Los audífonos, las coronas dentales y las prótesis de extremidades son algunos de los dispositivos médicos que ahora pueden diseñarse y personalizarse digitalmente para pacientes individuales, gracias a la impresión en 3D. Sin embargo, estos dispositivos generalmente están diseñados para reemplazar o soportar huesos y otrospartes rígidas del cuerpo, y a menudo están impresas de material sólido, relativamente inflexible.
Ahora los ingenieros del MIT han diseñado materiales de malla flexibles impresos en 3-D cuya flexibilidad y resistencia pueden sintonizar para emular y soportar tejidos más blandos como los músculos y los tendones. Pueden adaptar las estructuras intrincadas de cada malla e imaginan la resistenciaSin embargo, el material similar a una tela elástica se utiliza como soportes personalizados y portátiles, incluidos los tobillos o rodilleras, e incluso dispositivos implantables, como mallas de hernia, que se adaptan mejor al cuerpo de una persona.
Como demostración, el equipo imprimió una malla flexible para usar en una tobillera. Adaptaron la estructura de la malla para evitar que el tobillo gire hacia adentro, una causa común de lesiones, al tiempo que permite que la articulación se mueva libremente en otras direccionesLos investigadores también fabricaron un diseño de rodillera que podría ajustarse a la rodilla incluso cuando se dobla. Y produjeron un guante con una malla impresa en 3-D cosida en su superficie superior, que se ajusta a los nudillos del usuario, proporcionando resistencia contraapriete involuntario que puede ocurrir después 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 realizó la investigación como postdoc en el MIT.
Pattinson, ahora en la facultad de la Universidad de Cambridge, es el autor principal de un estudio publicado en la revista Materiales funcionales avanzados . Sus coautores del MIT incluyen a Meghan Huber, Sanha Kim, Jongwoo Lee, Sarah Grunsfeld, Ricardo Roberts, Gregory Dreifus, Christoph Meier y Lei Liu, así como al profesor Sun Jae en Ingeniería Mecánica Neville Hogan y profesor asociado de mecánicaingeniería A. John Hart.
Montando la ola de colágeno
Las mallas flexibles del equipo se inspiraron en la naturaleza flexible y conformable de las telas.
"La ropa y los dispositivos impresos en 3-D tienden a ser muy voluminosos", dice Pattinson. "Estábamos tratando de pensar en cómo podemos hacer que las construcciones impresas en 3-D sean más flexibles y cómodas, como los textiles y las telas".
Pattinson encontró más inspiración en el colágeno, la proteína estructural que forma gran parte de los tejidos blandos del cuerpo y se encuentra en ligamentos, tendones y músculos. Bajo el microscopio, el colágeno puede parecerse a hilos curvos y entrelazados, similares a las cintas elásticas trenzadas sin apretarCuando se estira, este colágeno inicialmente lo hace tan fácilmente, ya que los pliegues en su estructura se enderezan. Pero una vez tensos, los hilos son más difíciles de extender.
Inspirado por la estructura molecular del colágeno, Pattinson diseñó patrones ondulados, que imprimió en 3-D usando poliuretano termoplástico como material de impresión. Luego fabricó una configuración de malla para parecerse a una tela elástica pero resistente y flexible. Cuanto más alta diseñó las olas,cuanto más se pueda estirar la malla con poca tensión antes de volverse más rígida, un principio de diseño que puede ayudar a adaptar el grado de flexibilidad de una malla y ayudarla a imitar el tejido blando.
Los investigadores imprimieron una tira larga de la malla y probaron su soporte en los tobillos de varios voluntarios sanos. Para cada voluntario, el equipo adhirió una tira a lo largo del exterior del tobillo, en una orientación que predijeron que apoyaríael tobillo si gira hacia adentro. Luego colocaron el tobillo de cada voluntario en un robot de medición de la rigidez del tobillo, llamado, lógicamente, Anklebot, que fue desarrollado en el laboratorio de Hogan. El Anklebot movió el tobillo en 12 direcciones diferentes, y luego midió la fuerzael tobillo ejercido con cada movimiento, con la malla y sin ella, para comprender cómo la malla afectó 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 mientras se movía en otras direcciones.
"La belleza de esta técnica radica en su simplicidad y versatilidad. La malla se puede hacer en una impresora 3-D básica de escritorio, y la mecánica se puede adaptar para que coincida con precisión con la de los tejidos blandos", dice Hart.
cortinas más rígidas y frías
La abrazadera de tobillo del equipo se hizo con material relativamente elástico. Pero para otras aplicaciones, como mallas de hernia implantables, podría ser útil incluir un material más rígido, que al mismo tiempo sea igual de conforme. Para este fin, el equipodesarrolló una forma de incorporar fibras e hilos más fuertes y rígidos en una malla flexible, imprimiendo fibras de acero inoxidable sobre regiones de una malla elástica donde serían necesarias propiedades más rígidas, luego imprimiendo una tercera capa elástica sobre el acero para emparedar el hilo más rígido en elmalla.
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 soporte más fuerte para evitar, por ejemplo, un sobreesfuerzo muscular.
El equipo también desarrolló otras dos técnicas para darle a la malla impresa una calidad casi similar a la de una tela, permitiéndole 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 entre sí fácilmente", dice Pattinson. "También queríamos imitar esa capacidad en las piezas impresas en 3D".
En la impresión tradicional en 3-D, un material se imprime a través de una boquilla calentada, capa por capa. Cuando se extruye el polímero calentado, se une con la capa debajo de él. Pattinson descubrió que, una vez que imprimía una primera capa, si levantaba elimprima ligeramente la boquilla, el material que sale de la boquilla tardaría un poco más en aterrizar en la capa inferior, lo que le daría tiempo para que se enfríe. Como resultado, sería menos pegajoso. Al imprimir un patrón de malla de esta manera, Pattinsonfue capaz de crear capas que, en lugar de estar completamente unidas, eran libres de moverse una con respecto a la otra, y lo demostró en una malla multicapa que cubría y se adaptaba a la forma de una pelota de golf.
Finalmente, el equipo diseñó mallas que incorporaron estructuras auxéticas, patrones que se ensanchan cuando se tira de ellas. Por ejemplo, pudieron imprimir mallas, la mitad de las cuales consistían en estructuras que, cuando se estiraban, se ensanchaban en lugar decontraerse como una malla normal. Esta propiedad es útil para soportar superficies altamente curvadas del cuerpo. Con ese fin, los investigadores diseñaron una malla auxética en un diseño potencial de rodillera y descubrieron que se ajustaba a la articulación.
"Existe el potencial de hacer todo tipo de dispositivos que interactúen con el cuerpo humano", dice Pattinson. Mallas quirúrgicas, ortesis, incluso dispositivos cardiovasculares como stents; puede imaginar que todos se beneficiarán potencialmente del tipo de estructuras que mostramos ".
Esta investigación fue apoyada 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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