今年，得益于佐治亚理工学院研究员ScottHollister实验室制造的3D打印医疗设备，年幼的孩子们与家人一起庆祝节日。十多年来，霍利斯特和他的合作者为患有罕见先天缺陷的婴儿开发了救生的、针对患者的气道夹板。

这些个性化气道支持装置由一种称为聚己内酯(PCL)的生物相容性聚酯制成，其优点是获得美国食品和药物管理局的批准。研究人员使用选择性激光烧结来加热粉末状聚酯，使其粘合在一起形成固体结构。由PCL制成的设备在植入患者体内时具有良好的安全记录。

不幸的是，PCL的缺点是具有相对刚性和线性的机械性能，这意味着这种有前途的生物材料尚未在功能上应用于其他一些关键的生物医学需求，例如软组织工程。如何将坚硬的热塑性塑料变成柔韧的东西，并且可能能够与患者一起成长?霍利斯特的实验室已经找到了方法。

Hollister实验室的研究科学家JeongHunPark表示：“3D拉胀设计。”JeongHunPark领导了该团队最近的研究，展示了用于软组织工程的PCL3D打印的成功。与典型的普通弹性材料不同，拉胀材料具有负泊松比。这意味着，如果纵向拉伸拉胀材料，它也会在横向上膨胀，而大多数材料会横向变薄(因为它们具有正泊松比)。

因此，拉胀结构可以在两个方向上扩展，这在考虑人类的生物医学应用时非常有用，因为人类的身体和部位会随着时间的推移而改变尺寸和形状，并包含许多不同的纹理和密度。霍利斯特的团队着手赋予通常坚固的PCL一些新的拉胀特性。

Park解释道：“虽然3D结构的机械性能和行为取决于基础材料(在本例中为PCL)的固有属性，但它也可以通过内部架构设计进行显着调整。”

Park指导了3D打印结构的设计，该结构由以直角排列的微小支柱组成——想象一下非常小的摩天大楼的骨架。该团队首先创建立方体结构，以测试拉胀设计的灵活性、强度和渗透性。

该工作发表在《先进功能材料》杂志上。

拉胀压缩的视频演示。图片来源：佐治亚理工学院

行为灵活

基本上，拉胀材料是通过组装晶胞而设计的网络结构。这些单元由支柱及其交叉接头组成，这是拉胀装置行为的一个重要方面。网络内那些相交关节在压缩或拉伸下的旋转会导致负泊松行为。它还为印刷设备提供了先进的性能，包括冲击能量吸收、抗压痕性和高灵活性。

WallaceH.Coulter系教授Hollister表示：“根据JeongHun的研究结果，你会发现新结构比我们实验室中用PCL制造的典型固体结构灵活约300倍。”他在佐治亚理工学院和埃默里大学攻读生物医学工程学位，同时担任儿科技术Patsy和AlanDorris主席，并担任该系转化研究副主任。

Park说，设备的灵活性和强度的结合在这里尤为重要，因为该研究的最终目标是“应用这种结构来开发具有与天然乳房组织相当的生物力学特性的乳房重建植入物。目前，我们不这样做”在临床环境中没有可生物降解的乳房植入选项。”

他解释说，这些可生物降解的乳房重建植入物充当一种支架。这个想法是，生物相容性材料(PCL)最终会降解并被吸收到体内，同时保持与天然乳腺组织相似的机械性能。

“我们预计天然组织将首先渗透到可生物降解植入物的孔隙中，”帕克说。“随着植入物的降解，植入物内的组织体积将会增加，最终在植入物完全降解后，装置本身会被组织所取代。”

扩展蜂窝网络

从本质上讲，3D打印的乳房植入物旨在提供重建支撑，同时促进新组织的生长。

这些微小支柱之间的空间对于较大的设备来说是完全不同的，赋予了它原本不可能的柔软性和柔韧性。这些空间最终可以填充水凝胶，这将有助于促进细胞和组织的生长。

该团队设计的拉胀学还包括支柱内部的内部空隙和空间的设计，创造一种微孔隙，能够实现氧气、营养物质和代谢物的大量运输，从而促进细胞网络的扩张和生长。

Park正在与埃默里大学外科医生AngelaCheng合作，提交一笔拨款，用于进一步研究和测试乳房植入物。该团队已经将该技术应用于其他应用。例如，这项研究的合作者之一是迈克·戴维斯(MikeDavis)，他在埃默里大学的实验室专注于心脏再生。

“由于具有很大的灵活性，他们正在用它来重建梗塞或坏死的心肌组织，”霍利斯特说。

Park还开发了一种拉胀型儿科气管夹板。“这种设计的优点是，它可以向两个方向扩展，”他说。“因此，随着年轻患者的成长，新设备将与他们一起成长。”

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