4D打印材料在骨折護具中的設計研究

黃巖 楊洪君

關鍵詞：4D打印 形狀記憶聚合物 形狀記憶行為 骨折外固定護具 人性化

引言

隨著現代人們生活質量的提高，人們對日常生活用品的需求不再隨著世界快速發展，新技術與新材料的出現不斷改變著我們的生活和生產方式。2013年，麻省理工學院的Tibbits教授正式提出了4D打印的概念。4D打印是指智能材料經過3D打印出來的模型隨著時間的變化在不同激勵因素下發生形狀變化。通過查閱資料，在4D打印的研究中，熔融沉積技術（FDM）因其成型速度快、成本相對較低和應用材料廣泛等特點成為應用較多的打印技術，形狀記憶聚合物（SMP）及其復合材料因其成本較低、生產較容易、玻璃化溫度可調節等優勢成為被研究較多的一類材料，而應用領域主要集中在生物醫療、軟體機器人、航空航天和柔性電子等領域。

骨折在損傷程度上屬于較嚴重的一種，外固定護具是骨折患者在康復期間的重要用品，其主要功能是用來穩定骨折患處，促進斷裂骨骼愈合。經查閱，骨折外固定護具的創新研究主要體現在應用材料，例如通過傳統的石膏和小夾板、金屬條、樹脂繃帶及SMP材料等進行外固定治療。但是，目前的骨折外固定用品依然存在著塑形效果不好、透氣性和調節性差以及不夠美觀等不足之處。本文將4D打印SMP材料應用在骨折外固定護具上，利用SMP材料特性提升護具的使用性能，通過對護具的優化設計體現出對骨折患者的人性化關懷。

一、橈骨遠端骨折外固定護具研究

（一）橈骨遠端骨折及癥狀表現

橈骨遠端連接腕骨，是腕關節的重要組成部分，同時也是力學結構中相對薄弱的地方，遇到很大的沖擊力時非常容易造成橈骨遠端骨折。橈骨遠端骨折[1]是指距離橈骨遠端關節面約3cm之內的骨折損傷，根據橈骨遠端的結構和“三柱理論”[2]，如圖1，進行骨折外固定處理時最好保持橈骨部位和關節面呈平整狀態，利于傷病恢復。其臨床癥狀有壓痛、腫脹、功能障礙等，骨折后損傷部位及周圍會發生腫脹變化[3]。

（二）橈骨遠端骨折護具人機分析

針對橈骨遠端骨折損傷生物力學及心理進行分析，指導護具的設計實踐。

在生理方面，為了最大程度地保證橈骨遠端患處穩定，護具的覆蓋范圍應包括部分掌骨、腕骨、橈尺骨遠端。參考《國家標準成年人手部號型》，計算掌長、虎口食指叉距、尺側半掌寬、大魚際寬等數值作為建立模型的參考，圖2為手部測量尺寸。腕圍尺寸可參考標準人體各部位尺寸表，如表1。外固定護具在穩定靜止狀態時，受到的主要是來自軟組織給予護具的作用力，YAN等[4]將膜片壓力傳感器放置在關鍵的22個點上，并獲得了每個點力的大小值，數據顯示腕部區域的護具壓力值要大于其他區域，如圖3。因此，在護具的設計上需要根據壓力值的分布情況實現更好的固定效果。

在心理方面，設計[5，6]是為人的設計，了解人的需求、關注人的心理情感變化的設計行為符合現當代設計特點。針對骨折患者心理上承受的巨大壓力，以及現有的外固定護具同質化現象嚴重、不能根據每位患者的需求使用等一系列情況都不利于患者傷病的良好恢復。積極心理學[7]能提升用戶幸福感，通過設計與心理學相結合，為患者帶來積極情緒體驗，有利于患者的康復。

（三）設計要求

基于對橈骨遠端骨折及癥狀表現、人機等分析，橈骨遠端護具的設計要求主要包括穩定作用、透氣作用、可調節作用以及美觀個性化設計。

二、脛骨中段骨折外固定護具研究

（一）脛骨中段骨折及癥狀表現

脛骨[8，9]是小腿雙骨之一，是小腿的主要承重部位。脛骨骨折指的是脛骨平臺以下至踝上之間骨骼發生斷裂。將脛骨分成三等份，中段三分之一處纖細，營養血管少，軟組織覆蓋少，因此脛骨中段容易在遭受到一些較大的沖擊力后發生脛骨骨折，如圖4。脛骨骨折的臨床表現為患肢疼痛、腫脹，也會有反常行為或者出現肢體畸形。其中腫脹癥狀[10]是因為骨折損傷后患處發生反應性水腫，骨折斷裂出血和血液循環不順暢等造成的。因此當在使用護具過程中出現腫脹情況要及時調節松緊。

