Эластичная защита
Слуховые аппараты, зубные коронки и протезы конечностей – вот некоторые из медицинских устройств, которые теперь можно спроектировать в цифровом виде с учетом индивидуальных особенностей пациента и создать с помощью трехмерной печати. Такие устройства, как правило, предназначены для замены или поддержки костей и других твердых структур тела, поэтому печатаются из жесткого малоэластичного материала.
Группа инженеров Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology) разработала гибкий сетчатый материал, эластичность и прочность которого можно настроить для имитации и поддержки более мягких тканей, таких как мышцы и сухожилия. В медицине областью его применения является создание персонализированных вспомогательных устройств, в том числе фиксаторов коленного и голеностопного суставов, а также имплантируемых конструкций, таких как хирургические сетки для профилактики грыжи.
В качестве демонстрации техники авторы напечатали гибкую сетку для фиксатора голеностопа. Они настроили печать таким образом, чтобы структура сетки предотвращала поворот стопы внутрь – частую причину травм – и при этом позволяла суставу свободно двигаться в других направлениях. Исследователи также изготовили наколенник, который прилегает к колену, даже когда оно сгибается. Еще один пример – перчатка, в верхнюю часть которой вшили напечатанную сетку, чтобы она прилегала к костяшкам (пястно-фаланговым суставам) кулака спортсмена, обеспечивая устойчивость к чрезмерному сгибанию, которое может произойти при ударе.
Новаторство изобретения в том, что оно фокусируется на механических свойствах и геометрии, необходимых для поддержки мягких тканей.
Лови коллагеновую волну
Инженеры при создании эластичной прочной сетки были вдохновлены гибкой, податливой природой тканей, особенно коллагена – структурного белка, из которого состоит большая часть мягких тканей организма, связки, сухожилия и мышцы. Под микроскопом волокна коллагена выглядят как извилистые переплетенные нити, похожие на эластичные ленты со слабой оплеткой. При растяжении сначала изгибы в структуре коллагена выпрямляются, а потом растянуть волокна достаточно сложно.
Вдохновленные молекулярной структурой коллагена, Себастиан Паттинсон и коллеги спроектировали структуру с извилистым рисунком, которую потом напечатали на 3D-принтере, используя в качестве чернил термопластичный полиуретан. Чем больше было волн и изгибов, тем сильнее сетка могла растягиваться при низкой деформации, прежде чем становиться более жесткой – принцип конструкции, который помогает менять степень гибкости сетки и имитировать мягкие ткани.
Исследователи напечатали длинную полосу сетки и проверили ее способность фиксировать голеностопный сустав у нескольких здоровых добровольцев. Для каждого испытуемого длинную сетку напечатали в ориентации, которая, по прогнозам, удерживала бы сустав от поворота внутрь. Затем нога добровольца помещалась в устройство Anklebot, специально разработанное для измерения подвижности сустава. Доброволец производил движение стопы в 12 разных направлениях, а затем измерялась сила каждого движения. Эксперимент проводился с фиксирующей сеткой и без нее.
В целом, сетка увеличивает жесткость сустава во время поворота внутрь, оставляя его относительно свободным при перемещении в других направлениях.
Прочные и удобные
Фиксатор был сделан из сравнительно эластичного материала. Для других целей, например, создания имплантируемой грыжевой сетки, нужно использовать более жесткий материал, который так же удобен. Группа разработала способ вплетения более прочных и жестких нитей в гибкую сетку, печатая волокна из нержавеющей стали поверх эластичной сетки там, где потребуются более жесткие свойства. Третий эластичный слой поверх стальной нити завершал сэндвич-структуру импланта.
Комбинация жестких и упругих материалов дает сетке возможность легко растягиваться до точки, после которой она прочно сохраняет структуру, не допуская, например, перенапряжения мышц.
Исследователи пошли дальше и разработали еще две методики придания сетке качеств, позволяющих легко подстраиваться под особенности тела даже во время движения.
При традиционной трехмерной печати материал создается подачей «чернил» через нагретую насадку слой за слоем. Разогретый полимер связывается со слоем, лежащим под ним. Инженеры обнаружили, что если слегка приподнять печатающую насадку, материал будет выходить из нее чуть дольше, успевая охладиться прежде, чем он ляжет на предыдущий слой. Такие волокна неплотно скрепляются и могут свободно перемещаться относительно друг друга.
Наконец, группа разработала сетки, которые становились шире при надевании. Это свойство полезно для поддержки изогнутых поверхностей тела, например, созданный таким образом коленный бандаж плотно облегал область сустава.
Спортивная медицина – это далеко не весь потенциал сеток. Хирургические сетки, ортезы, даже сердечно-сосудистые устройства (стенты) – все они могут быть созданы с использованием новой техники трехмерной печати.
Статья S. W. Pattinson et al. Additive Manufacturing of Biomechanically Tailored Meshes for Compliant Wearable and Implantable Devices опубликована в журнале Advanced Functional Materials.
Аминат Аджиева, портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru по материалам MIT News: Engineers 3-D print flexible mesh for ankle and knee braces.