Aparelhos auditivos, coroas dentárias, e próteses de membros são alguns dos dispositivos médicos que agora podem ser projetados digitalmente e personalizados para pacientes individuais, graças à impressão 3D. Contudo, esses dispositivos são normalmente projetados para substituir ou apoiar ossos e outras partes rígidas do corpo, e muitas vezes são impressos de um sólido, material relativamente inflexível.

Agora, os engenheiros do MIT projetaram flexíveis, Materiais de malha impressos em 3-D cuja flexibilidade e resistência eles podem ajustar para emular e apoiar tecidos mais suaves, como músculos e tendões. Eles podem adaptar as estruturas intrincadas em cada malha, e eles imaginam o material semelhante a um tecido resistente, porém elástico, sendo usado como personalizado, suportes vestíveis, incluindo tornozeleiras ou joelheiras, e até dispositivos implantáveis, como telas de hérnia, que combinam melhor com o corpo de uma pessoa.

Como demonstração, a equipe imprimiu uma malha flexível para uso em uma cinta de tornozelo. Eles adaptaram a estrutura da tela para evitar que o tornozelo vire para dentro - uma causa comum de lesão - enquanto permitem que a articulação se mova livremente em outras direções. Os pesquisadores também fabricaram um projeto de joelheira que pode se ajustar ao joelho mesmo quando ele dobra. E, eles produziram uma luva com uma malha impressa em 3D costurada em sua superfície superior, que está de acordo com os nós dos dedos do usuário, fornecer resistência contra o aperto involuntário que pode ocorrer após um golpe.

“Este trabalho é novo na medida em que foca nas propriedades mecânicas e geometrias necessárias para suportar os tecidos moles, "diz Sebastian Pattinson, que conduziu a pesquisa como pós-doutorado no MIT.

Pattinson, agora no corpo docente da Universidade de Cambridge, é o autor principal de um estudo publicado hoje na revista Materiais Funcionais Avançados . Seus co-autores do MIT incluem Meghan Huber, Sanha Kim, Jongwoo Lee, Sarah Grunsfeld, Ricardo Roberts, Gregory Dreifus, Christoph Meier, e Lei Liu, bem como Sun Jae Professor em Engenharia Mecânica Neville Hogan e professor associado de engenharia mecânica A. John Hart.

Riding colagen's wave

As malhas flexíveis da equipe foram inspiradas nas malhas flexíveis, natureza adaptável dos tecidos.

"Roupas e dispositivos impressos em 3D tendem a ser muito volumosos, "Pattinson diz." Estávamos tentando pensar em como podemos fazer construções impressas em 3D mais flexíveis e confortáveis, como têxteis e tecidos. "

Pattinson encontrou mais inspiração no colágeno, a proteína estrutural que constitui grande parte dos tecidos moles do corpo e é encontrada nos ligamentos, tendões, e músculos. Sob um microscópio, o colágeno pode ser semelhante a curvas, fios entrelaçados, semelhante a fitas elásticas frouxamente trançadas. Quando esticado, este colágeno inicialmente faz tão facilmente, conforme as dobras em sua estrutura se endireitam. Mas uma vez tenso, os fios são mais difíceis de estender.

Inspirado pela estrutura molecular do colágeno, Pattinson projetou padrões ondulados, que ele imprimiu em 3D usando poliuretano termoplástico como material de impressão. Ele então fabricou uma configuração de malha para parecer elástica, mas resistente, tecido flexível. Quanto mais altas ele desenhou as ondas, mais a malha poderia ser esticada com baixa tensão antes de se tornar mais rígida - um princípio de design que pode ajudar a ajustar o grau de flexibilidade de uma malha e a imitar o tecido mole.

Os pesquisadores imprimiram uma longa tira da tela e testaram seu suporte nos tornozelos de vários voluntários saudáveis. Para cada voluntário, a equipe colou uma tira ao longo do comprimento da parte externa do tornozelo, em uma orientação que eles previram que daria suporte ao tornozelo se ele fosse voltado para dentro. Eles então colocaram o tornozelo de cada voluntário em um robô de medição de rigidez de tornozelo - denominado logicamente, Anklebot - que foi desenvolvido no laboratório de Hogan. O Anklebot moveu o tornozelo em 12 direções diferentes, e então mediu a força que o tornozelo exerceu com cada movimento, com a malha e sem ela, entender como a malha afetou a rigidez do tornozelo em diferentes direções.

Em geral, eles descobriram que a malha aumentou a rigidez do tornozelo durante a inversão, enquanto o deixava relativamente inalterado enquanto se movia em outras direções.

"A beleza dessa técnica está em sua simplicidade e versatilidade. A malha pode ser feita em uma impressora 3-D básica de mesa, e a mecânica pode ser adaptada para corresponder precisamente às dos tecidos moles, "Hart diz.

Mais rígido, cortinas mais frias

A cinta de tornozelo da equipe foi feita com material relativamente elástico. Mas para outras aplicações, como telas de hérnia implantáveis, pode ser útil incluir um material mais rígido, isso é, ao mesmo tempo, igualmente adaptável. Para este fim, a equipe desenvolveu uma maneira de incorporar fibras e fios mais fortes e rígidos em uma malha flexível, imprimindo fibras de aço inoxidável sobre regiões de uma malha elástica onde propriedades mais rígidas seriam necessárias, then printing a third elastic layer over the steel to sandwich the stiffer thread into the mesh.

The combination of stiff and elastic materials can give a mesh the ability to stretch easily up to a point, after which it starts to stiffen, providing stronger support to prevent, por exemplo, a muscle from overstraining.

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, layer by layer. 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. Como resultado, 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. Por exemplo, 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. To that end, 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."

Esta história foi republicada por cortesia do MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), um site popular que cobre notícias sobre pesquisas do MIT, inovação e ensino.