3D打印助聽器，牙冠和假肢用于為個體患者數(shù)字化設(shè)計和定制醫(yī)療設(shè)備。然而，這些裝置通常設(shè)計成替換或支撐骨骼和身體的其他剛性部分，并且通常由非柔性材料制成。現(xiàn)在，麻省理工學院的工程師們已經(jīng)設(shè)計出靈活的3D打印網(wǎng)狀材料，這些材料具有足夠的柔韌性，可以模擬和支撐肌肉和肌腱等軟組織。工程師可以定制每個網(wǎng)格中的復雜結(jié)構(gòu)，他們希望這種堅韌且柔韌的織物狀材料可用作個性化的可穿戴支撐設(shè)備（如腳踝或膝蓋支撐設(shè)備），甚至可植入設(shè)備（如疝網(wǎng)），以更好地適應患者需要。作為示范，該團隊為腳踝支架準備了一個靈活的網(wǎng)狀物。他們調(diào)整了網(wǎng)狀物的結(jié)構(gòu)以防止腳踝向內(nèi)轉(zhuǎn)動 - 這是造成傷害的常見原因 - 同時允許關(guān)節(jié)在其他方向上自由移動。研究人員還創(chuàng)造了膝蓋支架設(shè)計，即使在彎曲時也能與膝蓋對齊。他們還創(chuàng)造了一個手套，頂部表面上有一個三維印刷網(wǎng)，適合佩戴者的指關(guān)節(jié)，以抵抗中風后可能發(fā)生的無意咬合。 

“這是一項創(chuàng)新研究，因為它符合軟組織支持的機械特性和幾何要求，”麻省理工學院博士后研究員塞巴斯蒂安帕丁森說。 Pattinson目前是劍橋大學的教師，也是發(fā)表在Advanced Functional Materials上的一項研究的主要作者。他在麻省理工學院的合著者包括Meghan Huber，Sanha Kim，Jongwoo Lee，Sarah Grunsfeld，Ricardo Roberts，Gregory Dreifus，Christoph Meier和Lei Liu，Sun Jae機械工程教授Neville Hogan和機械工程副教授A. John Hart。該團隊的網(wǎng)眼靈感來自柔軟舒適的面料。 “3D打印的服裝和設(shè)備通常非常繁瑣，我們正在努力探索如何使3D打印產(chǎn)品更加靈活和舒適，例如紡織品和織物，”Pattinson說。帕丁森在膠原蛋白中找到了更多的靈感，膠原蛋白是一種結(jié)構(gòu)蛋白質(zhì)，構(gòu)成了韌帶，肌腱和肌肉中發(fā)現(xiàn)的大部分身體軟組織。在顯微鏡下，膠原蛋白可以像彎曲的交織線，類似于松散編織的松緊帶。這種膠原蛋白最初容易拉伸，因為它的結(jié)構(gòu)扭結(jié)會變直。但是一旦緊張，很難連續(xù)伸展。受到膠原蛋白分子結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，Pattinson設(shè)計了一種波紋圖案，使用熱塑性聚氨酯作為3D打印的印刷材料。然后他制作了一種網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，類似于彈性但堅韌的柔韌面料。他設(shè)計的波形越高，網(wǎng)格在低應變下拉伸越多，然后變得越硬。這種設(shè)計原理可以幫助定制網(wǎng)格的靈活性，并幫助它模仿軟組織。研究人員印制了一條長條狀網(wǎng)，測試了它對幾名健康志愿者腳踝的支持。對于每個志愿者，團隊在腳踝外側(cè)貼上一條帶，如果它向內(nèi)轉(zhuǎn)，他們預測會支撐腳踝。然后他們將每個志愿者的腳踝放入一個由Hogan實驗室開發(fā)的腳踝僵硬測量機器人anklebot。 Anklebot在在12個不同的方向移動他們的腳踝，然后測量每個運動期間腳踝施加的力，并比較試驗，看看網(wǎng)狀物如何影響不同方向的腳踝的剛度。他們發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)通常會在反轉(zhuǎn)過程中增加踝關(guān)節(jié)的剛度，并使其在向其他方向移動時相對不受影響。 

“這項技術(shù)的優(yōu)勢在于其簡單性和多功能性。網(wǎng)格可以在基本的桌面3D打印機上構(gòu)建，并且可以定制以精確匹配軟組織，”Hart說。該團隊的腳踝支架由一定的彈性材料制成。但是對于其他應用，例如可植入網(wǎng)，可能需要更硬和更合適的材料。為此，該團隊開發(fā)了一種方法，通過在彈性網(wǎng)格區(qū)域添加不銹鋼纖維，然后在鋼材上添加第三彈性層，將更硬的纖維和線材添加到柔性網(wǎng)格中以增加材料的硬度。 。將較硬的電線夾入網(wǎng)中。剛性和彈性材料的組合允許網(wǎng)狀物容易地拉伸到一定程度，之后它開始硬化，提供更強的支撐以防止肌肉過度訓練等。該團隊還開發(fā)了另外兩種技術(shù)，使網(wǎng)狀材料幾乎像織物質(zhì)量一樣，即使在鍛煉時也很容易貼合。 “紡織品如此靈活的原因之一是纖維可以很容易地相互移動，”帕丁森說。 

“我們希望3D打印部件能夠模仿這些功能。”在傳統(tǒng)的3D打印中，材料通過加熱噴嘴逐層打印。當加熱的聚合物被擠出時，它與其下層結(jié)合。帕丁森發(fā)現(xiàn)，一旦他打印出第一層，如果他將打印噴嘴稍微抬起，從噴嘴噴出的材料將需要更長的時間才能落在下面的層上，使材料隨著時間的推移而冷卻，導致其粘度降低。以這種方式打印網(wǎng)格圖案Pattinson能夠創(chuàng)建一個多層結(jié)構(gòu)，可以相對于彼此自由移動而不是完全粘合的產(chǎn)品。他展示了用3D打印的多層網(wǎng)格覆蓋高爾夫球的實驗。最后，該團隊設(shè)計了一個拉伸結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格，當你拉動時它會變寬。例如，它們可以在兩者之間打印一個特殊的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，當拉伸時會變寬，而不是像普通網(wǎng)格一樣收縮。此功能可用于支持高度彎曲的身體表面。為此，研究人員在潛在的膝關(guān)節(jié)支撐設(shè)計中添加了輔助網(wǎng)狀物，并發(fā)現(xiàn)它適合關(guān)節(jié)井。 “有可能制造出與人體接觸的各種設(shè)備，”帕丁森說。手術(shù)網(wǎng)，矯形器，甚至心血管設(shè)備，你可以想象每個人都可以從我們展示的各種結(jié)構(gòu)中受益。這項研究部分得到了美國國家科學基金會，MIT-Skoltech下一代計劃以及麻省理工學院的Eric P.和Evelyn E. Newman基金的支持。