Ingenieure 3D-drucken flexibles Netz für Knöchel- und Knieorthesen

Hörgeräte, Zahnkronen und Gliedmaßenprothesen sind einige der medizinischen Geräte, die dank 3D-Druck digital entworfen und für einzelne Patienten angepasst werden können. Diese Vorrichtungen sind jedoch typischerweise so konstruiert, dass sie Knochen und andere starre Körperteile ersetzen oder stützen, und werden häufig aus festem, relativ unflexiblem Material gedruckt.

Jetzt haben die MIT-Ingenieure biegsame, dreidimensional bedruckte Netzmaterialien entwickelt, deren Flexibilität und Zähigkeit sie optimieren können, um weichere Gewebe wie Muskeln und Sehnen zu emulieren und zu unterstützen. Sie können die komplizierten Strukturen in jedem Netz maßschneidern und stellen sich das robuste, aber dehnbare, stoffähnliche Material vor, das als personalisierte, tragbare Stützen verwendet wird, einschließlich Knöchel- oder Knieorthesen, und sogar implantierbare Geräte wie Herniennetze, die besser zu der Person passen.

Zur Demonstration druckte das Team ein flexibles Netz zur Verwendung in einer Knöchelorthese. Sie haben die Struktur des Netzes so angepasst, dass sich der Knöchel nicht nach innen dreht – eine häufige Ursache für Verletzungen – und das Gelenk sich frei in andere Richtungen bewegen kann. Die Forscher stellten auch ein Knieorthesen-Design her, das sich dem Knie anpassen konnte, selbst wenn es abgebogen wird. Und sie produzierten einen Handschuh mit einem 3D-gedruckten Netz, das in die Oberseite eingenäht ist und sich an die Knöchel des Trägers anpasst und Widerstand gegen ungewolltes Zusammenpressen bietet, was nach einem Schlaganfall auftreten kann.

“Diese Arbeit ist insofern neu, als sie sich auf die mechanischen Eigenschaften und Geometrien konzentriert, die zur Unterstützung von Weichgeweben erforderlich sind”, sagt Sebastian Pattinson, der die Forschung als Postdoc am MIT durchführte.

Pattinson, der jetzt an der Fakultät der Universität Cambridge ist, ist der Hauptautor einer Studie, die heute in der Zeitschrift Advanced Functional Materials veröffentlicht wurde. Zu seinen MIT-Co-Autoren gehören Meghan Huber, Sanha Kim, Jongwoo Lee, Sarah Grunsfeld, Ricardo Roberts, Gregor Dreifus, Christoph Meier und Lei Liu sowie Sun Jae-Professor für Maschinenbau Neville Hogan und außerordentlicher Professor für Maschinenbau A. John Hart.

Die flexiblen Maschen des Teams waren von der geschmeidigen und anpassungsfähigen Beschaffenheit der Stoffe inspiriert.

“3D-bedruckte Kleidung und Geräte sind in der Regel sehr sperrig”, sagt Pattinson. “Wir haben versucht zu überlegen, wie wir 3D-gedruckte Konstrukte flexibler und komfortabler gestalten können, wie Textilien und Stoffe.”

Pattinson fand weitere Inspiration in Kollagen, dem Strukturprotein, das einen Großteil des körpereigenen Weichgewebes ausmacht und in Bändern, Sehnen und Muskeln vorkommt. Kollagen kann unter dem Mikroskop kurvigen, ineinander verschlungenen Strängen ähneln, ähnlich wie lose geflochtene elastische Bänder. In gedehntem Zustand tut sich dieses Kollagen zunächst so leicht, da sich die Knicke in seiner Struktur aufrichten. Aber wenn sie einmal gespannt sind, sind die Fäden schwerer zu verlängern.

Im Allgemeinen stellten sie fest, dass das Netz die Steifheit des Knöchels während der Inversion erhöhte, während es relativ unbeeinflusst blieb, wenn es sich in andere Richtungen bewegte.

„Die Schönheit dieser Technik liegt in ihrer Einfachheit und Vielseitigkeit. Das Netz kann auf einem einfachen Desktop-3D-Drucker hergestellt werden, und die Mechanik kann genau auf die von Weichgewebe abgestimmt werden“, sagt Hart.

Die Knöchelorthese des Teams wurde aus relativ dehnbarem Material hergestellt. Für andere Anwendungen, wie zum Beispiel implantierbare Herniennetze, kann es jedoch nützlich sein, ein steiferes Material einzuschließen, das gleichzeitig genauso anpassungsfähig ist. Zu diesem Zweck entwickelte das Team eine Möglichkeit, festere und steifere Fasern und Fäden in ein biegsames Netz einzubauen, indem Edelstahlfasern über Bereiche eines elastischen Netzes gedruckt wurden, in denen steifere Eigenschaften erforderlich wären, und anschließend eine dritte elastische Schicht über den Stahl aufgedruckt wurde Schieben Sie den steiferen Faden in das Netz.

Die Kombination aus steifen und elastischen Materialien kann einem Netz die Fähigkeit verleihen, sich leicht bis zu einem Punkt zu dehnen, nach dem es sich zu versteifen beginnt, und bietet eine stärkere Unterstützung, um beispielsweise eine Überlastung des Muskels zu verhindern.