая структура предотвращает поворот голеностопа внутрь, но при этом позволяет суставу свободно двигаться в других направлениях. Механика растяжения сетки бандажей была разработана для соответствия нелинейной реакции мышц. Исследователи также изготовили коленный бандаж, который соответствует по форме колену при его изгибе, и перчатку с 3D-напечатанной сеткой, пришитой к его верхней поверхности, которая соответствует костяшкам пользователя. Исследование было опубликовано 19 июня 2019 года в журнале Advanced Functional Materials.

"Мы пытались придумать, как сделать 3D-напечатанные конструкции более гибкими и удобными, например, использовать текстиль и ткани. Одна из причин, по которой текстиль настолько гибок, заключается в том, что волокна могут легко перемещаться относительно друг друга, — говорит ведущий автор Себастьян Паттинсон (Sebastian Pattinson), инженер-технолог, доктор философии. — Существует потенциал для создания всевозможных устройств, которые взаимодействуют с человеческим телом: хирургические сетки, ортезы, даже сердечно-сосудистые устройства, такие как стенты. Только вообразите, какую пользу могут принести эти структуры!"

Технология послойной печати позволяет создавать трехмерные объекты с использованием программного обеспечения для автоматизированного проектирования (САПР), машинного оборудования и слоистых материалов. После создания эскиза в САПР данные передаются на принтер, который укладывает или добавляет последовательные слои жидкости, порошка, листового или другого материала для изготовления трехмерного объекта. В это определение включены многие технологии, такие как быстрое создание прототипов, прямое цифровое производство, многоуровневое производство и аддитивное изготовление.

Ссылки по теме:
Массачусетский технологический институт