工程师3D打印脚踝和膝关节支撑柔性网

由于3D打印，助听器、牙冠和假肢等一些医疗设备现在可以数字化设计，并为个别患者定制。然而，这些设备通常被设计用于替换或支撑骨骼和身体的其他刚性部分，并且通常由固体、相对不可弯曲的材料打印而成。

现在，麻省理工学院的工程师们设计出了柔性3D打印网格材料，这种材料具有柔韧性和韧性，可以模拟和支撑肌肉和肌腱等软组织。他们可以定制每个网格中的复杂结构。他们想象坚韧而富有弹性的织物状材料被用作个性化的可穿戴支撑，包括脚踝或膝盖支撑，甚至是可植入设备，如疝网，以更好地匹配人们的身体。

作为演示，该团队打印了一个用于脚踝支架的柔性网格。他们调整了网格的结构，以防止脚踝向内转动——这是受伤的常见原因——同时允许关节在其他方向自由移动。研究人员还做了一个膝盖支架设计，即使膝盖弯曲也能保持一致。此外，他们还生产了一种手套，其顶面缝有三维打印网格，符合佩戴者的指关节，可以抵抗中风后可能出现的无意咬伤。

“这项工作是新的，因为它专注于支持软组织所需的机械属性和几何结构，”麻省理工学院的博士后研究员塞巴斯蒂安帕丁森说。

帕丁森现在是剑桥大学的一名教师，也是发表在《高级功能材料杂志》上的一项研究的主要作者。他在麻省理工的合著者包括Meghan Huber、Sanha Kim、Jongwoo Lee、Sarah Grunsfeld、Ricardo Roberts、Gregory Dreifus、Christoph Meier和刘磊，以及Sun Jae的机械工程教授Neville Hogan和机械工程副教授A. John Hart。

骑胶原蛋白波该团队的弹性网布灵感来自弹性舒适的面料。“3D打印的衣服和设备通常非常笨重，”帕丁森说。我们正在试图找出如何让3D打印结构更加灵活和舒适，如纺织品和织物。"

帕丁森在胶原蛋白中找到了进一步的灵感，胶原蛋白是一种结构蛋白，构成了身体的大部分软组织，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股线，类似于松散编织的松紧带。当拉伸时，这种胶原蛋白起初很容易，因为其结构中的扭结会变直。但是一旦拉紧，绞线就很难伸长。

受胶原蛋白分子结构的启发，帕丁森设计了波浪形图案，并使用热塑性聚氨酯作为3D打印的打印材料。然后，他制作了一种网状结构，类似于弹性但坚韧、柔韧的织物。他设计的波浪越高，网格就越能在低应变下拉伸，然后变得更硬——这种设计原理可以帮助定制网格的灵活性，并帮助它模仿软组织。

研究人员打印了一个长网，并测试了它对几名健康志愿者脚踝的支撑力。对于每个志愿者，研究小组沿着脚踝外侧粘贴一条带子。如果它向内翻，他们预测它会支撑脚踝。然后，他们将每个志愿者的脚踝放入霍根实验室开发的脚踝硬度测量机器人中——逻辑上命名为Anklebot。Anklebot在12个不同的方向上移动他们的脚踝，然后在使用网格和不使用网格的情况下，测量每个移动过程中脚踝施加的力，以了解网格如何影响脚踝在不同方向上的刚度。

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