香港理工易洁伦 Macromol Mater Eng: 3D打印负泊松比结构于增生性疤痕治疗的应用

3D打印科研前沿
2022
01/28
21:14
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来源:高分子科技

在不同界别的研究当中,如何把设计贴合人类身体是个急切的挑战。不同的设计例如可穿戴传感器或功能性服饰都需要紧贴在皮肤才能发挥效用。几十年来,压力衣物是初期控制增生性疤痕治疗的重要治疗方法,但是只依靠压力衣物本身并不能给予疤痕稳定的压力,从而影响治疗效果。在临床上,治疗师利用聚乙烯泡沫填充身体凹陷的位置以达到一个较为理想压力水平。虽然聚乙烯泡沫是相对较软的材料,但是应付在关节上大程度的皮肤拉伸和变形,聚乙烯泡沫并不能贴合在皮肤上,影响压力的传递。

负泊松比结构在面外弯曲的会形成同向曲面而非传统结构的鞍形弯面(图1),此特殊的作用有助于材料贴合于相同是同向曲面的人体关节位置。为了改善增生性疤痕治疗的压力治疗,本文提出以熔融沉积成型三维打印负泊松比结构以取代传统的聚乙烯泡沫填充物以稳定压力服在关节屈伸时给予疤痕的压力水平 (图2)。

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图1. 传统蜂窝结构与负泊松比结构于面外方向弯曲时的分别阐释
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图2. 三维打印负泊松比结构热塑性聚氨酯制备过程与于增生性疤痕治疗的应用

近日,来自香港理工大学的奕洁伦博士,在Macromolecular Materials and Engineering 上发表题为“3D Printing Auxetic Architectures for Hypertrophic Scar Therapy”的研究文章。该文章通过有限元和试验分析了两种传统的负泊松比结构(内凹Re-entrant和 双箭头 Double-arrowhead)于面外方向以球面施力时的物理特性包括形状可塑性和结构变化作出深入分析和讨论。所设计的有限元模型与实验数据表现出可接受的一致性。数据显示负泊松比结构的内角角度对形状可塑性起重要作用。

同时为了了解本文设计的三维打印负泊松比结构填充对压力传递的改变,进行了穿戴试验去比较传统聚乙烯泡沫填充和新设计的差异。结果揭示了他们的设计有助于在手腕屈期伸间保持稳定的压力水平,从而促进疤痕的成熟和恢复。

本文要点

本文章首次较为系统的对负泊松比结构在面外方向的形状可塑性和结构变化进行分析,首先以有限元分析单一重复内凹结构的内角对于面外方向弯曲的影响,之后再以金属球体向面外方向的多个重复的负泊松比结构施压,同时纪录荷载与位移以厘定不同结构的形状可塑性。数据揭示双箭头比内凹结构可能有更佳的形状可塑性,更为适合用压力治疗的填充物。

另外,于有限元分析当中,负泊松比的结构于施压时的变化亦进行了结构分析,基于内角的变化的特性分成了四个阶段,实验与有限元分析数据亦指出第一阶段对结构的形状可塑性尤其重要。

其后,邀请了一位志愿者进行了穿戴试验,以比较传统聚乙烯泡沫填充和新设计在压力传递的差异。首先,压力手套配带到其手腕上,不同的填充物则安置于手腕背面和压力手套中间,而压力传感器则安置于皮肤与填充物之间。实验过程当中,手腕会不停的屈伸并同时量度不同姿势时的压力变化。

本文量化的负泊松比结构在面外方向的形状可塑性和结构变化不仅有助于增生性疤痕治疗的发展,而且还有助于任何类型的生物医学设备,例如人体监测传感器。

有限元分析内凹结构的内角对于面外方向弯曲的影响

通过有限元分析,他们展示了内凹结构的内角的改变对于面外方向弯曲的影响,其最小和最大曲率以海伦公式估计并计算其总曲率。随着内角角度的增加,其总曲率逐渐下降并由同向曲面变成鞍形弯面结构。

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图3. a) 于面外方向的弯曲的内凹结构与内角、最大曲率与最小曲率的展示。b) 海伦公式估计。c) 60oRE and 120oRE样本于1mN负载下的几何改变有限元模拟。d&e) 内角对最大曲率与最小曲率的影响。f) 内角对同向曲面或 鞍形弯面特性影响。

内凹和双箭头结构在面外方向的形状可塑性

通过实验分析,他们展示了不同内角角度的内凹和双箭头结构形状可塑性,在两种不同的结构中,较小的内角角度的样本也展示出较佳的形状可塑性。由于60oRE和30oDAH 样本体积相约,当与传统直接比较聚乙烯泡沫的力位移曲线,双箭头结构样本的力在10微米位移分别大约低于内凹结构跟聚乙烯泡沫 60%与40%;于25微米位移则低大约27%。

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图4. a) 形状可塑性实验展示。b) 样本体积。c&d) RE和DAH样本力位移曲线比较。e) 60oRE﹑30oDAH和PE_foam样本力位移曲线比较。f) 样本的成形能量比较

负泊松比结构变化分析

实验与模拟的结构变化结果相约,基于结构的内角(θa 和θb)的变化的特性,把整个变形过程厘定分四个阶段:第一阶段θa 会减少,而θb会增加;第二阶段开始θb会超过90o,外则本来的负泊松比的形状变成非负泊比松的形状;当到达第三阶段,内外的负泊松比的形状也变成非负泊松比的形状;第四阶段的形状变化很少,梁厚会开始显著减少。两个不同的负泊松比结构亦显示出类似的结构变化过程,于第一阶段时,力位移曲线的斜率比其他的阶段明显较低,代表其对结构的形状可塑性之重要性。

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图5. a&b) 30oDAH 和60oRE实验和模拟结构变化对比

稳定在关节屈伸时给予疤痕的压力水平

实验结果显示当手腕屈伸时,填充物中间的位置,使用三维打印负泊松比结构时皮肤的压力能比使用传统的聚乙烯泡沫更稳定。使用聚乙烯泡沫时手腕屈曲,填充物的边缘并未能与皮肤接触;反之,使用三维打印负泊松比结构填充物时手腕屈曲,填充物的边缘能贴服在皮肤上,并传递对增生性疤痕有疗效的压力水平。本设计能有效减低压力过大带来的副作用和避免压力不足以致影响疗效。于实际应用时,可以先以柔软的硅胶薄膜贴在疤痕上,不但可以避免填充物对疤痕的刮伤,更能加速改善疤痕外观和厚度。

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图6. a) 穿戴试验展示。b) 压力传感器的位置。c – e) 使用三维打印负泊松比结构填充或传统的聚乙烯泡沫于不同位置压力变化的对比。f ) 三维打印负泊松比结构填充实际应用

文章链接:3D Printing Auxetic Architectures for Hypertrophic Scar Therapy

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https://doi.org/10.1002/mame.202100866


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