Ocena elastycznych materiałów w druku 3D protez kosmetycznych palców

Problem utraconych palców jest dość powszechny i szacuje się, że dotyka średnio jedną na pięćset osób. Najczęściej wypadkom ulegają palce wskazujące, środkowe i serdeczne, a największy wpływ na sprawność dłoni ma utrata kciuka. Współczesne protezy skupiają się na aspektach wizualnych i zazwyczaj nie zapewniają żadnej poprawy funkcjonowania. W świecie dynamicznie rozwijającej się technologii druku 3D, polski zespół badaczy postanowił sprawdzić jej możliwości, by poprawić jakość i przydatność protez palców.

Wyzwania w tworzeniu protez palców

Palce są bardzo silnym i precyzyjnym narzędziem. Niestety odtworzenie precyzji i możliwości ruchowych nadal jest bardzo trudnym zadaniem. Podobnie jest z wytrzymałością. Pojedynczy ludzki palec jest wstanie przenosić obciążenia rzędu kilkudziesięciu kilogramów. Odwzorowanie tego w przypadku tak małych protez to ogromne wyzwanie. Szczególnie jeśli chcemy zachować podobieństwo teksturowe i strukturalne ludzkich tkanek. Obecnie najczęściej wykorzystywanym materiałem jest silikon, który można łatwo ukształtować i pomalować tak, by nie odróżniał się od reszty dłoni. Inne materiały mogą zapewniać większą użyteczność, niestety kosztem estetyki. Ewolucja materiałowa musi więc rozwijać właściwości mechaniczne i estetyczne w takim samym stopniu.

Dodatkowo palce każdego człowieka są inne i nie mowa tutaj tylko o liniach papilarnych. By dłoń funkcjonowała prawidłowa, jej elementy muszą być ze sobą kompatybilne – zachowywać odpowiednie proporcje. Palce u ludzi mają różne parametry, takie jak grubość, rozmieszczenie stawów, długość, a nawet odgięcie. Każda proteza musi więc być dobierana indywidualnie, co zwiększa koszt i czas potrzebny na jej przygotowanie.

Inny aspektem jest jest biokompatybilność, czyli jak ludzkie ciało reaguje na protezę, zarówno mechanicznie, jak i chemicznie. W poniższym badaniu ten aspekt nie był brany pod uwagę.

Dostępne możliwości technologiczne

Technologia 3D jest w stanie zniwelować większość występujących problemów. Dzięki skanowaniu 3D można szybko otrzymać model palców, jeśli tylko w drugiej ręce palce nie uległy zniszczeniu. Co prawda palce u rąk lewej i prawej nieco się od siebie różnią, jednak są to zmiany minimalne, rzadko wpływające na komfort protez. Jeśli jednak proteza by tego wymagała, to sam model można łatwo obrobić przy użyciu modelowania 3D. Dzięki temu protezy mogą nie tylko wiernie odwzorowywać utracone palce, co nawet bardziej dostosowywać je pod potrzeby pacjenta.

W celu samego wytworzenia protez, grupa badaczy użyła trzech różnych technologii druku 3D:

1. FFF (Fused Filament Fabrication, spotykane też pod nazwą FDM) – najpopularniejsza metoda druku 3D, polegająca na topieniu filamentu i tworzeniu z niego kolejnych warstw wydruku.
2. MSLA (Masked Stereolithography) – polegające na utwardzaniu ciekłej żywicy fotopolimerowej w kadzi.
3. PolyJet – natryskiwanie drobnych warstw żywicy światłoutwardzalnej.

Naukowcy wydrukowali po kilka próbek każdej technologii, zmieniając między wydrukami między innymi orientację wydruku oraz stopień wypełnienia. Wszystkie wydruki posiadały ten sam kształt i format, utworzony na podstawie uproszczonego modelu palca dorosłego mężczyzny.

Testy wytrzymałościowe protez palców

Badacze stworzyli w sumie sto próbek testowych, które został poddane dwóm rodzajom testów: zginania trójpunktowego oraz ściskania. Warunki przeprowadzanych doświadczeń przedstawiono na zdjęciu poniżej.

Ostatecznie próbki podzielono na dziesięć kategorii od A do J, różniące się techniką druku. Próba zginania polegała na przykładaniu coraz większej siły (wyrażonej w Newtonach, można przyjąć, że 10 N równa się kilogramowi obciążenia), aż element odgiął się o jeden centymetr. Informacje na temat próbek i ich wyników zamieszczono w tabeli poniżej.

Podsumowanie wyników

Według grupy badaczy wszystkie wydrukowane próbki były akceptowalne wizualnie, nosiły pewne ślady obróbki po drukowaniu, w postaci pasek lub cętek, lecz według badaczy są one całkowicie do zniwelowania.

W testach wytrzymałości na zginanie zarysowują się pewne zależność:

1. Największą wytrzymałość wykazywały próbki utworzone w technologii FFF, z wypełnieniem 30%.
2. Wypełnienie jest kluczowe w zwiększaniu wytrzymałości, niezależnie od metody druku.
3. Orientacja wydruku miała istotny wpływ w technologii FFF i PolyJet, natomiast marginalny w przypadku technologii MSLA

W testach na ściskanie ponownie najwytrzymalsza okazała się proteza wydrukowana w technologii FFF z wypełnieniem 30%. W tym przypadku orientacja wydruku miała znacznie mniejsze znaczenie. Ponownie drugą najlepszą parą były protezy wydrukowane w technologii MSLA z wypełnieniem 100%, tutaj zaobserwowano większą różnicę w orientacji, tym razem na niekorzyść poziomej.

Podobnie jak w naturze, ważna jest proporcja wytrzymałości do masy. Jest to bardzo ważne z ortopedycznego punktu widzenia, ponieważ nierówne obciążenie stron wywiera negatywny wpływ na układ ciała, a co za tym idzie zdrowie kręgosłupa i stawów.

Istotnym dla pacjentów i szpitali aspektem jest ekonomia produkcji. Wykonanie protez w technologii FFF jest najtańsze, w odniesieniu do niej technologia MSLA jest około dwukrotnie droższa, a PolyJet ponad dwudziestokrotnie droższa.

We wszystkich warunkach najlepsza okazała się technologia FFF. Co prawda badacze uznali jej estetykę za najmniej korzystną, jednak według nich jest to dobra cena za wykazane właściwości mechaniczne, szczególnie biorąc pod uwagę koszty.

Artykuł powstał w oparciu o pracę naukową polskich naukowców. Po dokładniejsze informacje odsyłamy do artykułu źródłowego:

Denysenko, Y.; Górski, F.; Păcurar, R.; Soczyńska, N.; Wichniarek, R. Evaluating the Suitability of Additive Manufacturing for Fabricating Prosthetic Fingers in Upper Limb Prostheses. Appl. Sci. 2025, 15, 11684. https://doi.org/10.3390/app152111684

Zdjęcia użyto za zgodą twórców.