Prothèses auditives, couronnes dentaires, et les prothèses de membre sont quelques-uns des dispositifs médicaux qui peuvent désormais être conçus et personnalisés numériquement pour des patients individuels, grâce à l'impression 3D. Cependant, ces dispositifs sont généralement conçus pour remplacer ou soutenir les os et autres parties rigides du corps, et sont souvent imprimés à partir de solides, matériau relativement rigide.

Maintenant, les ingénieurs du MIT ont conçu pliable, Des matériaux maillés imprimés en 3D dont ils peuvent ajuster la flexibilité et la ténacité pour imiter et soutenir les tissus plus mous tels que les muscles et les tendons. Ils peuvent adapter les structures complexes dans chaque maille, et ils envisagent que le matériau semblable à un tissu résistant mais extensible soit utilisé comme personnalisé, supports portables, y compris les attelles de cheville ou de genou, et même des dispositifs implantables, tels que les mailles herniaires, qui correspond mieux au corps d'une personne.

A titre de démonstration, l'équipe a imprimé un maillage flexible à utiliser dans une attelle de cheville. Ils ont adapté la structure du maillage pour empêcher la cheville de se tourner vers l'intérieur - une cause fréquente de blessure - tout en permettant à l'articulation de se déplacer librement dans d'autres directions. Les chercheurs ont également fabriqué une genouillère qui pourrait se conformer au genou même lorsqu'il se plie. Et, ils ont produit un gant avec un maillage imprimé en 3D cousu dans sa surface supérieure, qui se conforme aux jointures d'un porteur, offrant une résistance contre le serrement involontaire qui peut survenir à la suite d'un accident vasculaire cérébral.

« Ce travail est nouveau dans la mesure où il se concentre sur les propriétés mécaniques et les géométries nécessaires au soutien des tissus mous, " dit Sebastian Pattinson, qui a mené la recherche en tant que post-doctorant au MIT.

Pattinson, maintenant membre du corps professoral de l'Université de Cambridge, est l'auteur principal d'une étude publiée aujourd'hui dans la revue Matériaux fonctionnels avancés . Ses co-auteurs du MIT incluent Meghan Huber, Sanha Kim, Jongwoo Lee, Sarah Grunsfeld, Ricardo Roberts, Grégory Dreifus, Christoph Meier, et Lei Liu, ainsi que le professeur Sun Jae en génie mécanique Neville Hogan et le professeur agrégé de génie mécanique A. John Hart.

Surfer sur la vague de collagène

Les mailles flexibles de l'équipe ont été inspirées par le pliable, caractère conformable des tissus.

« Les vêtements et appareils imprimés en 3D ont tendance à être très volumineux, " dit Pattinson. " Nous essayions de réfléchir à la façon de rendre les constructions imprimées en 3D plus flexibles et confortables, comme les textiles et les tissus."

Pattinson a trouvé une nouvelle inspiration dans le collagène, la protéine structurelle qui constitue une grande partie des tissus mous du corps et se trouve dans les ligaments, tendons, et musculaires. Sous un microscope, le collagène peut ressembler à des courbes, brins entrelacés, semblable à des rubans élastiques légèrement tressés. Lorsqu'il est étiré, ce collagène le fait initialement si facilement, au fur et à mesure que les plis de sa structure se redressent. Mais une fois tendu, les brins sont plus difficiles à étendre.

Inspiré par la structure moléculaire du collagène, Pattinson a conçu des motifs ondulés, qu'il a imprimé en 3D en utilisant du polyuréthane thermoplastique comme matériau d'impression. Il a ensuite fabriqué une configuration de maille pour ressembler à extensible mais résistant, tissu souple. Plus il a conçu les vagues, plus le maillage pouvait être étiré à faible contrainte avant de devenir plus rigide - un principe de conception qui peut aider à adapter le degré de flexibilité d'un maillage et à l'aider à imiter les tissus mous.

Les chercheurs ont imprimé une longue bande de maille et testé son maintien sur les chevilles de plusieurs volontaires sains. Pour chaque volontaire, l'équipe a collé une bande sur toute la longueur de l'extérieur de la cheville, dans une orientation qui, selon eux, soutiendrait la cheville si elle se tournait vers l'intérieur. Ils ont ensuite placé la cheville de chaque volontaire dans un robot de mesure de la rigidité de la cheville, nommé, logiquement, Chevillebot—qui a été développé dans le laboratoire de Hogan. Le Anklebot a déplacé sa cheville dans 12 directions différentes, puis mesuré la force exercée par la cheville à chaque mouvement, avec la maille et sans elle, pour comprendre comment le maillage affectait la rigidité de la cheville dans différentes directions.

En général, ils ont trouvé que le maillage augmentait la rigidité de la cheville pendant l'inversion, tout en le laissant relativement peu affecté lorsqu'il se déplaçait dans d'autres directions.

« La beauté de cette technique réside dans sa simplicité et sa polyvalence. Le maillage peut être réalisé sur une imprimante 3D de bureau basique, et la mécanique peut être adaptée pour correspondre précisément à celle des tissus mous, " dit Hart.

plus rigide, rideaux plus frais

L'attelle de cheville de l'équipe a été fabriquée dans un matériau relativement extensible. Mais pour d'autres applications, tels que les treillis herniaires implantables, il pourrait être utile d'inclure un matériau plus rigide, c'est en même temps tout aussi conforme. À cette fin, l'équipe a développé un moyen d'incorporer des fibres et des fils plus solides et plus rigides dans un maillage souple, en imprimant des fibres d'acier inoxydable sur des régions d'un maillage élastique où des propriétés plus rigides seraient nécessaires, puis impression d'une troisième couche élastique sur l'acier pour prendre en sandwich le fil plus rigide dans le maillage.

La combinaison de matériaux rigides et élastiques peut donner à un maillage la capacité de s'étirer facilement jusqu'à un certain point, après quoi il commence à se raidir, fournir un soutien plus fort pour prévenir, par exemple, un muscle de surmenage.

L'équipe a également développé deux autres techniques pour donner à la maille imprimée une qualité quasi textile, lui permettant de se conformer facilement au corps, même en mouvement.

"L'une des raisons pour lesquelles les textiles sont si flexibles est que les fibres peuvent se déplacer facilement les unes par rapport aux autres, " dit Pattinson. " Nous voulions également imiter cette capacité dans les pièces imprimées en 3D. "

En impression 3D traditionnelle, un matériau est imprimé à travers une buse chauffée, couche par couche. Lorsque le polymère chauffé est extrudé, il se lie à la couche en dessous. Pattinson a découvert que, once he printed a first layer, if he raised the print nozzle slightly, the material coming out of the nozzle would take a bit longer to land on the layer below, giving the material time to cool. Par conséquent, it would be less sticky. By printing a mesh pattern in this way, Pattinson was able to create a layers that, rather than being fully bonded, were free to move relative to each other, and he demonstrated this in a multilayer mesh that draped over and conformed to the shape of a golf ball.

Finalement, the team designed meshes that incorporated auxetic structures—patterns that become wider when you pull on them. Par exemple, they were able to print meshes, the middle of which consisted of structures that, when stretched, became wider rather than contracting as a normal mesh would. This property is useful for supporting highly curved surfaces of the body. À cette fin, the researchers fashioned an auxetic mesh into a potential knee brace design and found that it conformed to the joint.

"There's potential to make all sorts of devices that interface with the human body, " Pattinson says. Surgical meshes, orthoses, even cardiovascular devices like stents—you can imagine all potentially benefiting from the kinds of structures we show."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.