技术可以带来个性化的可穿戴和植入式设备。

摘要：工程师设计了柔韧的3D打印网格材料，其柔韧性和韧性可以调节并支撑肌肉和肌腱等柔软组织。他们可以定制每个网格中复杂的结构，他们设想坚韧而有弹性的织物状材料被用作个性化的可穿戴支撑，包括脚踝或膝盖支撑，甚至是植入式设备，如疝气网格，以更好地匹配人体。

得益于3D打印，助听器、牙冠和肢体假肢是一些现在可以为个体患者进行数字化设计和定制的医疗设备。然而，这些装置通常设计成替换或支撑身体的骨骼和其他刚性部分，并且通常由固体的相对非柔性材料打印。

现在，麻省理工学院的工程师们设计了柔韧的3D打印网格材料，它们具有灵活性和韧性，可以模拟和支撑肌肉和肌腱等柔软组织。他们可以定制每个网格中复杂的结构，他们设想坚韧而有弹性的织物状材料被用作个性化的可穿戴支撑，包括脚踝或膝盖支撑，甚至可植入的设备，如疝气网格，以更好地匹配人体。

作为一个示范，该团队打印了一个柔韧的网格物，用于脚踝支架。他们调整了网格物的结构，以防止脚踝向内转。这是造成伤害的常见原因，同时允许关节在其他方向上自由移动。 研究人员还制作了一种膝盖支架设计，即使在弯曲时也能与膝盖保持一致。并且，他们生产了一种手套，在其顶部表面缝有3D打印网眼，符合佩戴者的指关节，可抵抗中风后可能发生的无意识咬合。

作为麻省理工学院的博士后，负责这项研究的塞巴斯蒂安·帕丁森说：“这项工作是新的，因为它注重支持软组织所需的机械性能和几何结构。”帕丁森现任剑桥大学教员，是《高级功能材料》杂志上发表的一项研究的主要作者。

该团队灵活的网眼灵感来自于柔韧舒适的面料。

帕丁森说：“3D打印的衣服和设备往往体积很大。”我们试图思考如何使3D打印结构更加灵活和舒适，如纺织品和织物。”

帕丁森在胶原蛋白中发现了更多的灵感，胶原蛋白是构成身体大部分软组织的结构蛋白，存在于韧带、肌腱和肌肉中。在显微镜下，胶原蛋白可以像弯曲、交织的股线，类似于松散编织的弹性带。当拉伸时，这种胶原蛋白开始变得如此容易，因为其结构中的扭结会变直。但一旦拉紧，这些股线就难以延伸。

受胶原蛋白分子结构的启发，帕丁森设计了波浪形图案，并用热塑性聚氨酯作为打印材料进行3D打印。然后，他制作了一个网格结构，类似弹性但坚韧的柔韧织物。他设计的波浪越高，网格在变硬之前就越能在低应变下被拉伸——这是一个设计原理，可以帮助调整网格的灵活性，并帮助它模仿软组织。

研究人员打印了一长条网格物，并在几个健康志愿者的脚踝上测试了它的支撑力。对于每个志愿者，研究小组沿着踝关节外侧的长度贴上一条带子，他们预测，如果踝关节向内转的话，这个方向可以支撑踝关节。然后，他们将每个志愿者的脚踝放入霍根实验室开发的一个脚踝刚度测量机器人（逻辑上称为“Anklebot”）中，该机器人将脚踝向12个不同的方向移动，然后测量脚踝在每次移动时所施加的力，包括网格和无网格。了解网格如何在不同方向上影响脚踝的刚度。

总的来说，他们发现网状物在反转期间增加了踝关节的刚度，而在向其他方向移动时使其相对不受影响。这种技术的优点在于其简单性和通用性。网格可以在一个基本的桌面3D打印机上制作，并且可以调整机械结构以精确匹配软组织。

这个团队的脚踝支架采用相对弹性材料制成。但是对于其他应用，例如可植入的疝网，包括更硬的材料可能是有用的，同时也适合。为此，该团队开发了一种方法，通过在弹性网格区域上打印不锈钢纤维，将更坚固，更硬的纤维和线材结合到柔韧的网格物中，在那里需要更硬的性能，然后在钢材上打印第三弹性层。将较硬的线夹入网中。

刚性材料和弹性材料的结合可以使网格能够轻松拉伸到某一点，然后开始变硬，提供更强的支撑，以防止肌肉过度拉伸。

该团队还开发了另外两种技术，使打印网格几乎具有类似织物的质量，即使在运动时也能轻松贴合身体。

帕丁森说“纺织品如此灵活的原因之一是纤维能够轻松地相互移动，我们还想在3D打印部件中模拟这种能力。”

在传统的3D打印中，材料通过加热喷嘴逐层打印。当加热的聚合物被挤出时，它与其下面的层结合。帕丁森发现，一旦他打印出第一层，如果他稍微抬起打印喷嘴，从喷嘴喷出的材料会花费更长的时间落在下面的层上，使材料有时间冷却。结果，它会变得不那么粘。通过以这种方式打印网格图案，帕丁森能够创建一个层，而不是完全粘合，可以相对于彼此自由移动，并且他在多层网格中展示了这一点，该网格覆盖并符合高尔夫球的形状。

最后，团队设计了包含辅助结构的网格——当你拉动它们时，图案会变得更宽。例如，他们能够打印网格，其中的中间部分由结构组成，当拉伸时，这些结构会变得更宽，而不是像普通网格那样收缩。此属性可用于支撑身体的高度弯曲表面。为此，研究人员将一个辅助网设计成一个潜在的膝关节支撑设计，并发现它符合关节。

帕丁森说：“有潜力制造各种与人体接口的设备。手术网、矫形器，甚至是像支架这样的心血管设备——你可以想象，所有这些都可能受益于我们展示的各种结构。”

这项研究得到了美国国家科学基金会、麻省理工学院斯科特科技的下一代项目以及麻省理工学院的Eric P.和Evelyn E. Newman基金的支持。