生物力學驗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：機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

美國疾病控制與預防中心(CDC)報告稱，每1000名糖尿病患者中，因并發(fā)癥首先出現(xiàn)在足部而導致下肢截肢(LEA)的比例為18.4%。但LEA是可以預防的，可以通過治療鞋或矯正鞋墊來進行預防和治療。由于患者足部個性化的差異，批量制作的矯正鞋墊不能適應每一位患者，因此采用增材制造的方式可以解決這個問題。

近期土耳其Kocaeli大學研究人員通過三維掃描儀掃描足部，依據(jù)足部模型獲得個性化的鞋墊模型，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）樣品進行力學性能測試，并對FDM工藝打印的鞋墊和傳統(tǒng)EVA鞋墊在行走過程不同步態(tài)下（站姿、腳跟著地、腳掌平、站姿中、腳跟離地）進行了有限元分析對比，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性能測試結(jié)果(填充密度分別為10-100%)，(A)硬度測試結(jié)果和(B)拉伸強度測試結(jié)果

力學性能實驗顯示，不同填充密度的 3D打印的每個樣品的拉伸應力在6.5到12.5 MPa之間變化。EVA泡沫材料的拉伸應力為2.1 MPa，低于任何3D打印樣品。

圖3每個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，材料位移值在每個步態(tài)階段都有所降低，而等效應力有所增加。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功能。

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

參考文獻：
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.