科学者らがトンボにヒントを得て手首の怪我を治療する3Dプリントの「尖った関節」を開発

出典: 中国3Dプリンティングネットワーク

ドイツのキール大学の研究者らは、手首を負傷した患者に、より柔軟な形で腕を支える新しい3Dプリント「スパイクジョイント」を開発した。トンボの自然な羽の微細関節にヒントを得たスパイクジョイントは、手首の自由な動きを損なうことなくクッションとして機能するように設計された斬新なインターロック機構を備えています。最大の硬さに設定すると、この装置は日常的な筋肉の緊張や捻挫の治療や、アスリートによくある過伸展による傷害の予防に適していると科学者たちは考えています。

キールの研究者らが 3D プリントした手首の添え木のレイアウトの概要研究者らが 3D プリントしたサポート (写真) は、30 キログラムの重量に耐えられることが証明されました。画像はTC Journal of Bio- and Biomimetic Materialsより。

手首の固定具に革命を起こす

筋肉、骨、関節の損傷（筋骨格系の損傷とも呼ばれます）は、痛みを伴うことがあります。キール大学の研究者らによると、英国と米国の一般医の診察の最大15％は、筋肉の緊張、捻挫、骨折に関連しており、そのほとんどはボディービルやウェイトリフティングなどの激しいスポーツ活動によるものである。

現在、筋骨格系の損傷は、オーソドックスなギプスで治療されることが多いですが、これらのギプスは重く、拘束性があり、環境的に極めて厳しい場合があります。 2012年に行われた調査で、研究者らは、廃棄された包帯だけで年間670トンのゴミが発生していることを発見し、より環境に優しい解決策の開発が必要としている。

3D プリントの利用しやすさの向上により、最近ではより軽量でリサイクル可能な手首用副木の設計が生み出されていますが、それらは可動性よりも器用さを高めるように設計されていることが多く、装着者の活動を制限しています。この問題を克服するために、キールチームはトンボの羽の変形を制御する関節からヒントを得て、加えられる荷重にうまく適応できる、より柔軟なサポートを開発しました。

トンボの画像と羽の静脈関節のクローズアップ。スパイク状の関節は、トンボの羽の静脈関節に基づいています。画像はTC Journal of Bio- and Biomimetic Materialsより。

強力でありながら適応性のある先端ジョイント<br /> 科学者たちは、Prusa i3 MK3 3D プリンターと PLA フィラメントを利用して、特許取得済みの設計を実現し、手首用添え木の実用的なプロトタイプを作成しました。装置自体には、相互に接続された 4 つの管状要素を備えた可動部分があり、各管状要素にはスパイク状のストッパーが付いており、ユーザーはこれを使用して希望の角度を設定し、装置を所定の位置に固定できます。

また、通気性を高めるために穴があいた 14×3×2 cm3 のリストサポートには、簡単に取り付けたり取り外したりできるように、側面に 4 つのハンドルとベルクロストラップが取り付けられています。デバイスの耐荷重能力を評価するために、研究チームは一連の静的曲げテストを実施し、デバイスが最大30kgの重量に耐えられることを証明した。

研究者らは、より弾力性のある合金で作られれば、この装具は450kg以上の圧力に耐えられると主張しているが、重量挙げの現在の世界記録が477kgであることを考えると、これは決して並大抵の偉業ではない。さらにテストを進めると、デバイスの「スパイク」は手首の角度が最大70～80°でも作動することがわかり、過伸展による損傷を防ぐ効果があることが実証されました。

科学者たちは、この新しい手首用副木に関する臨床試験をまだ行っていないが、膝用と肘用のバリエーションを設計しており、このアプローチが「市場性のある技術」となることを検討している。研究チームはまた、この「可変モビリティ」というコンセプトがロボット工学や工学の用途に適しており、将来的には形状変化可能な荷重支持構造につながる可能性があると考えている。

3D プリントされた最適化されたアームサポート<br /> 3D プリントを使用すると、多くの臨床デバイスのサイズと剛性レベルを正確に調整できるため、この技術はカスタムステントの製造によく使用されます。

例えば、ジョージア大学の研究者は、3Dプリンターを使用して、アメリカンフットボール選手のソニー・ミシェル選手のためにカスタマイズされた腕用ブレースを作成した。カーボンファイバーのサポートにより、ランナーはプレー中に腕の下でボールを感じる能力を維持しながら、可動性を取り戻すことができます。

同様に、東南大学中大病院の臨床医は、患者が左手を再び使えるようにする新しい腕装具を3Dプリントした。 3D スキャンとモデリングを使用することで、医師は最終的に、従来の技術よりもカスタマイズ可能なステントを作成できるようになります。

イタリアのバイオメディカルスタートアップ企業 Exos は、よりスケーラブルなアプローチを採用し、カスタマイズ可能な 3D プリント後部矯正器具の新製品「Armor」シリーズの販売を開始しました。 CES 2021でデビューしたこのモジュラーブレースは、丈夫でありながら通気性があり、各患者のニーズに合わせて調整できます。

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