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Les prothèses auditives, les couronnes dentaires et les prothèses des membres font partie des dispositifs médicaux qui peuvent désormais être conçus et personnalisés numériquement pour des patients grâce à l’impression 3D. Cependant, ces dispositifs sont généralement conçus pour remplacer ou soutenir les os et autres parties rigides du corps, et sont souvent imprimés à partir d’un matériau solide, qui sont relativement peu flexibles.

Des matériaux maillés pliables et imprimés en 3D

À présent, des ingénieurs du MIT ont conçu des matériaux maillés pliables et imprimés en 3D, dont la souplesse et la solidité peuvent être ajustées pour imiter et soutenir des tissus plus mous tels que les muscles et les tendons.

Ils peuvent personnaliser les structures complexes de chaque maille et imaginer un matériau semblable à un tissu, à la fois solide et extensible, utilisé comme support personnalisé et portable, notamment les orthèses de cheville et de genou, et même les dispositifs implantables, tels que les prothèses permanentes auditives.

À titre de démonstration, l’équipe a imprimé un maillage flexible à utiliser dans une attelle de cheville. Ils ont adapté la structure du maillage pour empêcher la cheville de se retourner vers l’intérieur – une cause fréquente de blessure – tout en permettant à l’articulation de se déplacer librement dans d’autres directions.

Les chercheurs ont également fabriqué un modèle de genouillère capable de se conformer au genou tout en se pliant. Ils ont également fabriqué un gant avec une maille imprimée en 3D cousue à la surface supérieure, qui se conforme aux doigts du porteur, offrant une résistance contre le pincement involontaire pouvant survenir à la suite d’un accident cérébro-vasculaire.

«Ce travail est nouveau en ce sens qu’il se concentre sur les propriétés mécaniques et les géométries requises pour soutenir les tissus mous», explique Sebastian Pattinson, qui a mené cette recherche en tant que postdoctorant au MIT.

Pattinson, qui est actuellement professeur à l’Université de Cambridge, est l’auteur principal d’une étude publiée aujourd’hui dans la revue Advanced Functional Materials. Ses coauteurs au MIT sont: Meghan Huber, Sanha Kim, Jongwoo Lee, Sarah Grunsfeld, Ricardo Roberts, Gregory Dreifus, Christoph Meier et Lei Liu, ainsi que le professeur Sun Jae en génie mécanique, Neville Hogan et le professeur associé en génie mécanique John Hart.

Des vagues de collagène

Inspiré par la structure moléculaire du collagène, Pattinson a conçu des motifs ondulés qu’il imprimait en 3D en utilisant du polyuréthane thermoplastique comme matériau d’impression. Il a ensuite fabriqué une configuration en maille ressemblant à un tissu extensible mais résistant et souple. Plus il concevait les vagues, plus le maillage pouvait être étiré avec une faible contrainte avant de devenir plus rigide – un principe de conception permettant d’adapter le degré de flexibilité d’un maillage et de lui permettre d’imiter les tissus mous.

Les chercheurs ont imprimé une longue bande de maille et testé son soutien sur les chevilles de plusieurs volontaires en bonne santé. Pour chaque volontaire, l’équipe a collé une bande sur toute la longueur de l’extérieur de la cheville, dans une orientation qu’elle prédit qui soutiendrait la cheville si elle se tournait vers l’intérieur.

Ils ont ensuite placé la cheville de chaque volontaire dans un robot de mesure de la rigidité de la cheville – nommé Anklebot – développé par le laboratoire de Hogan. L’Anklebot a déplacé sa cheville dans 12 directions différentes, puis a mesuré la force exercée par la cheville à chaque mouvement, avec et sans la maille, pour comprendre comment la maille affectait la rigidité de la cheville dans différentes directions.

En général, ils ont constaté que le maillage augmentait la rigidité de la cheville lors de l’inversion, tout en le laissant relativement non affecté alors qu’il se déplaçait dans d’autres directions. «La beauté de cette technique réside dans sa simplicité et sa polyvalence. Le maillage peut être créé avec une imprimante 3D ayant une buse de base, et les mécanismes peuvent être personnalisés pour correspondre précisément à ceux des tissus mous », explique Hart.

Une combinaison qui confère à un maillage la capacité de s’étirer

L’attelle de cheville de l’équipe a été réalisée avec un matériau relativement extensible. Mais pour d’autres applications, telles que les mailles de hernie implantables, il peut être utile d’inclure un matériau plus rigide. À cette fin, l’équipe a mis au point un moyen d’incorporer des fibres et des fils plus solides et plus rigides dans un maillage pliable, en imprimant des fibres d’acier inoxydable sur les zones d’un maillage élastique où des propriétés plus rigides seraient nécessaires, puis en imprimant une troisième couche élastique sur l’acier.

La combinaison de matériaux rigides et élastiques peut conférer à un maillage la capacité de s’étirer facilement jusqu’à un certain point, après quoi il commence à se rigidifier, offrant ainsi un soutien plus important pour empêcher, par exemple, un muscle de subir une surcharge. L’équipe a également mis au point deux autres techniques pour conférer à la maille imprimée une qualité proche de celle d’un tissu, ce qui lui permet de s’adapter facilement au corps, même en mouvement.

«L’une des raisons pour lesquelles les textiles sont si flexibles, c’est que les fibres peuvent se déplacer facilement les unes par rapport aux autres», explique Pattinson. «Nous voulions également reproduire cette capacité dans les pièces imprimées en 3D.»

En impression 3D traditionnelle, un matériau est imprimé à travers une buse chauffée, couche par couche. Lorsque le polymère chauffé est extrudé, il se lie à la couche située en dessous. Pattinson a découvert qu’une fois la première couche imprimée, s’il soulevait légèrement la buse d’impression, le matériau sortant de la buse mettrait un peu plus de temps à se déposer sur la couche en dessous, ce qui donnerait au matériau le temps de refroidir.

En conséquence, cela serait moins collant. En imprimant un motif de maillage de cette manière, Pattinson a été en mesure de créer des couches qui, au lieu d’être entièrement liées, étaient libres de se déplacer les unes par rapport aux autres. Il l’a démontré dans un maillage multicouche qui épouse la forme d’une balle de golf.

Des maillages intégrant des structures auxétiques

Enfin, l’équipe a conçu des maillages intégrant des structures auxétiques, qui s’élargissent lorsque vous les étirez. Par exemple, l’équipe a pu imprimer des maillages, dont le milieu était constitué de structures qui, lorsqu’elles étaient étirées, devenaient plus larges plutôt que de se contracter comme le ferait un maillage normal.

Cette propriété est utile pour supporter les surfaces incurvées du corps. À cette fin, les chercheurs ont confectionné une maille auxétique dans une genouillère et ont constaté qu’elle s’adaptait à l’articulation.

«Il est possible de créer toutes sortes de prothèses qui interagissent avec le corps humain», déclare Pattinson. Les maillages chirurgicaux, les orthèses, même les dispositifs cardiovasculaires tels que les endoprothèses – vous pouvez imaginer tous les avantages potentiels de ces structures. »

Source : MIT
Crédit photo : Pixabay

Des prothèses portables et implantables personnaliséesmartinTechnologie
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