生物力學(xué)驗(yàn)證的增材制造糖尿病足專用鞋墊

供稿人:岳銀恒 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

美國(guó)疾病控制與預(yù)防中心(CDC)報(bào)告稱，每1000名糖尿病患者中，因并發(fā)癥首先出現(xiàn)在足部而導(dǎo)致下肢截肢(LEA)的比例為18.4%。但LEA是可以預(yù)防的，可以通過(guò)治療鞋或矯正鞋墊來(lái)進(jìn)行預(yù)防和治療。由于患者足部個(gè)性化的差異，批量制作的矯正鞋墊不能適應(yīng)每一位患者，因此采用增材制造的方式可以解決這個(gè)問(wèn)題。

近期土耳其Kocaeli大學(xué)研究人員通過(guò)三維掃描儀掃描足部，依據(jù)足部模型獲得個(gè)性化的鞋墊模型，利用熔融沉積（FDM）工藝制造糖尿病足專用鞋墊。對(duì)FDM工藝所使用的E-SUN高分子絲材打印樣品與傳統(tǒng)乙烯基乙酸乙酯（EVA）樣品進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，并對(duì)FDM工藝打印的鞋墊和傳統(tǒng)EVA鞋墊在行走過(guò)程不同步態(tài)下（站姿、腳跟著地、腳掌平、站姿中、腳跟離地）進(jìn)行了有限元分析對(duì)比，優(yōu)化了FDM打印工藝，確保了FDM工藝下的糖尿病足鞋墊的生物力學(xué)功能。

圖1基于FDM工藝的鞋墊的分步增材制造

圖2 乙烯基乙酸乙酯（EVA）和增材制造樣品的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果(填充密度分別為10-100%)，(A)硬度測(cè)試結(jié)果和(B)拉伸強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)顯示，不同填充密度的 3D打印的每個(gè)樣品的拉伸應(yīng)力在6.5到12.5 MPa之間變化。EVA泡沫材料的拉伸應(yīng)力為2.1 MPa，低于任何3D打印樣品。

圖3每個(gè)打印的鞋墊模型和傳統(tǒng)的乙烯基乙酸乙酯(EVA)泡沫模型在步態(tài)階段的有限元分析(FEA)結(jié)果

有限元分析結(jié)果顯示，在相同的外力作用下，隨著鞋墊模型填充密度的增加，材料位移值在每個(gè)步態(tài)階段都有所降低，而等效應(yīng)力有所增加。結(jié)果表明，填充密度為30%的鞋墊模型與EVA泡沫材料的鞋墊模型具有相同的有限元分析結(jié)果，從而確保了增材制造鞋墊的生物力學(xué)功能。

傳統(tǒng)的加工鞋墊成本為31.92美元，加工時(shí)間為15h，通過(guò)熔融沉積（FDM）制造的一雙專用鞋墊成本為6.88美元，加工時(shí)間為8h，這一方法大大降低了成本和時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：
Peker A, Aydin L, Kucuk S, et al. Additive manufacturing and biomechanical validation of a patient-specific diabetic insole. Polym Adv Technol. 2020;1–9. https://doi.org/10.1002/pat.4832.