由自感应压阻材料3D打印的智能支架改善对脊柱侧弯的治疗

作者:本刊编译 发布时间:2022-03-16
一种3D打印的新型轻质背部支架能够感知如何有效地适应病人,从而改善了对脊柱侧弯的治疗。

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脊柱侧弯可以利用背部支架来进行矫正

脊柱侧弯是脊柱畸形的一种常见形式,影响了大约3%的人口,最常见于10岁至15岁的年轻人。通常,这些年轻人可以利用背部支架来进行矫正,在停止生长之前,要一直戴着背部支架。

虽然背部支架治疗是有效的, 但穿戴它可能会带来一些不舒服,而且可能需要一个耗时的反复试验过程,才能找到最适合每个病人的方案。

来自英国和美国的一个工程师和医护人员团队,将聚丙烯这种轻质可回收的塑料与碳纳米管结合起来,创造了一种多孔材料,这种材料能够感知到其在使用过程中所承受的压力(和应力)。

这些研究人员介绍说,这种材料可被用于创造一种智能支架,该支架能够检测到它对人体施加的压力,从而有助于更好地精细调整支架,使治疗过程更加舒适。

在发表于《ACS Applied Materials and Interfaces》杂志上的一篇新的论文中,由格拉斯哥大学领导的团队描述了置于聚丙烯无规共聚物材料中的碳纳米管是如何使这种材料能够在其结构上形成一个导电网络。

他们利用3D 打印,采用这种材料创造出网格状的结构,并使它们承受静力和循环载荷,同时测量这种智能复合材料在负载下的电阻变化。

这种对材料压阻变化的测量,有助于在未来创造一种智能支架,允许医疗人员看到身体的哪个部位对支架施加了最大的压力。

他们的测试表明,即使经过了100次加载和卸载循环,这种材料仍保留了感知材料所经历的张力的能力,说明它足够智能,可以用在支架上。

格拉斯哥大学James Watt工程学院的Shanmugam Kumar博士是这篇论文的通讯作者。来自美国德克萨斯州A&M大学、马萨诸塞州总医院和麻省理工学院的同事们也为这项研究作出了贡献。

Kumar博士说,脊柱侧弯是一种令人痛苦并使人虚弱的疾病,虽然目前的支架比以前好很多,但仍有很大的改进空间。

“我们开发的这种自感应材料具有很大的潜力,可以使下一代的支架得到改进。我们希望未来脊柱侧弯患者可以获得医生的单独评估,以便可以用3D打印的方式,单独针对其自身条件为他们制造最适合的支架。”Kumar 博士说道,“在穿戴几个星期后,他们可以回到他们的医生那里,利用来自压阻式应变传感支架的读数来对支架进行调整,使它更加有效,这样,就不再需要目前临床医生不得不依赖的反复试验过程。”

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由自感应压阻材料3D打印的智能支架改善对脊柱侧弯的治疗

Kumar博士表示,这有助于病人更精确地调整支撑在不同方向的刚度,好的数据能够告知调整支架的最佳时间和方式,从而使它们与采用传统制造方法由被动材料制成的刚性支撑相比,有了明显的改进。除了提供可调整的机械和功能特性外,这种智能复合材料的多孔设计还使得该支架更加轻质。

“我们热衷于探索这项技术在实际中的应用,为此,我们正在与英国的医生开展早期的交流,同时,一家医疗器械公司想要看看有没有在临床中试用这些支架的可能性。”

该团队发表于《ACS Applied Materials and Interfaces》杂志上的论文题目是“用于自感应压阻材料增材制造的碳纳米管掺杂热塑性纳米复合材料的合成与表征”。这项研究得到了阿布扎比国家石油公司的资助。

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