Лучезапястная шина, которая самостоятельно адаптируется к анатомии пациента

Немецкие ученые из Фрайбургского и Штутгартского университетов разработали новый метод т.н. 4D-печати носимых медицинских устройств, которые самостоятельно подстраиваются под анатомию пациента.

Исследователи при разработке дизайна взяли за основу механизм размножения диоскореи клубненосной* (Dioscorea bulbifera) и запрограммировали напечатанные системы на выполнение сложных движений под воздействием влаги. Команда уже использовала этот подход для 4D-печати самозатягивающейся ортопедической шины для запястья, которая самостоятельно обхватывает руку пациента.

Информация об этой разработке была опубликована в журнале Advanced Science.

4D-печатью называется метод, когда форма структуры, изготовленной при помощи 3D-принтера, должна изменяться со временем. Эти изменения геометрии могут быть вызваны любым способом, среди которых наиболее распространенными являются электростимуляция, тепло и влага. Многие объекты 4D-печати запрограммированы на изменение геометрии с помощью определенным образом расположенных слоев и складок, которые могут сжиматься и расширяться для достижения желаемого эффекта.

В данном случае ученые использует принцип, который применяет лиана, способная взбираться на деревья, обвиваясь вокруг ствола хозяина. Диоскорея прорастает отростками, называемыми стикулами, которые помогают натянуть извилистый стебель и оказывают сдавливающее усилие на растение-хозяина. Это позволяет лиане прокладывать себе путь вверх по "хозяину", приближая его к столь необходимому ей солнечному свету.

В попытке имитировать механизм движения лианы исследователи использовали вычислительную стратегию проектирования, которая включала выборочную печать "линий изгиба" в геометрии самой шины. Подобно складкам на листе бумаги, эти линии изгиба предназначены для определения того, как, где и в какой степени будет изгибаться шина при воздействии влаги.

Выбор материала также имел решающее значение, поскольку срабатывание шины возможно только при использовании материала, реагирующего на влагу. Для этого команде пришлось использовать древесно-полимерный композит, который легко впитывал и выпускал влагу.

Напечатанная структура также включала несколько набухающих и стабилизирующих слоев, которые работали в сочетании с линиями изгиба для достижения спиралевидной формы. Кроме того, команда напечатала карманы на поверхности шины, которые служат для выталкивания спирали наружу, создавая напряжение в устройстве, что в конечном итоге приводит к сжатию всей шины. Это позволяет устройству плотно облегать руку пользователя, обеспечивая индивидуальную, плотную посадку и поддержку запястья.

* Диоскорея клубненосная - вид растений рода диоскорея семейства диоскорейные, вьющаяся листопадная лиана. Широко известная как ямс клубненосный.