3D打印個性化晶格超材料定制鞋墊
時間：2023-05-12 11:09 來源：西安交通大學機械制造系統 作者：admin 閱讀：次
定制鞋墊通常用于糖尿病患者，以重新分配足底壓力，降低產生潰瘍的風險。3D打印技術的進步使3D打印個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，還來自超材料內部的晶格微結構。使用個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。華盛頓大學機械工程系的Yuri
F Hudak等研究者通過熔融沉積成型(Fused deposition modeling, FDM)技術，使用EPU41材料，采用定制的晶格結構，基于患者的足型和足底壓力，為患者設計和制造了全3D打印鞋墊和混合3D打印鞋墊(圖1)，并與非3D打印的標準護理鞋墊進行對照，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種鞋墊時最大足底壓力峰值和壓力時間積分在卸載區域的降低情況。證實了3D打印制造個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
在1 K、10 K、100 K和1 M循環時，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%。在相同循環次數下，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，在相同循環次數下，標準護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%。
從每個鞋墊樣品的剪切剛度來看，標準護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，在測試的剪切應變范圍內，標準護理鞋墊的剛度最高。
研究者還測試了穿戴不同鞋墊時足底壓力的降低情況。實驗表明，無卸荷區標準護理鞋墊在行走過程中足底壓力峰值較普通標準鞋墊增加(平均值±標準差:268.8±7.0 kPa vs. 248.8±9.9 kPa)�；旌虾腿�3D打印鞋墊在卸載區域的最大足底壓力峰值值分別為207.8±9.6kPa(與普通標準鞋墊相比減少了16.5%)和209.3±2.9kPa(與標準化鞋墊相比減少了15.9%)(圖5)。
參考文獻：
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)
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流程，這種流程實現了完全定制的鞋墊，符合患者的腳型和鞋子，并結合患者特定的足底壓力，通過設計卸載區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字文件。然后， 使用掃描后處理軟件對掃描數據進行處理，并將印模導出為STL文件，用于以后針對患者的鞋墊設計。同時，研究者使用鞋內足底壓力傳感器在實驗室環境下的平地上行走時收集患者特定的足底壓力。使用定制的MATLAB算法計算足底壓力數據，并使用200
kPa的閾值定義卸載區域。在鞋墊模型設計軟件中，手動標記足部的解剖標志，包括腳跟和第一和、五跖骨頭，以輔助設計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，根據之前使用CAD軟件定義的足底壓力圖，導出得到的一體式鞋墊模型，并進一步劃分為正常壓力區域和卸載區域。在鞋墊內部結構的晶格優化階段，研究者對晶格單元尺寸和厚度參數進行調整，直到打印出的鞋墊的剛度符合預期效果。最后，使用FDM工藝對設計好的鞋墊模型進行打印。
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打印鞋墊樣品與標準護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循環時，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%。在相同循環次數下，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，在相同循環次數下，標準護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%。
從每個鞋墊樣品的剪切剛度來看，標準護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，在測試的剪切應變范圍內，標準護理鞋墊的剛度最高。
研究者還測試了穿戴不同鞋墊時足底壓力的降低情況。實驗表明，無卸荷區標準護理鞋墊在行走過程中足底壓力峰值較普通標準鞋墊增加(平均值±標準差:268.8±7.0 kPa vs. 248.8±9.9 kPa)�；旌虾腿�3D打印鞋墊在卸載區域的最大足底壓力峰值值分別為207.8±9.6kPa(與普通標準鞋墊相比減少了16.5%)和209.3±2.9kPa(與標準化鞋墊相比減少了15.9%)(圖5)。
圖5 穿戴不同鞋墊時足底壓力分布情況
該研究表明，兩種使用3D打印工藝制作的鞋墊至少與標準護理鞋墊一樣耐用，而且全3D打印的鞋墊在重復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準護理鞋墊相當或超過標準護理鞋墊。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力。并且通過控制鞋墊內部晶格大小可以實現區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：
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)
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