3D打印個(gè)性化晶格超材料定制鞋墊

魔猴君  知識(shí)堂   557天前

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自基材，還來自超材料內(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。

近日，據(jù)魔猴網(wǎng)了解，華盛頓大學(xué)機(jī)械工程系的Yuri F Hudak等研究者通過熔融沉積成型(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)行對照，測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，通過設(shè)計(jì)卸載區(qū)域的鞋墊剛度降低來緩解足底壓力。首先由矯形師使用高精度3D可見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，研究者對圖1中3種鞋墊進(jìn)行了耐久性和抗壓剛度測試，并測量了其剪切剛度。

圖3 耐久性和抗壓剛度測試

圖4 鞋墊樣品的剪切剛度

在耐久性和抗壓剛度測試中，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非常接近，而全3D打印鞋墊樣品在100萬次循環(huán)過程中顯示出較低的剛度增長(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)，說明在給定剪切位移下，在測試的剪切應(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，無卸荷區(qū)標(biāo)準(zhǔn)護(hù)理鞋墊在行走過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)。混合和全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，表明其具有更高的耐用性能。因此，從患者的角度來看，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)