智能设计——医疗植入物能自我感应吗?

“3D打印让我们对细胞结构的设计和密度有了极大的控制”——Shanmugam Kumar

格拉斯哥大学领导的一个工程师团队利用3D打印技术发明了一种轻质、耐冲击的塑料“蜂巢”结构，能够通过电导率的变化来感知损伤区域。研究人员表示，这种方法使用了塑料基材料聚醚醚酮(PEEK)，为“智能”义肢和医疗植入物提供了潜在应用。

纳米纤维携带结构电荷

在打印过程中添加的微型碳纤维使材料能够在整个结构中携带电荷。应力测试应用于三种设计——六角形结构、十字形手性结构和使用碳纤维PEEK材料和传统PEEK的六面可重入设计——以确定损伤是否会影响复合材料的电阻。如果是这样的话，它将赋予这种新材料“自我感知”的能力——例如，允许髋关节植入物在其导电性发生变化时报告，表明它已经磨损，需要更换。

在挤压试验中，在持续施加压力直至结构倒塌的情况下，碳纤维PEEK的每一种设计都比传统的PEEK表现更好，后者能够承受更高的压力。

然而，在冲击测试中，当重物从高处掉落到结构上时，三种碳纤维PEEK结构表现出更强的抗损伤能力。碳纤维PEEK的六边形蜂窝状结构具有最好的反应，比其他任何一种都能承受更大的冲击。

在粉碎测试中，研究人员还测量了碳纤维PEEK细胞结构在三种不同结构被拉伸时对电荷的电阻。对施加应变的电阻变化——一种被称为压阻灵敏度的损伤进展的测量方法——随着压应变的增加而降低，导致结构完全被压碎时电阻几乎完全丧失。对不同结构观察到的不同测量因子与它们的损伤增长速度有关，这与它们吸收能量的能力有关，这表明碳纤维PEEK的压阻性可能有利于创建新一代智能轻量化多功能结构。

PEEK对工业部门是无价的

格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的Shanmugam Kumar博士是这篇论文的通讯作者。阿联酋哈利法大学和英国剑桥大学的同事也为这项研究做出了贡献。库马尔博士说:“PEEK的独特性能使其对许多工业部门来说非常宝贵，我们希望通过3D打印构建的碳纤维工程PEEK细胞结构将开辟更多的可能性。
“3D打印让我们对细胞结构的设计和密度有了很大的控制。这可能使我们能够建造更接近天然骨骼生理学的材料，而不是传统上用于髋关节或膝关节置换术等医疗植入物的固体金属合金，可能会使它们更舒适和有效。
“我们希望，我们开发的这些细胞形式的微工程轻量级、自传感PEEK将在广泛的领域找到新的应用，不仅在义肢和其他医疗设备上，还在汽车设计、航空航天工程和石油和天然气领域。”

这项研究得到了格拉斯哥大学和哈利法大学的资助
该团队的论文题为“3D打印CF/PEEK蜂窝复合材料的能量吸收和自传感性能”，发表在《材料与设计》上在线

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