Ingenieros de malla flexible impresa en 3D para ortesis de tobillo y rodilla



Los audífonos, las coronas dentales y las prótesis de extremidades son parte de los dispositivos médicos que ahora se pueden diseñar y personalizar digitalmente para pacientes individuales, gracias a la impresión 3D. Sin embargo, estos dispositivos generalmente están diseñados para reemplazar o soportar huesos y otras partes rígidas del cuerpo, y a menudo se imprimen a partir de un material sólido relativamente inflexible.

Ahora, los ingenieros del MIT han diseñado materiales de malla plegables en 3D, cuya flexibilidad y resistencia se pueden ajustar para imitar y soportar tejidos más blandos como los músculos y los tendones. Pueden personalizar las intrincadas estructuras de cada malla e imaginar un material similar a un tejido que sea fuerte y extensible, que se use como soporte personalizado y portátil, incluidos los tobillos y rodilleras, e incluso dispositivos implantables, como malla para hernia, que se adapta mejor al cuerpo de la persona.

Como demostración, el equipo imprimió una malla flexible para usar en una férula de tobillo. Adaptaron la estructura de malla para evitar que el tobillo gire hacia adentro, una causa común de lesiones, al tiempo que permitieron que la articulación se moviera libremente en otras direcciones. Los investigadores también hicieron un modelo de rodillera que podría ajustarse a la rodilla mientras se dobla. También hicieron un guante con una malla impresa en 3D cosida a la superficie superior, que corresponde a los dedos del usuario, ofreciendo resistencia contra los pellizcos involuntarios que pueden ocurrir como resultado de un derrame cerebral.

"Este trabajo es nuevo porque se centra en las propiedades mecánicas y las geometrías requeridas para soportar los tejidos blandos", dice Sebastian Pattinson, quien dirigió la investigación como becario postdoctoral en el MIT.

Pattinson, actualmente profesor en la Universidad de Cambridge, es el autor principal de un estudio publicado hoy en el periódico. Materiales funcionales avanzados. Sus coautores en el MIT son: Meghan Huber, Sanha Kim, Jongwoo Lee, Sarah Grunsfeld, Ricardo Roberts, Gregory Dreifus, Christoph Meier y Lei Liu, así como el profesor Sun Jae en ingeniería mecánica, Neville Hogan y el profesor asociado en ingeniería mecánica. John Hart

La ola de colágeno

La malla flexible del equipo se inspiró en la naturaleza flexible y adaptable de los tejidos.

"La ropa y los dispositivos 3D tienden a ser muy voluminosos", dice Pattinson. "Intentábamos encontrar una manera de hacer que las construcciones impresas en 3D fueran más flexibles y más cómodas, como los textiles y las telas".

Pattinson ha encontrado una nueva inspiración en el colágeno, la proteína estructural que constituye la mayor parte de los tejidos blandos del cuerpo y se encuentra en ligamentos, tendones y músculos. Bajo el microscopio, el colágeno puede parecer hebras sinuosas y entrelazadas, similares a las cintas elásticas trenzadas sueltas. Cuando se estira, este colágeno actúa fácilmente inicialmente porque los pliegues de su estructura se enderezan. Pero una vez estirados, los hilos son más difíciles de extender.

Inspirado por la estructura molecular del colágeno, Pattinson diseñó patrones ondulados que imprimió en 3D usando poliuretano termoplástico como material de impresión. Luego hizo un patrón de malla que se asemeja a una tela extensible pero fuerte y flexible. Cuanto más crecen las olas, más se puede estirar la malla con poco estrés antes de volverse más rígida, un principio de diseño que permite adaptar la flexibilidad de una malla y le permite imitar el tejido blando.

Los investigadores imprimieron una larga tira de malla y probaron su apoyo en los tobillos de varios voluntarios sanos. Para cada voluntario, el equipo colocó una tira a lo largo de todo el exterior del tobillo, en una orientación que ella predijo que apoyaría el tobillo si se voltea hacia adentro. Luego colocaron el tobillo de cada voluntario en un robot que mide la rigidez del tobillo, llamado lógicamente Anklebot, desarrollado en el laboratorio de Hogan. El Anklebot movió su tobillo en 12 direcciones diferentes, luego midió la fuerza ejercida por el tobillo con cada movimiento, con la malla y sin él, para comprender cómo la malla afectaba la rigidez del tobillo en diferentes direcciones.

En general, descubrieron que la malla aumentaba la rigidez del tobillo durante la inversión, mientras lo dejaba relativamente afectado a medida que se movía en otras direcciones.

"La belleza de esta técnica radica en su simplicidad y versatilidad. La malla se puede crear en una impresora 3D de escritorio básica, y los mecanismos se pueden personalizar para que coincidan exactamente con los de los tejidos blandos ", dice Hart.

Cortinas más frías

El tobillo del equipo se hizo con un material relativamente elástico. Pero para otras aplicaciones, como la malla de hernia implantable, puede ser útil incluir un material más rígido e igualmente conforme. Con este fin, el equipo ha desarrollado una forma de incorporar fibras e hilos más fuertes y rígidos en una malla plegable, mediante la impresión de fibras de acero inoxidable en áreas de una malla elástica donde se necesitaría más rigidez, luego imprimir una tercera capa elástica sobre el acero. tomar el cable más rígido en la malla.

La combinación de materiales rígidos y elásticos puede dar a una malla la capacidad de estirarse fácilmente hasta cierto punto, después de lo cual comienza a endurecerse, proporcionando un mayor soporte para evitar, por ejemplo, que un músculo se sostenga Una sobrecarga.

El equipo también ha desarrollado otras dos técnicas para dar a la malla impresa una calidad cercana a la de un tejido, lo que le permite adaptarse fácilmente al cuerpo, incluso en movimiento.

"Una de las razones por las que los textiles son tan flexibles es que las fibras pueden moverse fácilmente entre sí", dice Pattinson. "También queríamos replicar esta capacidad en piezas impresas en 3D".

En la impresión 3D tradicional, un material se imprime a través de una boquilla calentada capa por capa. Cuando se extruye el polímero calentado, se une a la capa debajo. Pattinson descubrió que una vez que se imprimía la primera capa, si levantaba ligeramente la boquilla de impresión, el material que salía de la boquilla tardaría un poco más en aterrizar en la capa debajo, lo que le daría tiempo al material para refrescarse Como resultado, sería menos pegajoso. Al imprimir un patrón de malla de esta manera, Pattinson pudo crear capas que, en lugar de estar completamente unidas, eran libres de moverse entre sí. Lo ha demostrado en una malla multicapa que se casa y se casa con la forma de una pelota de golf.

Finalmente, el equipo ha diseñado mallas que integran estructuras auxéticas, que se expanden cuando las tira. Por ejemplo, pudieron imprimir mallas, cuya mitad consistía en estructuras que, cuando se estiraban, se ensanchaban más que contraerse como lo haría una malla normal. Esta propiedad es útil para soportar las superficies altamente curvadas del cuerpo. Con este fin, los investigadores hicieron una malla auxética en un diseño potencial de rodillera y descubrieron que se ajustaba a la articulación.

"Es posible hacer que todo tipo de dispositivos interactúen con el cuerpo humano", dice Pattinson. Mallas quirúrgicas, aparatos ortopédicos, incluso dispositivos cardiovasculares como stents: puede imaginar todos los beneficios potenciales de los tipos de estructuras que estamos mostrando. "

Esta investigación fue financiada en parte por la National Science Foundation, el Programa MIT-Skoltech Next Generation y el Fondo Eric P. y Evelyn E. Newman en el MIT.

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