MIT丨3D打印柔性网状物助推产业发展

来源：未知大陆

由3D打印的助听器、牙冠和义肢被用来为个体患者进行数字化设计和定制的医疗设备。然而，这些装置常被设计成替换或支撑身体的骨骼和其他刚性部分，并且通常由非柔性材料制造。

现在，MIT的工程师们设计了柔韧的3D打印网状材料，它具有灵活性和韧性，可以模拟和支撑肌肉和肌腱等柔软组织，工程人员可以定制每个网格中复杂的结构，他们希望这类坚韧而有弹性的织物状材料被用作个性化的可穿戴支撑设备（如脚踝或膝盖支撑设备）甚至可植入的设备（如疝气网）以便更好地适配病人需求。

作为演示，该团队制备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。他们还制造了一种手套，在其顶部表面缝有三维印刷网眼，与佩戴者的指关节相契合，可抵抗中风后可能发生的无意识咬合。

“这是一项创新型的研究，因为它能满足软组织支撑对机械性能和几何形状的要求”MIT的博士后研究人员 Sebastian Pattinson说。

Pattinson现在是剑桥大学的教师，是发表在《Advanced Functional Materials》上一项研究的主要作者。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机械工程教授Neville Hogan和机械工程副教授A.John Hart。

该团队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，我们试图探索如何使3D打印产品更加灵活和舒适，如纺织品和织物”Pattinson说。

Pattinson在胶原蛋白中找到了更多的灵感，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、交织的线，类似于松散编织的弹性带。这种胶原蛋白最初很容易拉伸，因为它的结构中的扭结会变直。但是一旦绷紧，就难以持续拉伸。

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。他设计的波形越高，网格就越能在低应变下拉伸，然后变得更加僵直。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由Hogan实验室开发的脚踝僵硬测量机器人——Anklebot。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，通过对比试验了解网状物如何影响踝部在不同方向上的刚度。

他们发现网状物一般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其简洁性和多功能性。网格可以在基础的桌面3D打印机上制作，并且可以定制机制以精确匹配软组织”Hart说。

该团队的脚踝支架采用有一定弹性材料制成。但是对于其他应用，例如可植入的疝网，可能需要更硬且合适的材料。为此，该团队开发了一种方法，通过在弹性网格区域上加入不锈钢纤维，将更坚硬的纤维和线材结合到柔韧的网状物中提高材料硬度，然后在钢材上加入第三弹性层。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肌肉过度训练等情况的发生。

该团队还开发了另外两种技术，使该网状材料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”Pattinson说。“我们希望3D打印部件可以模仿这些功能。”

在传统的3D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，它与其下层结合。Pattinson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，使材料有时间冷却导致它的粘性降低。通过这种方式印刷网格图案，Pattinson能够创建一个可以相对于彼此自由移动的多层结构而不是完全粘合的产品，他演示了使用3D打印的多层网格物覆盖一个高尔夫球的实验。

最后，该团队设计了包含拉胀结构的网格——它们会随着你的拉动变得更宽。例如，他们能够在其中间打印特殊的网格结构，当拉伸时会变得更宽，而不是像普通网格那样收缩。这一特性可用于支撑高度弯曲的身体表面。为了达到这个目的，研究人员在一个潜在的膝盖支撑设计中加入辅助网，并发现它能够很好地适配关节。

“有可能制造出与人体接触的各种设备”Pattinson说。手术网、矫形器，甚至心血管装置，你可以想象所有人都可能从我们展示的各种结构中受益。”

这项研究部分得到了国家科学基金会，MIT-Skoltech下一代计划以及麻省理工学院的Eric P.和Evelyn E. Newman基金的支持。