Mit dem Wachstum des 3D-Drucks ist es durchaus möglich, Ihre eigene Prothese aus Modellen in Open-Source-Datenbanken in 3D zu drucken.
Aber diesen Modellen fehlen personalisierte elektronische Benutzerschnittstellen, wie sie in kostspieliger, hochmoderner Prothetik zu finden sind.
Jetzt haben ein Virginia Tech-Professor und sein interdisziplinäres Team von Studentenforschern Fortschritte bei der Integration elektronischer Sensoren in personalisierte 3D-gedruckte Prothesen gemacht – eine Entwicklung, die eines Tages zu erschwinglicheren elektrisch betriebenen Prothesen führen könnte.
Diese neu veröffentlichte Forschungsarbeit aus dem Labor von Blake Johnson, einem Assistenzprofessor an der Virginia Tech für Industrie- und Systemtechnik, machte einen Schritt nach vorne bei der Verbesserung der Funktionalitäten von 3D-gedruckten personalisierten tragbaren Systemen.
Durch die Integration elektronischer Sensoren an der Schnittstelle zwischen einer Prothese und dem Gewebe des Trägers können die Forscher Informationen in Bezug auf die Funktion und den Komfort der Prothese sammeln, wie z. B. den Druck auf das Gewebe des Trägers, die dazu beitragen können, weitere Iterationen dieser Art von Prothesen zu verbessern.
Die Integration von Materialien in formschlüssige Bereiche von 3D-gedruckten Prothesen über eine konforme 3D-Drucktechnik anstelle einer manuellen Integration nach dem Drucken könnte auch den Weg für einzigartige Möglichkeiten ebnen, die Härte des Gewebes des Trägers anzupassen und Sensoren an verschiedenen Stellen zu integrieren Positionen über die formschlüssige Schnittstelle. Im Gegensatz zum herkömmlichen 3D-Druck, bei dem Material Schicht für Schicht auf einer flachen Oberfläche aufgetragen wird, ermöglicht der konforme 3D-Druck das Auftragen von Materialien auf gekrümmten Oberflächen und Objekten.
Laut Yuxin Tong, einem Industrie- und Systemingenieur im Aufbaustudium und Erstautor der veröffentlichten Studie, besteht das ultimative Ziel darin, technische Praktiken und Prozesse zu schaffen, die so viele Menschen wie möglich erreichen können, beginnend mit dem Versuch, bei der Entwicklung einer Prothese für einen zu helfen lokaler Teenager.
„Hoffentlich kann jeder Elternteil der Beschreibung aus dem von uns veröffentlichten Papier folgen und eine kostengünstige personalisierte Handprothese für sein oder ihr Kind entwickeln“, sagte Tong.
Um die mit elektronischen Sensoren integrierten Prothesen zu entwickeln, begannen die Forscher mit 3D-Scandaten, was dem Aufnehmen von Bildern aus verschiedenen Winkeln ähnelt, um die vollständige Form eines Objekts zu erhalten – in diesem Fall eine Form der Extremität des Teenagers.
Anschließend verwendeten sie 3D-Scandaten, um die Integration von Sensoren in den formschlüssigen Hohlraum der Prothese unter Verwendung einer konformen 3D-Drucktechnik zu steuern.
Das vom Forschungsteam entwickelte Verfahren bietet sich für weitere Anwendungen in der personalisierten Medizin und dem Design tragbarer Systeme an.
„Die Personalisierung und Modifizierung der Eigenschaften und Funktionalitäten von tragbaren Systemschnittstellen mittels 3D-Scannen und 3D-Druck öffnet die Tür für das Design und die Herstellung neuer Technologien für die menschliche Assistenz und Gesundheitsfürsorge sowie die Untersuchung grundlegender Fragen im Zusammenhang mit der Funktion und dem Komfort von tragbaren Systemen “, sagte Johnson.
Johnsons Forschungen zu Handprothesen wurden inspiriert, als er von der Tochter seines Kollegen, Josie Fraticelli, damals 12 Jahre alt, erfuhr, die mit dem Amnionbandsyndrom geboren worden war. Im Mutterleib hörte die Entwicklung ihrer Hand auf. Fadenartige Amnionbänder schränkten den Blutfluss ein und beeinträchtigten die Entwicklung der rechten Hand, was zu einem Mangel an Formation über die Knöchel hinaus führte.
Johnson nutzte seine einschlägige Forschungsexpertise in der additiven Biofertigung und ein Team interdisziplinärer Bachelor-Forscher, um die bionische Hand für Fraticelli in 3D zu drucken, die die Grundlage der jetzt veröffentlichten Forschung werden sollte.
Während sie mit Fraticelli zusammenarbeiteten, optimierten sie den Prototyp der Prothese weiter, indem sie neue additive Fertigungstechniken entwickelten, die eine bessere Anpassung an Fraticellis Handfläche ermöglichen und eine bequemere, formschlüssigere Prothese schaffen würden.
Sie bestätigten, dass die Personalisierung der Prothese den Kontakt zwischen Fraticellis Gewebe und der Prothese im Vergleich zu nicht personalisierten Geräten um fast das Vierfache erhöhte. Diese vergrößerte Kontaktfläche half ihnen, genau zu bestimmen, wo Sensorelektrodenarrays eingesetzt werden sollten, um die Druckverteilung zu testen, was ihnen half, das Design weiter zu verbessern.
Sensorexperimente wurden unter Verwendung von zwei personalisierten Prothesen mit und ohne Sensorelektrodenarrays durchgeführt. Indem sie diese Experimente mit Fraticelli durchführten, stellten sie fest, dass die Druckverteilung anders war, wenn sie ihre Hand entspannte, als wenn sie ihre Hand in einer gebeugten Haltung hielt.
„Die Diskrepanz zwischen der weichen Haut und der starren Schnittstelle ist immer noch ein Problem, das die Konformität verringern wird“, sagte Tong. „Die Sensorelektrodenarrays können einen weiteren neuen Bereich eröffnen, um das Prothesendesign im Hinblick auf die Verteilung eines besseren Druckausgleichs zu verbessern.“
Insgesamt hat Fraticelli das Gefühl, dass die neue personalisierte Prothese ihren Komfort verbessert. Da ihre Hand weich und in verschiedenen Haltungen veränderlich ist und das Prothesenmaterial starr und fest ist, kann sich der Grad der Konformität weiterhin ändern.
Personalisierte Prothesen haben noch Raum für Verbesserungen, und Johnsons Team wird weiterhin neue Techniken in der additiven Fertigung erforschen und entwickeln, um Verbesserungen an tragbaren bionischen Geräten vorzunehmen.
Diese Forschung wurde von der National Science Foundation (Division of Undergraduate Education) und vom Student Engineers' Council der Virginia Tech unterstützt; Computational Tissue Engineering Interdisziplinäres Graduiertenforschungsprogramm; und Institut für Kreativität, Kunst und Technologie.
Erhalten Sie die neuesten Wissenschaftsnachrichten mit den kostenlosen E-Mail-Newslettern von ScienceDaily, die täglich und wöchentlich aktualisiert werden. Oder sehen Sie sich stündlich aktualisierte Newsfeeds in Ihrem RSS-Reader an:
Sagen Sie uns, was Sie von ScienceDaily halten – wir freuen uns sowohl über positive als auch über negative Kommentare. Haben Sie Probleme bei der Nutzung der Website? Fragen?
Postzeit: 14. April 2019