（二）脛骨中段骨折護具人機分析

對脛骨中段骨折損傷生物力學及心理進行分析，指導護具的設計實踐，保證患者的使用合理性和舒適性。

在生理方面，脛骨骨折是常見的長骨骨折，其三分之一處容易發生骨折。同時，脛骨的不同截面應力分布是不均勻的，廖東華等[11]利用有限元方法分析了士兵在齊步、正步和跑步等三種步態下脛骨的應力分布，結果證明在脛骨中部的應力值要高于其他部位。因此，脛骨中部的作用力要大于周圍作用力。應用在脛骨中端骨折護具無須超過膝和踝關節。為了更加符合人體形態及使用需求，需要獲取相關的人體尺寸。設計護具時可參考人體的小腿長、膝圍、小腿圍、踝上圍等數值。參考《國家標準GB/T 10000-1988中國成年人人體尺寸》和人體各部位尺寸表，對相應人體部位尺寸在中位數附近進行考慮，如表2。

在心理方面，脛骨中段的骨折直接影響到整個腿部的運動，從而對日?；顒有袨樵斐刹槐?。同時，護具的同質化現象和使用時不能根據每個人獨特的結構及尺寸達到良好的固定效果，加劇了患者的情緒化。積極且健康的情緒有助于傷病的快速恢復，因此，在護具的設計上需要從功能、材料和外觀等多個方面照顧到使用者的心理感受。

（三）設計要求

基于對脛骨中段骨折及癥狀表現、人機等分析，脛骨中段護具的設計要求主要包括穩定作用、可調節作用、透氣作用以及美觀個性化設計。

三、4D打印工藝參數的控形研究

根據上述對橈骨遠端、脛骨中段骨折損傷的分析和得出的設計要求，將利用形狀記憶聚合物材料（SMP）打印試樣，探究影響4D打印骨折外固定護具的形變因素及形狀回復能力，為4D打印骨折護具的設計和使用過程提供參考。實驗研究分為面、線、體等三部分，通過查閱資料，了解到加熱溫度、打印層厚、填充率等參數會對形變產生影響。

（一）面：工藝參數對形狀回復能力的影響

1.加熱溫度對形狀回復能力的影響

本研究中應用的SMP材料屬于熱激勵型材料，即通過加熱使打印物體發生變形。由于護具是為人體可穿戴而設計，因此，通過實驗計算SMP試樣在不同加熱溫度下的形狀回復率，試樣如圖5，研究加熱溫度與形狀回復能力之間的關系，探究其加熱溫度范圍是否符合人體的承受能力。一共進行三組實驗，每組實驗步驟為：（1）形成臨時形狀。將SMP試樣放入烤箱中等待溫度達到Tg以上，取出并利用工具輔助壓平試樣成180 ℃臨時形狀，冷卻固定臨時形狀；（2）加熱回復形狀。再將固定好的臨時試樣放入烤箱中，實驗從10 ℃溫度開始，并以10 ℃為單位增加，拍攝記錄不同溫度下的試樣變化過程（拍攝以試樣在回復過程中無明顯變化時結束）；（3）計算形狀回復率。形狀回復率Rt是指在無外力約束下的形狀回復過程中某一個時刻的回復程度，本文使用公式為：

在這個公式中，θo、θi和θt分別代表的是初始形狀、臨時形狀和回復時間t時試樣的彎曲角度[12]。實驗結果為30℃～120 ℃范圍內試樣可以發生變形。這意味著在加熱過程中避免了因溫度過高將會對人體產生傷害的問題。

2.打印層厚對形狀回復能力的影響

護具自身的厚度對傷病恢復、使用舒適度具有很大影響，而經過4D打印護具的厚度不僅對傷病恢復、患者舒適度有關系，而且與形狀的回復能力也有關系。因此，通過實驗計算SMP試樣在不同打印層厚下的形狀回復率，研究打印層厚與形狀回復能力之間的關系，確定其基礎變形的功能性。一共進行三組實驗，實驗步驟同上。實驗結果為試樣在1～10mm打印層厚范圍內可以發生變形，且當厚度為3mm時，試樣具有較高的形狀回復率和良好的形狀回復能力。

