3D打印個(gè)性化晶格超材料定制鞋墊

供稿人：劉沛然 王玲 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

定制鞋墊通常用于糖尿病患者,，以重新分配足底壓力,，降低產(chǎn)生潰瘍的風(fēng)險(xiǎn),。3D打印技術(shù)的進(jìn)步使3D打印個(gè)性化超材料的制造成為可能，這些材料的性能不僅來(lái)自基材,，還來(lái)自超材料內(nèi)部的晶格微結(jié)構(gòu),。使用個(gè)性化超材料制造的鞋墊具有患者特定的幾何形狀和剛度，結(jié)合3D打印工藝的使用，為快速制造符合患者生理需求的定制鞋墊提供了可行性,。華盛頓大學(xué)機(jī)械工程系的Yuri F Hudak等研究者通過(guò)熔融沉積成型(Fused deposition modeling, FDM)技術(shù),，使用EPU41材料，采用定制的晶格結(jié)構(gòu),，基于患者的足型和足底壓力,，為患者設(shè)計(jì)和制造了全3D打印鞋墊和混合3D打印鞋墊(圖1)，并與非3D打印的標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理鞋墊進(jìn)行對(duì)照,，測(cè)試了不同鞋墊的抗剪剛度和抗壓剛度,，并研究了穿戴這3種鞋墊時(shí)最大足底壓力峰值和壓力時(shí)間積分在卸載區(qū)域的降低情況。證實(shí)了3D打印制造個(gè)性化超材料定制鞋墊的可行性,，并證明了它們降低足底壓力的能力

圖1 不同制造方式的定制鞋墊

該研究提出了一種新的定制鞋墊的生產(chǎn)流程,，這種流程實(shí)現(xiàn)了完全定制的鞋墊，符合患者的腳型和鞋子,，并結(jié)合患者特定的足底壓力，通過(guò)設(shè)計(jì)卸載區(qū)域的鞋墊剛度降低來(lái)緩解足底壓力,。首先由矯形師使用高精度3D可見(jiàn)光掃描儀掃描患者足部印模生成數(shù)字文件,。然后， 使用掃描后處理軟件對(duì)掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，并將印模導(dǎo)出為STL文件,，用于以后針對(duì)患者的鞋墊設(shè)計(jì)。同時(shí),，研究者使用鞋內(nèi)足底壓力傳感器在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的平地上行走時(shí)收集患者特定的足底壓力,。使用定制的MATLAB算法計(jì)算足底壓力數(shù)據(jù)，并使用200 kPa的閾值定義卸載區(qū)域,。在鞋墊模型設(shè)計(jì)軟件中,，手動(dòng)標(biāo)記足部的解剖標(biāo)志，包括腳跟和第一和,、五跖骨頭,，以輔助設(shè)計(jì)合適的鞋墊形狀與尺寸，鞋墊建模以匹配患者足部掃描的幾何形狀,。然后,，根據(jù)之前使用CAD軟件定義的足底壓力圖，導(dǎo)出得到的一體式鞋墊模型,，并進(jìn)一步劃分為正常壓力區(qū)域和卸載區(qū)域,。在鞋墊內(nèi)部結(jié)構(gòu)的晶格優(yōu)化階段，研究者對(duì)晶格單元尺寸和厚度參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,，直到打印出的鞋墊的剛度符合預(yù)期效果,。最后，使用FDM工藝對(duì)設(shè)計(jì)好的鞋墊模型進(jìn)行打印。

圖2 鞋墊制造流程

在該研究中,，研究者對(duì)圖1中3種鞋墊進(jìn)行了耐久性和抗壓剛度測(cè)試,，并測(cè)量了其剪切剛度。

圖3 耐久性和抗壓剛度測(cè)試

圖4 鞋墊樣品的剪切剛度

在耐久性和抗壓剛度測(cè)試中,，混合3D打印鞋墊樣品與標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理鞋墊樣品的耐久性曲線(xiàn)非常接近,，而全3D打印鞋墊樣品在100萬(wàn)次循環(huán)過(guò)程中顯示出較低的剛度增長(zhǎng)(圖3)。

在1 K,、10 K,、100 K和1 M循環(huán)時(shí)，全3D打印鞋墊的原始厚度變形率分別為3.88%,、4.30%,、5.45%和9.49%。在相同循環(huán)次數(shù)下,，混合3D打印鞋墊對(duì)原始厚度的變形分別為9.91%,、20.58%、24.13%和25.20%,。最后,，在相同循環(huán)次數(shù)下，標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理鞋墊樣品對(duì)原始厚度的變形分別為10.74%,、21.08%,、23.59%和25.42%。

從每個(gè)鞋墊樣品的剪切剛度來(lái)看,，標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理鞋墊的最高剪切剛度為223 kPa,，其次是全3D打印小晶格鞋墊(191 kPa)、混合3D打印小晶格鞋墊 (160 kPa),、混合3D打印大晶格鞋墊(122 kPa),，最后是全3D打印大晶格鞋墊(109 kPa)，說(shuō)明在給定剪切位移下,，在測(cè)試的剪切應(yīng)變范圍內(nèi),，標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理鞋墊的剛度最高。

研究者還測(cè)試了穿戴不同鞋墊時(shí)足底壓力的降低情況,。實(shí)驗(yàn)表明,，無(wú)卸荷區(qū)標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理鞋墊在行走過(guò)程中足底壓力峰值較普通標(biāo)準(zhǔn)鞋墊增加(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差:268.8±7.0 kPa vs. 248.8±9.9 kPa)�,；旌虾腿�3D打印鞋墊在卸載區(qū)域的最大足底壓力峰值值分別為207.8±9.6kPa(與普通標(biāo)準(zhǔn)鞋墊相比減少了16.5%)和209.3±2.9kPa(與標(biāo)準(zhǔn)化鞋墊相比減少了15.9%)(圖5),。

圖5 穿戴不同鞋墊時(shí)足底壓力分布情況

該研究表明，兩種使用3D打印工藝制作的鞋墊至少與標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理鞋墊一樣耐用,，而且全3D打印的鞋墊在重復(fù)載荷的作用下有更低的剛度增長(zhǎng),，表明其具有更高的耐用性能。因此，從患者的角度來(lái)看,，鞋墊的舒適度可能與標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理鞋墊相當(dāng)或超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理鞋墊,。3D打印鞋墊制作方法和材料選擇表明，其具有更低的剪切剛度,，這可以減少佩戴者足底組織上的剪切應(yīng)力,。并且通過(guò)控制鞋墊內(nèi)部晶格大小可以實(shí)現(xiàn)區(qū)域控制抗剪剛度和抗壓剛度的能力，以滿(mǎn)足患者的特定需求,。

參考文獻(xiàn)：
Hudak Y F, Li J-S, Cullum S, et al. "A novel workflow to fabricate a patient-specific 3D printed accommodative foot orthosis with personalized latticed metamaterial." Medical Engineering & Physics(2022)