MIT ingegnerizza le reti 3D regolabili per caviglie e ginocchia

Le tecnologie di stampa 3D stanno portando a notevoli innovazioni nel settore medicale , in gran parte grazie alla loro capacità di produrre modelli, impianti e dispositivi specifici per il paziente. Un recente sviluppo della ricerca del MIT potrebbe spingere ulteriormente la busta per AM nel settore sanitario, portando a nuovi prodotti medici su misura, come tutori per caviglia o ginocchio.

Gli ingegneri del MIT hanno sviluppato materiali reticolari stampati in 3D le cui proprietà possono essere regolate per imitare o supportare la durezza e la flessibilità dei tessuti molli nel corpo umano, come muscoli e tendini. I materiali stampati in 3D possono essere personalizzati adattando le loro strutture complesse e potrebbero avere applicazioni nella produzione di caviglie o ginocchiere personalizzati e persino di dispositivi impiantabili come le maglie di ernia.

Il team ha dimostrato i materiali in mesh stampati in 3D creando una caviglia realizzata con il materiale sintonizzabile. Il tutore è stato progettato per evitare che la caviglia di chi la indossa si gira verso l’interno, consentendo allo stesso tempo che il giunto si muova in altre direzioni. I ricercatori del MIT hanno anche stampato in 3D una ginocchiera progettata per adattarsi al ginocchio, anche quando si piega, e un guanto con una rete stampata in 3D cucita sulla parte superiore per adattarsi alle nocche dell’operatore e fornisce resistenza contro il serramento involontario che può verificarsi ai pazienti dopo un infarto.

“Questo lavoro è nuovo in quanto si concentra sulle proprietà meccaniche e sulle geometrie necessarie per supportare i tessuti molli”, ha spiegato Sebastian Pattinson, ricercatore post-dottorato presso il MIT e autore principale dello studio . “I vestiti e i dispositivi stampati in 3D tendono ad essere molto voluminosi. Stavamo cercando di pensare a come rendere i costrutti stampati in 3D più flessibili e confortevoli, come tessuti e tessuti “.

Ispirato al collagene
Oltre a trovare ispirazione nei tessuti, il team di ricerca ha estratto anche materiali naturali e specificamente il collagene, la proteina strutturale presente nei tessuti molli del corpo come legamenti, tendini e muscoli. Quando osservato al microscopio, il collagene sembra composto da filamenti intrecciati e sinuosi che, una volta allungati, si raddrizzano.

I ricercatori hanno cercato di emulare la struttura molecolare del collagene progettando modelli ondulati che potrebbero essere stampati in 3D usando un materiale in poliuretano termoplastico (TPU). Una configurazione mesh potrebbe quindi essere progettata per assomigliare a un tessuto teso ma resistente.

Le proprietà sintonizzabili del materiale si ottengono modificando la struttura dell’onda: più alte sono le onde, più la rete può allungarsi a bassa tensione prima di diventare rigida.

Test della caviglia
Nel testare la mesh stampata in 3D, il team del MIT ha stampato una lunga striscia di materiale per vedere come avrebbe supportato le caviglie di un certo numero di volontari sani. Ogni persona aveva una striscia di maglia aderente lungo la lunghezza della parte esterna della caviglia in un orientamento favorevole a sostenere la caviglia se rivolta verso l’interno.

Le caviglie dei volontari sono state quindi inserite in un robot per la misurazione della rigidità della caviglia, chiamato appropriatamente Anklebot, sviluppato nel laboratorio di Neville Hogan, professore ordinario di Sun Jae in ingegneria meccanica. Successivamente il robot ha spostato ogni caviglia in 12 direzioni e ha misurato la forza con cui la caviglia veniva usata con sempre movimento con e senza la maglia.

Questi test hanno messo in luce come la maglia stampata in 3D abbia influito sulla rigidità della caviglia in varie direzioni. In definitiva, i ricercatori hanno scoperto che la mesh aumentava la rigidità della caviglia durante l’inversione, mentre non lasciava inalterato il movimento in altre direzioni.

“La bellezza di questa tecnica sta nella sua semplicità e versatilità”, ha affermato il professore associato di ingegneria meccanica A. John Hart. “La mesh può essere realizzata con una stampante 3D desktop di base e le meccaniche possono essere adattate esattamente a quelle dei tessuti molli”.

Fili di metallo
Anche se le mesh stampate in 3D utilizzate per le parentesi di supporto sono state realizzate utilizzando materiale flessibile, è anche possibile lavorare con materiali più rigidi per creare mesh di ernia impiantabile e altri dispositivi.

In questa fase, il team ha escogitato un modo per incorporare fibre più forti e più rigide in una struttura reticolare flessibile stampando le fibre di acciaio inossidabile su determinate sezioni di una rete elastica, e quindi stampando un terzo strato elastico sopra l’acciaio a sandwich i fili metallici rigidi nella rete.

Secondo i ricercatori, questo approccio consente la creazione di mesh che possono ancora estendersi fino a un certo punto, ma forniscono ulteriore forza e supporto quando si irrigidisce. Le maglie combinate potrebbero essere particolarmente utili per prodotti che impediscono ai muscoli di sovrallenamento.

Maglie simili al tessuto
I ricercatori hanno anche messo a punto una tecnica che ha conferito alle maglie una qualità simile al tessuto. Come ha spiegato Pattinson: “Uno dei motivi per cui i tessuti sono così flessibili è che le fibre sono in grado di muoversi facilmente l’una rispetto all’altra. Volevamo anche imitare quella capacità nelle parti stampate in 3D. “

Questo risultato è stato ottenuto regolando leggermente il processo di stampa 3D tradizionale. Cioè, Pattinson si rese conto che se l’ugello di stampa veniva sollevato leggermente dopo aver stampato il primo strato di una struttura, il materiale estruso poteva impiegare più tempo a depositarsi sullo strato sottostante, dando al materiale più tempo per raffreddarsi e perdere un po ‘di appiccicosità. Usando questa tecnica, il team è stato in grado di stampare mesh che non erano completamente incollate e potevano spostarsi l’una rispetto all’altra.

Infine, i ricercatori del MIT hanno creato delle maglie che incorporano strutture ausiliarie, che diventano più ampie man mano che le si tira su, invece di contrarsi. Questa capacità potrebbe avere applicazioni nel supporto di superfici altamente curvate del corpo, come il ginocchio.

“Esiste la possibilità di creare tutti i tipi di dispositivi che si interfacciano con il corpo umano”, ha concluso Pattinson. Maglie chirurgiche, ortesi, persino dispositivi cardiovascolari come stent: puoi immaginare che tutti possano beneficiare dei tipi di strutture che mostriamo “.

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