US-Forscher ermöglichen 3D-gedruckte Prothesen mit integrierte Sensoren

Mit dem Wachstum des 3D-Drucks ist es durchaus möglich, Ihre eigene Prothese aus Modellen in Open-Source-Datenbanken zu drucken.

Diese Modelle verfügen jedoch nicht über personalisierte elektronische Benutzeroberflächen, wie sie in kostspieligen Prothesen nach dem neuesten Stand der Technik zu finden sind.

Nun haben ein Virginia-Tech-Professor und sein interdisziplinäres Team aus Studenten von Grundstudenten Einzug in die Integration elektronischer Sensoren mit personalisierten 3D-gedruckten Prothesen gefunden – eine Entwicklung, die eines Tages zu erschwinglicheren elektrisch angetriebenen Prothesen führen könnte.

Diese kürzlich veröffentlichte Studie aus dem Labor von Blake Johnson, einem Assistenzprofessor für Virginia Tech in Virginia, entwickelte einen Schritt vorwärts bei der Verbesserung der Funktionalität von 3D-gedruckten personalisierten tragbaren Systemen.

Durch die Integration elektronischer Sensoren an der Schnittstelle zwischen einer Prothese und dem Gewebe des Trägers können die Forscher Informationen über die Funktion und den Komfort der Prothese erhalten, wie etwa den Druck über das Gewebe des Trägers hinweg, der dazu beitragen kann, weitere Iterationen dieser Art von Prothetik zu verbessern.

Die Integration von Materialien in formschlüssige Bereiche der 3D-gedruckten Prothetik über eine konforme 3D-Drucktechnik anstelle der manuellen Integration nach dem Drucken könnte auch den Weg für einzigartige Möglichkeiten der Anpassung der Härte des Gewebes des Trägers und der Integration unterschiedlicher Sensoren eröffnen Standorte über die Formularanpassungsschnittstelle. Im Gegensatz zum herkömmlichen 3D-Druck, bei dem Material Schicht für Schicht auf einer ebenen Oberfläche abgeschieden wird, ermöglicht der konforme 3D-Druck die Ablagerung von Material auf gekrümmten Oberflächen und Objekten.

Laut Yuxin Tong, einem Absolventen des Studiengangs Industrie- und Systemtechnik und Erstautor der veröffentlichten Studie, besteht das Endziel darin, Ingenieurpraktiken und -prozesse zu schaffen, die so viele Menschen wie möglich erreichen können, beginnend mit dem Bemühen, zur Entwicklung einer Prothese beizutragen lokales jugendlich.

“Hoffentlich könnte jeder Elternteil der Beschreibung aus dem von uns veröffentlichten Paper folgen und eine kostengünstige personalisierte Handprothese für sein oder ihr Kind entwickeln”, sagte Tong.

Um die Prothetik in Verbindung mit elektronischen Sensoren zu entwickeln, begannen die Forscher mit 3D-Scandaten. Dies ähnelt der Aufnahme von Bildern aus verschiedenen Winkeln, um die vollständige Form eines Objekts zu erhalten – in diesem Fall eine Form des Gliedes des Teenagers.

Anschließend nutzten sie 3D-Scandaten, um die Integration von Sensoren in die formschlüssige Kavität der Prothese mithilfe einer konformen 3D-Drucktechnik zu führen.

Das vom Forschungsteam entwickelte Verfahren eignet sich für weitere Anwendungen in der personalisierten Medizin und für das Design von tragbaren Systemen.

“Das Personalisieren und Ändern der Eigenschaften und Funktionalitäten von tragbaren Systemschnittstellen durch 3D-Scannen und 3D-Druck öffnet die Tür zur Entwicklung und Herstellung neuer Technologien für die menschliche Betreuung und Gesundheitsfürsorge sowie die Untersuchung grundlegender Fragen, die mit der Funktion und dem Komfort tragbarer Systeme verbunden sind”, Sagte Johnson.

Johnsons Forschungen zu Prothesenhänden waren inspiriert, als er von der Tochter des Kollegen Josie Fraticelli erfuhr, die damals 12 Jahre alt war und mit einem Amnionbandsyndrom geboren wurde. Während des Uterus hörte die Entwicklung ihrer Hand auf. Fadenähnliche Fruchtblasen behinderten die Durchblutung und beeinträchtigten die Entwicklung der rechten Hand, was zu einer Fehlbildung außerhalb der Knöchel führte.

Johnson nutzte seine einschlägigen Forschungskenntnisse im Bereich der additiven Bioproduktion und ein Team interdisziplinärer Wissenschaftler, um die bionische Hand für Fraticelli zu drucken, die zur Grundlage der nun veröffentlichten Forschung werden sollte.

Während der Zusammenarbeit mit Fraticelli wurde die Prototypenprothetik weiterentwickelt, indem neue additive Fertigungstechniken entwickelt wurden, die eine bessere Anpassung an die Handfläche von Fraticelli ermöglichen und so eine komfortablere, formschlüssige Prothetikvorrichtung schaffen.

Sie bestätigten, dass die Personalisierung der Prothese den Kontakt zwischen Fraticellis Gewebe und der Prothese im Vergleich zu nicht personalisierten Geräten um fast das Vierfache erhöhte. Diese vergrößerte Kontaktfläche half ihnen zu bestimmen, wo Sensorelektrodenarrays eingesetzt werden sollten, um die Druckverteilung zu testen, was ihnen half, das Design weiter zu verbessern.

Sensing-Experimente wurden mit zwei personalisierten Prothesen mit und ohne Sensing-Elektrodenarrays durchgeführt. Bei diesen Experimenten mit Fraticelli stellten sie fest, dass die Druckverteilung anders war, als sie ihre Hand entspannte, statt ihre Hand in einer gebeugten Haltung zu halten.

“Das Missverhältnis zwischen der weichen Haut und der starren Schnittstelle ist immer noch ein Problem, das die Konformität verringert”, sagte Tong. “Die Sensorelektrodenarrays können einen neuen Bereich eröffnen, um das Design der Prothetik unter dem Gesichtspunkt der Verteilung eines besseren Druckausgleichs zu verbessern.”

Insgesamt hat Fraticelli das Gefühl, dass die neue personalisierte Prothese ihren Komfort verbessert. Da ihre Hand unter verschiedenen Haltungen weich und veränderbar ist und das prothetische Material starr und fixiert ist, kann sich der Konformitätsgrad weiter ändern.

Die personalisierte Prothetik bietet immer noch Raum für Verbesserungen. Das Team von Johnson wird weiterhin neue Techniken in der additiven Fertigung erforschen und entwickeln, um die Verbesserung tragbarer bionischer Geräte zu verbessern.