3D打印變剛度形狀記憶材料在假肢接受腔制備的應用

供稿人:單存清-王玲

由于疾病和事故，截肢的患病率不斷增加。盡管假肢技術和醫(yī)療護理技術都取得很大進步，但是假肢的制作和裝配仍然是一個存在很多挑戰(zhàn)的過程。一個假肢技師通常需要十幾年的工作經驗才能順利的完成假肢的裝配過程，而且目前沒有有效的設計和測量手段，仍然需要病人的主管反饋進行修型和調試。

大多數截肢病人的殘肢體積和形狀都會隨時間發(fā)生變化（膨脹或收縮），這使得假肢的準確安裝變得更加困難。假肢接受腔必須堅硬并與殘肢緊密貼合，以傳遞較大的力，但同時也必須保持柔軟，以盡量減少對殘肢的傷害。

近期3D打印的變剛度結構（variable-stiffness structure）在自適應變形方面的應用表現出越來越大的潛力。葡萄牙里斯本大學和英格蘭布里斯托爾大學的研究人員利用純PLA材料的可控變剛度和形狀記憶性能，通過設計溫度控制的變剛度層，實現假肢接受腔的快速取型，并可以進行反復可逆的形狀調整。

圖1. PLA材料的形狀記憶行為

研究人員使用純PLA材料打印成型如圖1所示的方框結構，并進行了材料的形狀回復能力試驗。a為打印成型樣件的原始形狀；b為加熱至材料玻璃化溫度Tg（59.2±1℃）以上，加載產生變形，冷卻至室溫；c為對樣件再次加熱；d為加熱后恢復形狀。

研究人員設計了球形和蝶形兩種框架結構，打印測試了這兩種結構在一下四個時間點的剛度和變形情況：
S1：初始狀態(tài)。在室溫下，初始未變形的試樣。
SS:軟狀態(tài)。初始未變形的試樣，溫度為T > Tg。
SD:變形狀態(tài)。室溫下的變形試樣。
SR:恢復狀態(tài)。在室溫下恢復形狀的試樣。

圖2. 球形結構、蝶形結構的平均剛度和高度變化

結果顯示：材料被加熱至Tg以上，兩種結構的剛度顯著降低，結構發(fā)生明顯的變形，當再次加熱后，兩種結構的剛度和形狀均恢復至與初始形狀相近。這種性能為接受腔的設計提供了很好的手段，將材料加熱至Tg以上，材料變得柔軟易變形，將殘肢與材料接觸可以快速獲得緊密貼合殘肢得接受腔幾何形狀，冷卻并固定形狀。再次加熱后結構恢復形狀可以適應殘肢的形狀變化。

參考文獻：
Pourfarzaneh, A., et al. (2019). Towards adaptive prosthetic sockets using 3d-printed variable-stiffness shape-memory structures. RoboSoft 2019 - 2019 IEEE International Conference on Soft Robotics.

供稿人:單存清-王玲 供稿單位：機械制造系統工程國家重點實驗室