香港理工易潔倫 Macromol Mater Eng: 3D打印負泊松比結構于增生性疤痕治療的應用

來源：高分子科技

在不同界別的研究當中，如何把設計貼合人類身體是個急切的挑戰(zhàn)。不同的設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，但是應付在關節(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。

負泊松比結構在面外彎曲的會形成同向曲面而非傳統(tǒng)結構的鞍形彎面(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泊松比結構以取代傳統(tǒng)的聚乙烯泡沫填充物以穩(wěn)定壓力服在關節(jié)屈伸時給予疤痕的壓力水平 (圖2)。

圖1. 傳統(tǒng)蜂窩結構與負泊松比結構于面外方向彎曲時的分別闡釋

圖2. 三維打印負泊松比結構熱塑性聚氨酯制備過程與于增生性疤痕治療的應用

近日，來自香港理工大學的奕潔倫博士，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分析了兩種傳統(tǒng)的負泊松比結構（內凹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構變化作出深入分析和討論。所設計的有限元模型與實驗數(shù)據(jù)表現(xiàn)出可接受的一致性。數(shù)據(jù)顯示負泊松比結構的內角角度對形狀可塑性起重要作用。

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

本文要點

本文章首次較為系統(tǒng)的對負泊松比結構在面外方向的形狀可塑性和結構變化進行分析，首先以有限元分析單一重復內凹結構的內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的負泊松比結構施壓，同時紀錄荷載與位移以厘定不同結構的形狀可塑性。數(shù)據(jù)揭示雙箭頭比內凹結構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，于有限元分析當中，負泊松比的結構于施壓時的變化亦進行了結構分析，基于內角的變化的特性分成了四個階段，實驗與有限元分析數(shù)據(jù)亦指出第一階段對結構的形狀可塑性尤其重要。

其后，邀請了一位志愿者進行了穿戴試驗，以比較傳統(tǒng)聚乙烯泡沫填充和新設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。實驗過程當中，手腕會不停的屈伸并同時量度不同姿勢時的壓力變化。

本文量化的負泊松比結構在面外方向的形狀可塑性和結構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)學設備，例如人體監(jiān)測傳感器。

有限元分析內凹結構的內角對于面外方向彎曲的影響

通過有限元分析，他們展示了內凹結構的內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構。

圖3. a) 于面外方向的彎曲的內凹結構與內角、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負載下的幾何改變有限元模擬。d&e) 內角對最大曲率與最小曲率的影響。f) 內角對同向曲面或 鞍形彎面特性影響。

內凹和雙箭頭結構在面外方向的形狀可塑性

通過實驗分析，他們展示了不同內角角度的內凹和雙箭頭結構形狀可塑性，在兩種不同的結構中，較小的內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，當與傳統(tǒng)直接比較聚乙烯泡沫的力位移曲線，雙箭頭結構樣本的力在10微米位移分別大約低于內凹結構跟聚乙烯泡沫 60%與40%；于25微米位移則低大約27%。

圖4. a) 形狀可塑性實驗展示。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

負泊松比結構變化分析

實驗與模擬的結構變化結果相約，基于結構的內角(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，外則本來的負泊松比的形狀變成非負泊比松的形狀；當?shù)竭_第三階段，內外的負泊松比的形狀也變成非負泊松比的形狀；第四階段的形狀變化很少，梁厚會開始顯著減少。兩個不同的負泊松比結構亦顯示出類似的結構變化過程，于第一階段時，力位移曲線的斜率比其他的階段明顯較低，代表其對結構的形狀可塑性之重要性。

圖5. a&b) 30oDAH 和60oRE實驗和模擬結構變化對比

穩(wěn)定在關節(jié)屈伸時給予疤痕的壓力水平

實驗結果顯示當手腕屈伸時，填充物中間的位置，使用三維打印負泊松比結構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，使用三維打印負泊松比結構填充物時手腕屈曲，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。于實際應用時，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) 穿戴試驗展示。b) 壓力傳感器的位置。c – e) 使用三維打印負泊松比結構填充或傳統(tǒng)的聚乙烯泡沫于不同位置壓力變化的對比。f ) 三維打印負泊松比結構填充實際應用

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

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