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科学家们以蜻蜓为灵感,3D打印出新的“尖刺关节”,用于治疗手腕损伤

德国的研究人员基尔大学已经开发出新颖的3D打印“尖刺关节”,为腕关节损伤患者提供更灵活的手臂支撑形式。

受蜻蜓自然翅膀微关节的启发,这种尖状关节具有新颖的联锁机制,可以在不影响自由运动的情况下缓冲手腕。当其硬度达到最大时,科学家们相信他们的设备可以理想地治疗日常的拉伤和扭伤,并预防运动员常见的过伸损伤。

基尔研究人员的3D打印手腕夹板的布局示意图。
研究人员的3D打印支架(如图)被证明能够抵抗高达30公斤的重量。图片由tc生物与仿生材料杂志提供。

革命手腕夹板

肌肉、骨骼或关节的损伤(也被称为肌肉骨骼损伤)很多,而且很痛。据Kiel的研究人员称,在英国和美国,多达15%的全科医生都与这种拉伤、扭伤和骨折有关,其中大多数是由剧烈的体育活动造成的,比如健身或举重。

目前,治疗肌肉骨骼损伤通常采用传统的石膏型,但这些石膏型太重,限制性强,对环境极其不利。在2012年的一项研究中,研究人员发现,每年仅废弃的绷带就会产生67万公斤的垃圾,这就需要创造一种更环保的解决方案。

虽然3D印刷的可达性增加最近产生了更轻质和可回收的手腕夹板设计,但它们通常是为移动性的刚性而建造的,这限制了佩戴者的运动。为了克服这一点,基尔团队已经从控制蜻蜓翅膀的变形的关节中获得了灵感,以开发更灵活的支持,能够更好地适应应用的负荷。

一幅蜻蜓的图片,以及它翅膀静脉关节的特写。
棘状关节是基于蜻蜓翅膀上的脉状关节。图片由tc生物与仿生材料杂志提供。

坚固而适应性强的尖钉连接

利用一个Prusa i3 MK3 3D打印机和PLA纤维,科学家已经能够将他们的专利设计变成现实,创造了一个可工作的手腕夹板原型。该设备本身的特点是其移动部件有四个相互连接的管状元件,每一个都包括一个spike-like stoppers,允许用户设置想要的角度来锁定位置。

其他则为14 × 3 × 2厘米3.手腕支撑处有穿孔,以提高透气性,并配有四个把手和侧面的魔术贴带,使其易于连接或拆卸。为了评估他们的设备的承载能力,小组对其进行了一系列静态弯曲测试,结果证明它能够承受高达30公斤的重量。

研究人员称,如果用更有弹性的合金制成,它们的支撑力可以承受450公斤以上的压力。鉴于目前的世界举重纪录是477公斤,这是一个不小的壮举。进一步的测试表明,该设备的“尖刺”也可以在手腕角度高达70-80°时激活,证明了它在防止过伸损伤方面的有效性。

尽管科学家们还没有对他们的新型手腕夹板进行临床试验,但他们已经设计出了一种膝关节和肘部的变体,并考虑他们的方法来代表一种“可市场化的技术”。“该团队还认为,他们的‘可变移动性’概念可以很好地适用于机器人或工程应用,有可能在未来产生变形承重结构。

3D打印优化的臂撑

使用3D打印技术,可以精确调整许多临床设备的尺寸和刚性水平,该技术通常用于制造定制支架。

基于的研究人员佐治亚大学例如,他们使用3D打印机创建了一个个性化的胳膊支撑美式足球运动员索尼米歇尔。碳纤维支持使跑回来返回动作,同时保留在戏剧期间携带手臂下的球的能力。

同样,临床医生从东南大学中大医院3D打印了一种新型的手臂支撑这使一位病人的左手能够重新使用。使用3D扫描和建模,医生最终能够制造出比传统技术更可定制的支架。

这家意大利生物医学初创企业采取了一种更具可扩展性的方法exos.已经开始营销新的“装甲”系列可定制的3D打印背带。首次在CES 2021.,模块化支撑件设计成强壮且透气,同时可根据每个患者的需求来定制。

研究人员的研究结果详细发表在他们题为《spike -joint:一种结合移动和支持的生物灵感解决方案该报告由阿里·哈赫西、斯坦尼斯拉夫·n·戈尔布和哈米德·拉加比共同撰写。

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特写图片显示了Kiel团队的3D打印支持的优势总结。图片由tc生物与仿生材料杂志提供。

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