3d打印技術(shù)及材料在假肢矯形器領(lǐng)域的應(yīng)用

孫 祁，張一弛

(1.湖北省康復(fù)輔具技術(shù)中心，湖北 武漢 430079；2.武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

3d打印技術(shù)，又可稱(chēng)為“增材制造”技術(shù)，是指在計(jì)算機(jī)控制下，根據(jù)物體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)模型和計(jì)算機(jī)斷層掃描(CT)等數(shù)據(jù)，通過(guò)材料的精確3d堆積，快速制造任意復(fù)雜形狀3d物體的新型數(shù)字化成型技術(shù)[1]。隨著科技的飛速發(fā)展，3d打印技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事裝備、醫(yī)療、教學(xué)等各行各業(yè)。目前，3d打印已發(fā)展了許多成型工藝，其中應(yīng)用較多的主要包括光固化成型(SLA)、熔融沉積制造(FDM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、三維印刷成型(3DP)[2]，以及近年來(lái)新出現(xiàn)的多射流熔融燒結(jié)(MJF)等。

假肢矯形器行業(yè)是為殘疾人或行動(dòng)不便者提供假肢和矯形器裝配服務(wù)的特殊產(chǎn)業(yè)。隨著醫(yī)學(xué)以及康復(fù)醫(yī)學(xué)的不斷發(fā)展，人們的壽命不斷延長(zhǎng)，假肢矯形器作為康復(fù)醫(yī)學(xué)和康復(fù)工程的重要的一部分，因此對(duì)其技術(shù)的要求也就隨之越來(lái)越高[3]。隨著人們物質(zhì)生活的不斷豐富和提高，假肢矯形器相較以往也展現(xiàn)出了新特點(diǎn)和新要求：①越來(lái)越偏向患者的個(gè)性化定制需求。②產(chǎn)品要有更好的透氣性和輕量化。③產(chǎn)品的外觀要符合大眾審美。④產(chǎn)品的功能多樣性需求。⑤在對(duì)于兒童進(jìn)行治療時(shí)，需要進(jìn)一步考慮的因素是他們的生長(zhǎng)速度很快，因此產(chǎn)品必須頻繁性更換[4]。

而3d打印在這些方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。但是由于光固化成型(SLA)的液態(tài)樹(shù)脂材料具有一定的氣味和毒性，并且該工藝和三維印刷成型(3DP)的成型件強(qiáng)度都較弱，需要二次固化和增強(qiáng)處理，這既不符合醫(yī)學(xué)的安全性要求，也提高了制造的復(fù)雜程度。熔融堆積成型(FDM)、選擇性激光燒結(jié)(SLS)和多射流熔融燒結(jié)(MJF)不僅滿(mǎn)足上述的特點(diǎn)，而且具有一次性成型、成型件強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，使得這3種成型工藝在假肢矯形器領(lǐng)域應(yīng)用更加廣泛。

1 選擇性激光燒結(jié)(SLS)技術(shù)及材料在假肢矯形器領(lǐng)域的應(yīng)用

SLS成型，是采用離散/堆積原理，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)與制造，利用紅外激光作為熱源來(lái)逐層掃描截面輪廓，使粉末的溫度升至熔化點(diǎn)，進(jìn)行燒結(jié)，直至完成整個(gè)模型。

SLS成型采用粉末材料，可分為金屬和非金屬。其中金屬材料主要為鈦合金、鋁合金、銅合金以及高溫合金等，非金屬材料主要以熱塑性塑料為主，常見(jiàn)的熱塑性塑料有聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚氯乙烯(PVC)、尼龍(PA)等[5]。隨著增材制造業(yè)的不斷發(fā)展，SLS成型材料又出現(xiàn)了如尼龍玻纖、尼龍?zhí)祭w維等復(fù)合材料。目前在假肢矯形器領(lǐng)域應(yīng)用較多的材料有鈦合金、尼龍和尼龍?zhí)祭w維。

鈦合金具有質(zhì)量輕、生物相容性高和良好的力學(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，而且其粉末材料具有良好的可塑性和流動(dòng)性[6]，適用于SLS成型加工。目前已在假肢關(guān)節(jié)、脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)和輔助器具外殼上得到應(yīng)用。瑞士助聽(tīng)器制造商Phonak采用SLS金屬3d打印技術(shù)，推出了一款3d打印鈦合金外殼的助聽(tīng)器，其外殼強(qiáng)度顯著高于樹(shù)脂外殼，壁厚是樹(shù)脂外殼的50%，為內(nèi)部電子元件留出更多空間。

尼龍材料耐磨、韌性高、強(qiáng)度高、耐熱性好，而且通過(guò)SLS成型的產(chǎn)品有良好的透氣性能，是理想的3d打印假肢矯形器材料。近年來(lái)，湖北省康復(fù)輔具技術(shù)中心采用基于尼龍粉末工業(yè)級(jí)SLS的3d打印技術(shù)，成功設(shè)計(jì)并制作了3d打印透氣性接受腔一體化小腿假肢、3d打印脊柱矯形器、3d打印部分足假肢、3d打印踝足矯形器、3d打印義鼻、3d打印尼龍彈力仿生腳等多款產(chǎn)品，并相繼應(yīng)用于臨床實(shí)驗(yàn)。

