香港理工易潔倫 Macromol Mater Eng: 3D打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)于增生性疤痕治療的應(yīng)用

來源：高分子科技

在不同界別的研究當(dāng)中,，如何把設(shè)計貼合人類身體是個急切的挑戰(zhàn),。不同的設(shè)計例如可穿戴傳感器或功能性服飾都需要緊貼在皮膚才能發(fā)揮效用,。幾十年來，壓力衣物是初期控制增生性疤痕治療的重要治療方法,，但是只依靠壓力衣物本身并不能給予疤痕穩(wěn)定的壓力,，從而影響治療效果。在臨床上,，治療師利用聚乙烯泡沫填充身體凹陷的位置以達(dá)到一個較為理想壓力水平,。雖然聚乙烯泡沫是相對較軟的材料,，但是應(yīng)付在關(guān)節(jié)上大程度的皮膚拉伸和變形，聚乙烯泡沫并不能貼合在皮膚上,，影響壓力的傳遞,。

負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在面外彎曲的會形成同向曲面而非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的鞍形彎面(圖1)，此特殊的作用有助于材料貼合于相同是同向曲面的人體關(guān)節(jié)位置,。為了改善增生性疤痕治療的壓力治療,，本文提出以熔融沉積成型三維打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)以取代傳統(tǒng)的聚乙烯泡沫填充物以穩(wěn)定壓力服在關(guān)節(jié)屈伸時給予疤痕的壓力水平 (圖2)。

圖1. 傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)與負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)于面外方向彎曲時的分別闡釋

圖2. 三維打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)熱塑性聚氨酯制備過程與于增生性疤痕治療的應(yīng)用

近日,，來自香港理工大學(xué)的奕潔倫博士,，在Macromolecular Materials and Engineering 上發(fā)表題為“3D Printing Auxetic Architectures for Hypertrophic Scar Therapy”的研究文章。該文章通過有限元和試驗(yàn)分析了兩種傳統(tǒng)的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)（內(nèi)凹Re-entrant和 雙箭頭 Double-arrowhead）于面外方向以球面施力時的物理特性包括形狀可塑性和結(jié)構(gòu)變化作出深入分析和討論,。所設(shè)計的有限元模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表現(xiàn)出可接受的一致性,。數(shù)據(jù)顯示負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的內(nèi)角角度對形狀可塑性起重要作用。

同時為了了解本文設(shè)計的三維打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充對壓力傳遞的改變,，進(jìn)行了穿戴試驗(yàn)去比較傳統(tǒng)聚乙烯泡沫填充和新設(shè)計的差異,。結(jié)果揭示了他們的設(shè)計有助于在手腕屈期伸間保持穩(wěn)定的壓力水平，從而促進(jìn)疤痕的成熟和恢復(fù),。

本文要點(diǎn)

本文章首次較為系統(tǒng)的對負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在面外方向的形狀可塑性和結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析,，首先以有限元分析單一重復(fù)內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的內(nèi)角對于面外方向彎曲的影響，之后再以金屬球體向面外方向的多個重復(fù)的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)施壓,，同時紀(jì)錄荷載與位移以厘定不同結(jié)構(gòu)的形狀可塑性,。數(shù)據(jù)揭示雙箭頭比內(nèi)凹結(jié)構(gòu)可能有更佳的形狀可塑性，更為適合用壓力治療的填充物,。

另外,，于有限元分析當(dāng)中，負(fù)泊松比的結(jié)構(gòu)于施壓時的變化亦進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析,，基于內(nèi)角的變化的特性分成了四個階段,，實(shí)驗(yàn)與有限元分析數(shù)據(jù)亦指出第一階段對結(jié)構(gòu)的形狀可塑性尤其重要。

其后,，邀請了一位志愿者進(jìn)行了穿戴試驗(yàn),，以比較傳統(tǒng)聚乙烯泡沫填充和新設(shè)計在壓力傳遞的差異。首先,，壓力手套配帶到其手腕上,，不同的填充物則安置于手腕背面和壓力手套中間，而壓力傳感器則安置于皮膚與填充物之間,。實(shí)驗(yàn)過程當(dāng)中,，手腕會不停的屈伸并同時量度不同姿勢時的壓力變化。

