3D打印變剛度形狀記憶材料在假肢接受腔制備的應(yīng)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(shù)和醫(yī)療護理技術(shù)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(jīng)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(shè)計和測量手段，仍然需要病人的主管反饋進行修型和調(diào)試。

大多數(shù)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(zhǔn)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(jié)構(gòu)（variable-stiffness structure）在自適應(yīng)變形方面的應(yīng)用表現(xiàn)出越來越大的潛力。葡萄牙里斯本大學(xué)和英格蘭布里斯托爾大學(xué)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(shè)計溫度控制的變剛度層，實現(xiàn)假肢接受腔的快速取型，并可以進行反復(fù)可逆的形狀調(diào)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(jié)構(gòu)，并進行了材料的形狀回復(fù)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(chǎn)生變形，冷卻至室溫；c為對樣件再次加熱；d為加熱后恢復(fù)形狀。

研究人員設(shè)計了球形和蝶形兩種框架結(jié)構(gòu)，打印測試了這兩種結(jié)構(gòu)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(fù)狀態(tài)。在室溫下恢復(fù)形狀的試樣。

圖2. 球形結(jié)構(gòu)、蝶形結(jié)構(gòu)的平均剛度和高度變化

結(jié)果顯示：材料被加熱至Tg以上，兩種結(jié)構(gòu)的剛度顯著降低，結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的變形，當(dāng)再次加熱后，兩種結(jié)構(gòu)的剛度和形狀均恢復(fù)至與初始形狀相近。這種性能為接受腔的設(shè)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(jié)構(gòu)恢復(fù)形狀可以適應(yīng)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(tǒng)工程國家重點實驗室