尼龍?zhí)祭w維材料不僅具有尼龍材料的優(yōu)點(diǎn)，而且通過(guò)與碳纖維的復(fù)合成型，進(jìn)一步加強(qiáng)產(chǎn)品的力學(xué)性能。BASF的子公司TriFusion Devices和 Essentium設(shè)計(jì)生產(chǎn)的新型3d打印假肢腿，其接受腔采用碳纖維增強(qiáng)尼龍熱塑性材料制成，可以在不削弱其結(jié)構(gòu)的情況下進(jìn)行小幅度調(diào)整，以確?；颊呤孢m合身。在整個(gè)假肢生命周期中，接受腔可根據(jù)需要以2～3 mm的增量進(jìn)行調(diào)整。

2 熔融沉積制造(FDM)技術(shù)及材料在假肢矯形器領(lǐng)域的應(yīng)用

FDM成型，是采用熱熔噴嘴將半流動(dòng)的材料按CAD分層數(shù)據(jù)控制的路徑擠壓并沉積在指定的位置凝固成型，逐層沉積、凝固后形成整個(gè)原型或零件。FDM的成型材料主要是線材，在假肢矯形器領(lǐng)域應(yīng)用較多的有熱塑性聚氨酯彈性體橡膠(TPU)和ABS塑料。

TPU材料具有良好熱塑性，易于FDM的擠出加工，而且具有高透濕性和保暖性，在制造矯形鞋墊上應(yīng)用廣泛。iMcustom公司已使用TPU材料，通過(guò)FDM工藝，根據(jù)用戶(hù)腳底的力學(xué)特征進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)出適合患者的矯形器鞋墊，來(lái)幫助佩戴者緩解足底壓力并增加額外的力學(xué)支撐。

ABS材料熱穩(wěn)定性好，表面光澤性好，而且易于著色，已經(jīng)在小腿接受腔、手指矯形器和踝足矯形器上得到應(yīng)用。波蘭某生物工程學(xué)的研究生曾利用該材料通過(guò)FDM成型工藝為1名患有四肢麻痹癥的患者設(shè)計(jì)了1個(gè)輕巧定制化的手指矯形器，來(lái)幫助患者的手指輕松抓取物品。國(guó)家康復(fù)輔具研究中心也采用該材料和基于FDM工藝的3d打印技術(shù)，按照佩戴者殘肢的三維形貌數(shù)據(jù)、肌骨生物力學(xué)特征等參數(shù)逐層打印出具有人體生物力學(xué)性能的剛?cè)狁詈系募僦邮芮弧?/p>

3 多射流熔融燒結(jié)(MJF)技術(shù)及材料在假肢矯形器領(lǐng)域的應(yīng)用

多射流熔融燒結(jié)(MJF)，其機(jī)器主要依靠2個(gè)不同的噴墨組件，1個(gè)主要負(fù)責(zé)鋪設(shè)打印材料，形成對(duì)象實(shí)體，另1個(gè)負(fù)責(zé)噴涂、融合，使部件獲得所需要的強(qiáng)度和紋理。其大致步驟為先鋪1層粉末，然后噴射熔融輔助劑和細(xì)化劑，保證打印對(duì)象邊緣精度，最后在成型區(qū)域施加熱源使粉末熔融。目前MJF工藝采用的材料基本為尼龍(PA)系列材料，也是在假肢矯形器領(lǐng)域運(yùn)用最廣泛的材料。

黑格科技公司使用PA12材料，利用MJF工藝，研發(fā)設(shè)計(jì)了腕手固定矯形器。它可根據(jù)不同患者手指關(guān)節(jié)進(jìn)行定制，利用指背和腕部三點(diǎn)受力進(jìn)行活動(dòng)。同時(shí)設(shè)計(jì)出3d個(gè)性化定制矯形球，滿(mǎn)足不同患者的拿捏抓握力度和空間，助于患者康復(fù)。

矯形鞋墊制造商iOrthotics，使用PA材料，采用MJF技術(shù)為患者提供定制矯形鞋墊，通過(guò)對(duì)患者足底的掃描最大程度的實(shí)現(xiàn)了個(gè)性化定制，同時(shí)無(wú)需再進(jìn)行傳統(tǒng)的石膏取型工序，提高了生產(chǎn)效率。上海交通大學(xué)附屬第九人民醫(yī)院也使用此技術(shù)及材料，配合全套取樣設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)矯形鞋墊的快速3d打印。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，隨著“中國(guó)制造2025”計(jì)劃的提出實(shí)施，3d打印技術(shù)作為一項(xiàng)新興的制造技術(shù)，得到了空前的發(fā)展。3d打印雖然有著諸多的優(yōu)勢(shì)，在假肢矯形器領(lǐng)域的應(yīng)用也越來(lái)越頻繁，并取得了諸多的成就，但是也有其不足之處，例如材料成本過(guò)高、處理過(guò)程復(fù)雜、成型件的表面質(zhì)量不高以及傳統(tǒng)工藝進(jìn)行補(bǔ)充制作等。

未來(lái)隨著3d打印在假肢矯形器領(lǐng)域研究的不斷深入，對(duì)其工藝技術(shù)和材料進(jìn)行新的革新和補(bǔ)充。一旦3d打印技術(shù)和材料發(fā)展成熟，將擁有傳統(tǒng)制作方法無(wú)可比擬的優(yōu)越性和發(fā)展前景，越來(lái)越多的殘疾人患者將會(huì)在改善功能和生活質(zhì)量上得益于該技術(shù)的應(yīng)用。