本文量化的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在面外方向的形狀可塑性和結(jié)構(gòu)變化不僅有助于增生性疤痕治療的發(fā)展，而且還有助于任何類型的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備,，例如人體監(jiān)測傳感器,。

有限元分析內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的內(nèi)角對于面外方向彎曲的影響

通過有限元分析，他們展示了內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的內(nèi)角的改變對于面外方向彎曲的影響,，其最小和最大曲率以海倫公式估計并計算其總曲率,。隨著內(nèi)角角度的增加，其總曲率逐漸下降并由同向曲面變成鞍形彎面結(jié)構(gòu),。

圖3. a) 于面外方向的彎曲的內(nèi)凹結(jié)構(gòu)與內(nèi)角,、最大曲率與最小曲率的展示。b) 海倫公式估計,。c) 60oRE and 120oRE樣本于1mN負(fù)載下的幾何改變有限元模擬,。d&e) 內(nèi)角對最大曲率與最小曲率的影響。f) 內(nèi)角對同向曲面或 鞍形彎面特性影響,。

內(nèi)凹和雙箭頭結(jié)構(gòu)在面外方向的形狀可塑性

通過實(shí)驗(yàn)分析,，他們展示了不同內(nèi)角角度的內(nèi)凹和雙箭頭結(jié)構(gòu)形狀可塑性，在兩種不同的結(jié)構(gòu)中,，較小的內(nèi)角角度的樣本也展示出較佳的形狀可塑性,。由于60oRE和30oDAH 樣本體積相約，當(dāng)與傳統(tǒng)直接比較聚乙烯泡沫的力位移曲線,，雙箭頭結(jié)構(gòu)樣本的力在10微米位移分別大約低于內(nèi)凹結(jié)構(gòu)跟聚乙烯泡沫 60%與40%,；于25微米位移則低大約27%。

圖4. a) 形狀可塑性實(shí)驗(yàn)展示,。b) 樣本體積,。c&d) RE和DAH樣本力位移曲線比較。e) 60oRE﹑30oDAH和PE_foam樣本力位移曲線比較,。f) 樣本的成形能量比較

負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)變化分析

實(shí)驗(yàn)與模擬的結(jié)構(gòu)變化結(jié)果相約,，基于結(jié)構(gòu)的內(nèi)角(θa 和θb)的變化的特性，把整個變形過程厘定分四個階段：第一階段θa 會減少,，而θb會增加,；第二階段開始θb會超過90o，外則本來的負(fù)泊松比的形狀變成非負(fù)泊比松的形狀,；當(dāng)?shù)竭_(dá)第三階段，內(nèi)外的負(fù)泊松比的形狀也變成非負(fù)泊松比的形狀,；第四階段的形狀變化很少,，梁厚會開始顯著減少。兩個不同的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)亦顯示出類似的結(jié)構(gòu)變化過程,，于第一階段時,，力位移曲線的斜率比其他的階段明顯較低，代表其對結(jié)構(gòu)的形狀可塑性之重要性,。

圖5. a&b) 30oDAH 和60oRE實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)構(gòu)變化對比

穩(wěn)定在關(guān)節(jié)屈伸時給予疤痕的壓力水平

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示當(dāng)手腕屈伸時,，填充物中間的位置,，使用三維打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)時皮膚的壓力能比使用傳統(tǒng)的聚乙烯泡沫更穩(wěn)定。使用聚乙烯泡沫時手腕屈曲,，填充物的邊緣并未能與皮膚接觸,；反之，使用三維打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充物時手腕屈曲,，填充物的邊緣能貼服在皮膚上,，并傳遞對增生性疤痕有療效的壓力水平。本設(shè)計能有效減低壓力過大帶來的副作用和避免壓力不足以致影響療效,。于實(shí)際應(yīng)用時,，可以先以柔軟的硅膠薄膜貼在疤痕上，不但可以避免填充物對疤痕的刮傷,，更能加速改善疤痕外觀和厚度,。

圖6. a) 穿戴試驗(yàn)展示。b) 壓力傳感器的位置,。c – e) 使用三維打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充或傳統(tǒng)的聚乙烯泡沫于不同位置壓力變化的對比,。f ) 三維打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充實(shí)際應(yīng)用

文章鏈接：3D Printing Auxetic Architectures for Hypertrophic Scar Therapy

https://doi.org/10.1002/mame.202100866