患者匹配型定制化醫(yī)療器械為3D打印的應用提供了市場空間，3D打印不僅能夠實現與患者解剖結構匹配的設計，還能夠實現生物力學上相匹配的設計。來自麻省理工學院的研究團隊開發(fā)了一種可以靈活定制機械性能和幾何形狀的3D打印網格材料，該材料既可用于制造輕便、柔軟的可穿戴支具，又可應用于植入式醫(yī)療設備。

3D打印網格材料，通過調整波浪結構改變材料性能。

如紡織面料般柔韌的材料

    麻省理工學院科學家團隊開發(fā)的3D打印網格材料具有良好的柔韌性。3D打印為網格結構的定制提供了便利性，設計師可以通過調整網狀結構實現材料的個性化定制，既可以制造腳踝、膝蓋支具等外部佩帶的設備，又可用于制造植入式設備，例如疝氣修補網。

用于制造踝關節(jié)、膝關節(jié)支具的網格材料。來源：MIT

研究團隊通過三款支具展示了3D打印網格材料的性能：

腳踝支架-作用是防止穿戴者的腳踝向內轉動，同時保持穿戴者關節(jié)移動的靈活性；

膝關節(jié)支架-不影響膝蓋彎曲；

手部護具-護具與指關節(jié)相匹配。

這項研究的側重點在提供既能夠為滿足支撐人體組織所需的機械性能，又能夠滿足幾何形狀，并且像紡織面料那樣靈活及舒適。

研究人員在天然材料膠原蛋白中找到了這款材料的設計靈感。膠原蛋白是人體軟組織中的結構蛋白，韌帶、肌腱和肌肉中都含有膠原蛋白。在顯微鏡下觀察到的膠原蛋白看起來就像是彎曲交織在一起的股線，當被拉伸時會變直。

研究人員模仿膠原蛋白的特點，以熱塑性聚氨酯（TPU）為原材料，設計了模擬膠原蛋白分子結構的3D打印波浪狀的網格材料，它們堅韌、可拉伸。波浪狀結構是調整整塊材料性能的關鍵，通過改變波浪結構，材料的特性將能夠被改變，網狀材料變硬之前，波浪越高網格材料在在低應變下拉伸得越多。

      研究團隊對于材料為腳踝提供的支撐作用進行了測試，研究人員為健康的志愿者們提供了可以粘附在腳踝外側的3D打印網狀材料，然后用腳踝僵硬度測量機器人Anklebot 對志愿者進行測試。機器人分別對佩帶了支撐材料與沒有佩帶支撐材料的志愿者移動腳踝時所用的力進行了測試。這些測試揭示了3D打印網格如何影響踝關節(jié)在各個方向的剛度，并發(fā)現3D打印網狀材料在反轉期間增加了踝關節(jié)的剛度，同時使踝關節(jié)不受其他方向運動的影響。

     根據麻省理工學院機械工程副教授A. John Hart，這種網狀材料制造的方式比較簡單，通過FDM 桌面級3D打印機就可以實現制造。研究團隊還對網格狀材料的設計思路進行了拓展，比如說，類似的設計方式還可以用于制造金屬3D打印網格材料，前面提到的可植入人體的疝網就可以通過金屬材料進行制造。研究團隊還想出一種方法，通過在彈性網的某些部分上印刷不銹鋼纖維，然后再印刷第三彈性層，就像三明治夾心結構一樣將堅硬的不銹鋼材料夾在中間，通過這種方法創(chuàng)建的3D打印網格材料可以延伸到一定程度，但當材料變硬時可以提供額外的力量和支撐，這對于制造防止肌肉過度訓練的器械尤其有意義。

研究人員還在類似設計思路的基礎上開發(fā)了一種3D打印超材料，該材料在被拉伸的時候不會變窄收縮，反而是變得更寬。這類材料可用于制造支撐身體中需要高度彎曲部位的支具，例如膝關節(jié)支具。

      麻省理工的研究團隊表示，凡是有可能與人體接觸的醫(yī)療設備，例如支具、矯形器、甚至心血管支架都有可能成為這類3D打印網格材料的應用場景。與此研究相關的論文發(fā)表于Advance Functional Materials, 題為”Additive Manufacturing of Biomechanically Tailored Meshes for Compliant Wearable and Implantable Devices”。