Apparecchi acustici, corone dentali, e le protesi degli arti sono alcuni dei dispositivi medici che ora possono essere progettati e personalizzati digitalmente per i singoli pazienti, grazie alla stampa 3D. Però, questi dispositivi sono generalmente progettati per sostituire o supportare ossa e altre parti rigide del corpo, e sono spesso stampati da solido, materiale relativamente inflessibile.

Ora gli ingegneri del MIT hanno progettato flessibile, Materiali a rete stampati in 3D la cui flessibilità e robustezza possono essere sintonizzati per emulare e supportare i tessuti più morbidi come muscoli e tendini. Possono personalizzare le strutture complesse in ogni maglia, e immaginano il materiale resistente ma elastico simile al tessuto utilizzato come personalizzato, supporti indossabili, comprese bretelle per caviglia o ginocchio, e persino dispositivi impiantabili, come reti di ernia, che meglio si adattano al corpo di una persona.

A dimostrazione, il team ha stampato una rete flessibile da utilizzare in una cavigliera. Hanno adattato la struttura della rete per impedire alla caviglia di ruotare verso l'interno, una causa comune di lesioni, consentendo al contempo all'articolazione di muoversi liberamente in altre direzioni. I ricercatori hanno anche fabbricato un design di ginocchiera che potrebbe conformarsi al ginocchio anche quando si piega. E, hanno prodotto un guanto con una rete stampata in 3D cucita nella sua superficie superiore, che si conforma alle nocche di chi lo indossa, fornendo resistenza contro il serraggio involontario che può verificarsi a seguito di un ictus.

"Questo lavoro è nuovo in quanto si concentra sulle proprietà meccaniche e sulle geometrie necessarie per supportare i tessuti molli, "dice Sebastian Pattinson, che ha condotto la ricerca come postdoc al MIT.

Pattinson, ora alla facoltà dell'Università di Cambridge, è l'autore principale di uno studio pubblicato oggi sulla rivista Materiali funzionali avanzati . I suoi coautori del MIT includono Meghan Huber, Sanha Kim, Jongwoo Lee, Sarah Grunsfeld, Riccardo Roberts, Gregory Dreifus, Christoph Meier, e Lei Liu, così come il professore di ingegneria meccanica Sun Jae Neville Hogan e il professore associato di ingegneria meccanica A. John Hart.

Cavalcando l'onda del collagene

Le maglie flessibili del team sono state ispirate dal flessibile, natura conformabile dei tessuti.

"Gli indumenti e i dispositivi stampati in 3D tendono ad essere molto ingombranti, " Dice Pattinson. "Stavamo cercando di pensare a come possiamo rendere i costrutti stampati in 3D più flessibili e confortevoli, come tessuti e stoffe".

Pattinson ha trovato ulteriore ispirazione nel collagene, la proteina strutturale che costituisce gran parte dei tessuti molli del corpo e si trova nei legamenti, tendini, e muscoli. Al microscopio, il collagene può assomigliare alle curve, fili intrecciati, simili a nastri elastici intrecciati in modo lasco. Quando allungato, questo collagene inizialmente lo fa così facilmente, mentre i nodi nella sua struttura si raddrizzano. Ma una volta teso, i fili sono più difficili da allungare.

Ispirato dalla struttura molecolare del collagene, Pattinson ha disegnato motivi ondulati, che ha stampato in 3D utilizzando il poliuretano termoplastico come materiale di stampa. Ha quindi fabbricato una configurazione a rete per assomigliare a quella elastica ma resistente, tessuto flessibile. Più alto ha disegnato le onde, più la rete può essere allungata a bassa tensione prima di diventare più rigida, un principio di progettazione che può aiutare a personalizzare il grado di flessibilità di una rete e aiutarla a imitare i tessuti molli.

I ricercatori hanno stampato una lunga striscia di rete e ne hanno testato il supporto sulle caviglie di diversi volontari sani. Per ogni volontario, la squadra ha aderito una striscia lungo la lunghezza dell'esterno della caviglia, in un orientamento che prevedevano avrebbe sostenuto la caviglia se fosse girata verso l'interno. Hanno poi messo la caviglia di ogni volontario in un robot per la misurazione della rigidità della caviglia, chiamato, logicamente, Cavigliera, sviluppata nel laboratorio di Hogan. The Anklebot ha mosso la caviglia in 12 direzioni diverse, e poi misurò la forza che la caviglia esercitava ad ogni movimento, con la maglia e senza di essa, per capire come la rete abbia influito sulla rigidità della caviglia in diverse direzioni.

Generalmente, hanno scoperto che la rete aumentava la rigidità della caviglia durante l'inversione, lasciandolo relativamente inalterato mentre si muoveva in altre direzioni.

"La bellezza di questa tecnica risiede nella sua semplicità e versatilità. La mesh può essere realizzata su una stampante 3D desktop di base, e la meccanica può essere adattata per corrispondere con precisione a quella dei tessuti molli, "Dice Hart.

più rigido, tende più fresche

La cavigliera della squadra è stata realizzata utilizzando materiale relativamente elastico. Ma per altre applicazioni, come reti di ernia impiantabili, potrebbe essere utile includere un materiale più rigido, che è allo stesso tempo altrettanto conformabile. A tal fine, il team ha sviluppato un modo per incorporare fibre e fili più forti e più rigidi in una rete flessibile, stampando fibre di acciaio inossidabile su regioni di una rete elastica dove sarebbero necessarie proprietà più rigide, quindi stampare un terzo strato elastico sull'acciaio per inserire il filo più rigido nella rete.

La combinazione di materiali rigidi ed elastici può dare a una rete la capacità di allungarsi facilmente fino a un certo punto, dopo di che inizia a irrigidirsi, fornendo un sostegno più forte per prevenire, ad esempio, un muscolo da sovraccarico.

The team also developed two other techniques to give the printed mesh an almost fabric-like quality, enabling it to conform easily to the body, even while in motion.

"One of the reasons textiles are so flexible is that the fibers are able to move relative to each other easily, " Pattinson says. "We also wanted to mimic that capability in the 3-D-printed parts."

In traditional 3-D printing, a material is printed through a heated nozzle, strato per strato. When heated polymer is extruded it bonds with the layer underneath it. Pattinson found that, 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. Di conseguenza, 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.

Finalmente, the team designed meshes that incorporated auxetic structures—patterns that become wider when you pull on them. Ad esempio, 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. A quello scopo, 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."

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.