生物力学验证的增材制造糖尿病足专用鞋垫

供稿人:岳银恒 王玲
供稿单位：机械制造系统工程国家重点实验室

美国疾病控制与预防中心(CDC)报告称，每1000名糖尿病患者中，因并发症首先出现在足部而导致下肢截肢(LEA)的比例为18.4%。但LEA是可以预防的，可以通过治疗鞋或矫正鞋垫来进行预防和治疗。由于患者足部个性化的差异，批量制作的矫正鞋垫不能适应每一位患者，因此采用增材制造的方式可以解决这个问题。

近期土耳其Kocaeli大学研究人员通过三维扫描仪扫描足部，依据足部模型获得个性化的鞋垫模型，利用熔融沉积（FDM）工艺制造糖尿病足专用鞋垫。对FDM工艺所使用的E-SUN高分子丝材打印样品与传统乙烯基乙酸乙酯（EVA）样品进行力学性能测试，并对FDM工艺打印的鞋垫和传统EVA鞋垫在行走过程不同步态下（站姿、脚跟着地、脚掌平、站姿中、脚跟离地）进行了有限元分析对比，优化了FDM打印工艺，确保了FDM工艺下的糖尿病足鞋垫的生物力学功能。

图1基于FDM工艺的鞋垫的分步增材制造

图2 乙烯基乙酸乙酯（EVA）和增材制造样品的力学性能测试结果(填充密度分别为10-100%)，(A)硬度测试结果和(B)拉伸强度测试结果

力学性能实验显示，不同填充密度的 3D打印的每个样品的拉伸应力在6.5到12.5 MPa之间变化。EVA泡沫材料的拉伸应力为2.1 MPa，低于任何3D打印样品。

图3每个打印的鞋垫模型和传统的乙烯基乙酸乙酯(EVA)泡沫模型在步态阶段的有限元分析(FEA)结果

有限元分析结果显示，在相同的外力作用下，随着鞋垫模型填充密度的增加，材料位移值在每个步态阶段都有所降低，而等效应力有所增加。结果表明，填充密度为30%的鞋垫模型与EVA泡沫材料的鞋垫模型具有相同的有限元分析结果，从而确保了增材制造鞋垫的生物力学功能。

传统的加工鞋垫成本为31.92美元，加工时间为15h，通过熔融沉积（FDM）制造的一双专用鞋垫成本为6.88美元，加工时间为8h，这一方法大大降低了成本和时间。

参考文献：
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.