3.填充率對形狀回復能力的影響

填充率是FDM打印成型技術中的一個參數設置，當數值越小，越節省材料和時間，但會對打印精度產生影響。通過實驗計算SMP試樣在不同填充率下的形狀回復率，研究填充率與形狀回復能力之間的關系。一共進行三組實驗，實驗步驟同上。結果為20%～100%填充率范圍內發生了變形，當填充率為100%時，試樣有較高的形狀回復率和良好的形狀回復能力，同時具備了良好的打印質量。

（二）線：工藝參數對形狀回復能力的影響

1.打印層厚對形狀回復能力的影響

實驗拍攝記錄不同厚度的線性SMP附著到紙上所形成的復合試樣在加熱中的最終回復形狀，研究線性SMP復合試樣打印層厚與形狀回復能力之間的關系。一共進行三組實驗，實驗步驟同上。在該組打印層厚范圍內，2.5mm厚度的線性試樣展現了較好的形狀回復能力，如圖6。

2.填充率對形狀回復能力的影響

實驗研究線性SMP復合試樣填充率與形狀回復能力之間的關系。填充率設置為20%、40%、60%、80%和100%，如圖11。一共進行三組實驗，實驗步驟同上。當填充率為40%時，具有相對良好的形狀回復能力。

（三）體：工藝參數對形狀回復能力的影響

1.打印層厚對打印試樣1回復能力的影響

打印立體模型試樣1，探究打印層厚對形狀回復能力的影響，如圖7。其中，試樣的厚度為變量，孔徑為定量。結果顯示厚度值最大的試樣，其最終的回復形狀更接近于原始形狀。

2.孔徑大小對打印試樣1回復能力的影響

鏤空的設計可以使護具兼具透氣功能和美觀性，適宜的鏤空結構處理將提升傷病的恢復速度。通過調節孔的大小來探究孔徑大小對形狀回復能力的影響?？讖綖樽兞?，厚度為定量，將孔徑分成小孔、中孔及大孔。結果顯示大孔徑的試樣最終回復角度更大，回復能力更強。真實產品設計中，可以在透氣功能的實現上考慮鏤空結構設計，并且當孔徑大小不影響護具基本固定功能的同時，大孔徑更有利于產品的回復效果。

3.打印層厚對打印試樣2回復能力的影響

打印立體模型試樣2，賦予模型不同的厚度進行打印。探究打印層厚對形狀回復能力的影響，如圖8。在四個厚度值的實驗中，厚度值最大的試樣，其最終的回復形狀更接近于原始形狀，如圖9。

（四）總結

在上述實驗研究中，通過打印分別由線、面、體組成的形狀記憶聚合物材料試樣，探究打印試樣在不同影響因素下的形狀回復能力。經過實驗驗證，加熱溫度、打印層厚、填充率、分布數量（線）和孔徑大小對試樣的最終回復能力有不同程度的影響。根據試樣實驗結果可以證實該材料是可以在護具產品中進行研究和應用的。

四、骨折外固定護具的設計

（一）橈骨遠端骨折外固定護具設計

1.設計要求

（1）結構設計

基于前期對橈骨遠端骨折的分析，橈骨遠端骨折外固定護具的形態設計需要結合人體腕關節構造，并且在進行橈骨遠端骨折外固定處理時應保持橈骨與關節面相平整。為了骨折斷裂處更好地吻合在一起，將護具的覆蓋范圍確定為包含部分掌骨、腕骨、橈尺骨遠端。根據對橈骨遠端的約束與載荷分析內容，接近于腕關節部分的作用力大于護具的其他區域。

根據所研究材料的自適應變形特點，通過厚度不均勻分布對透氣結構進行創新設計，實現可根據人體溫度發生自適應變形。實驗驗證，將可隨著人體溫度張開的單元結構的厚度設置為1mm，其他區域厚度為3mm，當人體溫度升高單元結構受熱張開一定角度，其他區域仍然固定患處。

（2）尺寸確定

在之前對護具所包含的范圍中，與護具相關的尺寸如圖10。參考國家標準成年人手部號型及回歸方程式計算出A和D的數值，其中A為98mm，D為30mm。B腕圍參考標準人體各部位尺寸表中的男性腕圍180mm。將E的長度定為60mm，而C所在的前臂圍長要大于腕圍。同時，開口的間距以男女性的腕圍作為參考，男性的平均腕圍為180mm，女性的平均腕圍為160mm，為了適應于男女性的佩戴使用，將開口距離確定為8mm。

