患者匹配型定制化醫(yī)療器械為3D打印的應(yīng)用提供了市場(chǎng)空間，3D打印不僅能夠?qū)崿F(xiàn)與患者解剖結(jié)構(gòu)匹配的設(shè)計(jì)，還能夠?qū)崿F(xiàn)生物力學(xué)上相匹配的設(shè)計(jì)。來自麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種可以靈活定制機(jī)械性能和幾何形狀的3D打印網(wǎng)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(yīng)用于植入式醫(yī)療設(shè)備。

3D打印網(wǎng)格材料，通過調(diào)整波浪結(jié)構(gòu)改變材料性能。

如紡織面料般柔韌的材料

    麻省理工學(xué)院科學(xué)家團(tuán)隊(duì)開發(fā)的3D打印網(wǎng)格材料具有良好的柔韌性。3D打印為網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的定制提供了便利性，設(shè)計(jì)師可以通過調(diào)整網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)材料的個(gè)性化定制，既可以制造腳踝、膝蓋支具等外部佩帶的設(shè)備，又可用于制造植入式設(shè)備，例如疝氣修補(bǔ)網(wǎng)。

用于制造踝關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)支具的網(wǎng)格材料。來源：MIT

研究團(tuán)隊(duì)通過三款支具展示了3D打印網(wǎng)格材料的性能：

腳踝支架-作用是防止穿戴者的腳踝向內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)保持穿戴者關(guān)節(jié)移動(dòng)的靈活性；

膝關(guān)節(jié)支架-不影響膝蓋彎曲；

手部護(hù)具-護(hù)具與指關(guān)節(jié)相匹配。

這項(xiàng)研究的側(cè)重點(diǎn)在提供既能夠?yàn)闈M足支撐人體組織所需的機(jī)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(shè)計(jì)靈感。膠原蛋白是人體軟組織中的結(jié)構(gòu)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(dāng)被拉伸時(shí)會(huì)變直。

研究人員模仿膠原蛋白的特點(diǎn)，以熱塑性聚氨酯（TPU）為原材料，設(shè)計(jì)了模擬膠原蛋白分子結(jié)構(gòu)的3D打印波浪狀的網(wǎng)格材料，它們堅(jiān)韌、可拉伸。波浪狀結(jié)構(gòu)是調(diào)整整塊材料性能的關(guān)鍵，通過改變波浪結(jié)構(gòu)，材料的特性將能夠被改變，網(wǎng)狀材料變硬之前，波浪越高網(wǎng)格材料在在低應(yīng)變下拉伸得越多。

      研究團(tuán)隊(duì)對(duì)于材料為腳踝提供的支撐作用進(jìn)行了測(cè)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(cè)的3D打印網(wǎng)狀材料，然后用腳踝僵硬度測(cè)量機(jī)器人Anklebot 對(duì)志愿者進(jìn)行測(cè)試。機(jī)器人分別對(duì)佩帶了支撐材料與沒有佩帶支撐材料的志愿者移動(dòng)腳踝時(shí)所用的力進(jìn)行了測(cè)試。這些測(cè)試揭示了3D打印網(wǎng)格如何影響踝關(guān)節(jié)在各個(gè)方向的剛度，并發(fā)現(xiàn)3D打印網(wǎng)狀材料在反轉(zhuǎn)期間增加了踝關(guān)節(jié)的剛度，同時(shí)使踝關(guān)節(jié)不受其他方向運(yùn)動(dòng)的影響。

     根據(jù)麻省理工學(xué)院機(jī)械工程副教授A. John Hart，這種網(wǎng)狀材料制造的方式比較簡單，通過FDM 桌面級(jí)3D打印機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)制造。研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)網(wǎng)格狀材料的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了拓展，比如說，類似的設(shè)計(jì)方式還可以用于制造金屬3D打印網(wǎng)格材料，前面提到的可植入人體的疝網(wǎng)就可以通過金屬材料進(jìn)行制造。研究團(tuán)隊(duì)還想出一種方法，通過在彈性網(wǎng)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(jié)構(gòu)一樣將堅(jiān)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(wǎng)格材料可以延伸到一定程度，但當(dāng)材料變硬時(shí)可以提供額外的力量和支撐，這對(duì)于制造防止肌肉過度訓(xùn)練的器械尤其有意義。

研究人員還在類似設(shè)計(jì)思路的基礎(chǔ)上開發(fā)了一種3D打印超材料，該材料在被拉伸的時(shí)候不會(huì)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(guān)節(jié)支具。

      麻省理工的研究團(tuán)隊(duì)表示，凡是有可能與人體接觸的醫(yī)療設(shè)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(wǎng)格材料的應(yīng)用場(chǎng)景。與此研究相關(guān)的論文發(fā)表于Advance Functional Materials, 題為”Additive Manufacturing of Biomechanically Tailored Meshes for Compliant Wearable and Implantable Devices”。