İşitme cihazları, diş kronları ve uzuv protezleri, 3D baskı sayesinde; hastalar için dijital olarak tasarlanabilen ve özelleştirilebilen tıbbi cihazlardan bazılarıdır. Bununla birlikte, bu cihazlar tipik olarak kemikleri ve vücudun diğer sert parçalarını değiştirmek veya desteklemek için tasarlanmıştır ve genellikle katı, nispeten esnek olmayan bir malzemeden basılır.
MIT mühendisleri; kaslar ve tendonlar gibi daha yumuşak dokuları taklit etmek ve desteklemek için ayarlayabilecekleri esnek, 3 boyutlu baskılı örgü malzemeler tasarladılar.
Ekip; bir ayak bileği atelinde kullanmak için esnek bir ağ bastırdı. Bileğin diğer yönlerde serbestçe hareket etmesine izin verirken; ayak bileğinin içe dönmesini engellemek için (genel bir yaralanma nedeni olan) ağın yapısını uyarladılar. Araştırmacılar ayrıca; kıvrıldığı zaman bile diz ile uyumlu olabilecek bir dizlik tasarımı ve ayrıca; üst yüzeyine dikilen 3 boyutlu baskılı bir eldiven ürettiler. Bu, kullanıcının parmak eklemlerine uyacak ve inmeden sonra oluşabilecek istem dışı sıkışmalara karşı direnç sağlayacak ekilde tasarlandı.
Cambridge Üniversitesi ve MIT Araştırmacı Sebastian Pattinson: “Bu çalışma, yumuşak dokuları desteklemek için gereken mekanik özelliklere ve geometrilere odaklanması açısından yeni bir şey…”
Kolajen dalgası
Ekip; bu esnek ağları, kumaşların esnek, uyumlu doğasından ilham alarak oluşturdu.
Pattinson; vücudun yumuşak dokularının çoğunu oluşturan ve bağ, tendon ve kaslarda bulunan, yapısal protein olan kolajende daha fazla ilham buldu. Mikroskop altında; kolajen gevşek örgülü elastik şeritlere benzer şekilde kıvrımlı, iç içe geçmiş ipliklere benzeyebilir. Gerildiğinde, bu kolajen başlangıçta kolayca yapılıyor, çünkü yapısındaki bükülmeler düzleşiyor. Ancak bir kez gergin olduğunda; iplikçikleri uzatmak daha zor oluyor.
Kolajen moleküler yapısından esinlenen Pattinson; baskı malzemesi olarak termoplastik poliüretan kullanarak 3 boyutlu basılan dalgalı desenler tasarladı. Daha sonra esnek ancak sert, bükülebilir kumaşa benzemek için bir ağ yapılandırması üretti.
Araştırmacılar; uzun bir ağ şeridi bastı ve birkaç sağlıklı gönüllünün ayak bileklerinde desteğini test etti. Her gönüllü için, ekip; ayak bileğinin dış kısmı boyunca bir şerit yapıştırdı. Daha sonra her gönüllünün bileğini, Hogan’ın laboratuvarında geliştirilen; mantıksal olarak Anklebot adında bir ayak bileği sertliği ölçüm robotuna yerleştirdiler. Anklebot; ayak bileklerini 12 farklı yöne hareket ettirdi ve daha sonra ağın ayak bileğinin sertliğini farklı yönlerde nasıl etkilediğini anlamak ve her hareket için, ağ ile ve onsuz, ayak bileğinin kuvvetini ölçtü.
Genel olarak, ağın; inversiyon sırasında ayak bileğinin sertliğini arttırdığını ve diğer yönlerde hareket ederken göreceli olarak etkilenmemesini sağladığını buldular.
Daha sert, daha soğuk yapılar
Bu ayak bileği ateli, nispeten daha esnek malzemeler kullanılarak yapılmıştır. Ancak, implante edilebilir fıtık ağları gibi diğer uygulamalar için, aynı zamanda aynı derecede uyumlu olan daha sert bir malzemenin kullanılması açısından da yararlı olabilir. Bu amaçla, ekip; daha sert lifleri ve ipleri esnek bir ağa birleştirerek, daha sert özelliklere ihtiyaç duyacağı elastik bir ağın bölgeleri üzerine paslanmaz çelik lifler bastırarak, daha sonra çelik üzerine üçüncü elastik bir tabaka basarak bir yeni yol geliştirdi.
Sert ve elastik malzemelerin kombinasyonu; bir ağa, bir kasın aşırı gerilmesini önlemek için daha güçlü bir destek sağlayarak, sertleşmeye başladığı bir noktaya kadar kolayca gerilme kabiliyeti verebilir.
Ekip ayrıca; baskılı ağa neredeyse kumaş benzeri bir kaliteyi vermek için, hareket halindeyken bile vücuda kolayca uymasını sağlayan iki teknik daha geliştirdi.
Pattinson: “Tekstillerin bu kadar esnek olmasının sebeplerinden biri, liflerin birbirine göre kolayca hareket edebilmesidir. Ayrıca, üç boyutlu basılı parçalarda da bu yeteneği taklit etmek istedik.”
Geleneksel 3D baskıda, bir malzeme ısıtılmış bir ağızdan, bir tabaka halinde basılır. Isıtılmış polimer ekstrüde edildiğinde; altındaki katmanla bağlanır. Pattinson; ilk katını bir kez bastırdığında, eğer baskı ağzını biraz yükseltirse, ağızdan çıkan malzemenin aşağıdaki tabakaya inmesinin biraz daha uzun süreceğini ve malzemenin soğumasını sağladığını buldu. Sonuç olarak, malzeme daha az yapışkan oldu. Pattinson, bu şekilde bir ağ örgüsü basarak, birbirine tamamen hareket etmekten ziyade, birbirine göre hareket etmekte serbest kalan katmanlar oluşturabildi. Bunu, üzerine sarılmış ve şekline uyan çok katmanlı bir ağda gösterdi.
Son olarak, ekip; üzerlerini çektiğinizde daha da genişleyen kalıplar olan yardımcı yapılar içeren kafesler tasarladı. Mesela, ortasından gerildiğinde, normal bir ağ gibi büzülmekten ziyade genişleyen yapılardan oluşan ağları basabildiler. Bu özellik; vücudun yüksek kavisli yüzeylerini desteklemek için kullanışlıdır. Bu amaçla, araştırmacılar potansiyel bir dizlik tasarımında yardımcı bir ağ oluşturdular ve ekleme uygun olduğunu buldular.
Pattinson: “İnsan vücudu ile etkileşime giren her türlü cihazı yapma potansiyeli var. Cerrahi kafesler, ortezler, stent gibi kardiyovasküler cihazlar bile; gösterdiğimiz yapı türlerinden potansiyel olarak faydalanabilir.”
