3D打印變剛度形狀記憶材料在假肢接受腔制備的應(yīng)用

供稿人:單存清-王玲

由于疾病和事故,，截肢的患病率不斷增加,。盡管假肢技術(shù)和醫(yī)療護(hù)理技術(shù)都取得很大進(jìn)步,，但是假肢的制作和裝配仍然是一個(gè)存在很多挑戰(zhàn)的過(guò)程,。一個(gè)假肢技師通常需要十幾年的工作經(jīng)驗(yàn)才能順利的完成假肢的裝配過(guò)程,，而且目前沒(méi)有有效的設(shè)計(jì)和測(cè)量手段,，仍然需要病人的主管反饋進(jìn)行修型和調(diào)試,。

大多數(shù)截肢病人的殘肢體積和形狀都會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化（膨脹或收縮），這使得假肢的準(zhǔn)確安裝變得更加困難,。假肢接受腔必須堅(jiān)硬并與殘肢緊密貼合,，以傳遞較大的力,，但同時(shí)也必須保持柔軟，以盡量減少對(duì)殘肢的傷害,。

近期3D打印的變剛度結(jié)構(gòu)（variable-stiffness structure）在自適應(yīng)變形方面的應(yīng)用表現(xiàn)出越來(lái)越大的潛力,。葡萄牙里斯本大學(xué)和英格蘭布里斯托爾大學(xué)的研究人員利用純PLA材料的可控變剛度和形狀記憶性能，通過(guò)設(shè)計(jì)溫度控制的變剛度層,，實(shí)現(xiàn)假肢接受腔的快速取型,，并可以進(jìn)行反復(fù)可逆的形狀調(diào)整。

圖1. PLA材料的形狀記憶行為

研究人員使用純PLA材料打印成型如圖1所示的方框結(jié)構(gòu),，并進(jìn)行了材料的形狀回復(fù)能力試驗(yàn),。a為打印成型樣件的原始形狀；b為加熱至材料玻璃化溫度Tg（59.2±1℃）以上,，加載產(chǎn)生變形,，冷卻至室溫；c為對(duì)樣件再次加熱,；d為加熱后恢復(fù)形狀,。

研究人員設(shè)計(jì)了球形和蝶形兩種框架結(jié)構(gòu)，打印測(cè)試了這兩種結(jié)構(gòu)在一下四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的剛度和變形情況：
S1：初始狀態(tài),。在室溫下,，初始未變形的試樣。
SS:軟狀態(tài),。初始未變形的試樣,，溫度為T(mén) > Tg。
SD:變形狀態(tài),。室溫下的變形試樣,。
SR:恢復(fù)狀態(tài)。在室溫下恢復(fù)形狀的試樣,。

圖2. 球形結(jié)構(gòu),、蝶形結(jié)構(gòu)的平均剛度和高度變化

結(jié)果顯示：材料被加熱至Tg以上，兩種結(jié)構(gòu)的剛度顯著降低,，結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變形,，當(dāng)再次加熱后，兩種結(jié)構(gòu)的剛度和形狀均恢復(fù)至與初始形狀相近,。這種性能為接受腔的設(shè)計(jì)提供了很好的手段,，將材料加熱至Tg以上，材料變得柔軟易變形,，將殘肢與材料接觸可以快速獲得緊密貼合殘肢得接受腔幾何形狀,，冷卻并固定形狀。再次加熱后結(jié)構(gòu)恢復(fù)形狀可以適應(yīng)殘肢的形狀變化,。

參考文獻(xiàn)：
Pourfarzaneh, A., et al. (2019). Towards adaptive prosthetic sockets using 3d-printed variable-stiffness shape-memory structures. RoboSoft 2019 - 2019 IEEE International Conference on Soft Robotics.

供稿人:單存清-王玲 供稿單位：機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室