2.方案設計

利用材料的形狀記憶特性和使用護具時可以達到良好的固定效果，將護具的形變機制確定為由符合橈骨遠端結構的三維形狀變成臨時的平面形狀，在使用時再回復至三維形狀的一個形狀記憶過程。當護具在臨時平面形狀時，可以節省包裝空間、運輸空間以及儲存空間。其中，設計理念體現在：根據橈骨遠端骨折固定的覆蓋范圍分析，在滿足固定患處的功能上，關注用戶的心理需求，遵循簡潔且美觀的設計風格，將其外觀方案確定為如圖11所示。

采用整體開口結構并將開口設置在手掌方向，保證最終回復形狀能夠最大程度地接近于原始形狀，如圖12。將可隨著溫度張開的單元結構設計成側面開口和上方開口兩種結構，經通過被試者佩戴，上方開口的結構可展開角度較大，透氣效果較好，如圖11，13。同時，可張開的單元結構在接近于腕部的數量要少于其他區域，可以更好地穩定患處。使用場景如圖14。

（二）脛骨中段骨折外固定護具的設計

1.設計要求

（1）結構設計

基于前面對脛骨中段骨折損傷的分析，脛骨骨折外固定護具的結構形態設計需要結合人體脛骨及小腿構造。為了保證脛骨中段骨折穩固愈合，最后將護具的覆蓋范圍分別向膝下圍和腳踝圍所在方向延長。

基于對脛骨及小腿構造的理解和由SMP材料打印護具的形變回復過程，同時參考橈骨遠端骨折護具的設計方式，將開口選擇設置在小腿后方，貫穿護具。脛骨護具選擇與橈骨遠端骨折護具相同的肌理和自適應透氣結構。通過區分護具整體支架與內部可展開的“菱形”單元的不同厚度，將整體支架的厚度設置為3mm，內部可展開的“菱形”單元厚度設置為1mm，實現可根據人體溫度變化發生變形從而達到透氣的目的。

（2）尺寸確定

基于前面對脛骨人機分析，護具的覆蓋范圍超過脛骨中段，但不超過膝蓋和腳踝。參考《國家標準GB/T 10000-1988中國成年人人體尺寸》及人體基本尺寸，最終將護具的長度確定為320mm。由于不超過膝蓋，根據腿部結構，護具上部的圍長要小于膝蓋圍和小腿圍，確定為350mm，小腿圍為360mm，護具下部的圍長參考腳踝圍但比腳踝圍稍大，確定為240mm。參考中國男女基本碼人體細節尺寸，男子小腿圍平均為360mm，女子小腿圍平均為340mm。因此，為了適應于男女性使用，將護具的開口寬度設置為6mm。

2.方案設計

脛骨護具的變形機制與橈骨遠端護具相同。具體的設計理念體現在：

根據脛骨中段骨折固定的覆蓋范圍和相關尺寸分析，在設計過程中，不僅滿足護具良好固定患處的功能，而且關注用戶的心理需求，遵循簡潔且美觀的設計風格，將其外觀方案確定為如圖15。

在可調節功能上將護具的開口結構設置在小腿后部，寬度為6mm，適用于不同人群，具體尺寸如圖15。在透氣性上利用材料的自適應性，護具內部的展開部分的厚度設置為1mm，護具整體支架為3mm，當人體溫度達到一定溫度時，內部薄弱結構可發生變形展開一定角度，達到良好的透氣效果。針對之前對脛骨應力分布分析，分布在脛骨中段的可展開結構少于其他區域。使用場景如圖16。

結語

本文立足于4D打印，利用熔融沉積成型技術和SMP材料應用在骨折外固定護具。首先對橈骨遠端骨折護具和脛骨中段骨折進行了詳細分析，其次探究不同空間形態在加熱溫度、打印層厚、填充率等因素下的形狀回復能力。最后進行護具優化設計實踐。最終的設計輸出根據患者的生理變化如腫脹及時進行調節，同時關注患者心理需求進行簡介且具有美感的外觀設計，形狀變化實現了護具在運輸、攜帶、佩戴等階段的輕便、多次利用及節省空間的目的。近些年來，4D打印材料漸漸被應用在越來越多的領域，相信在不久以后，4D打印材料會有更廣闊的應用前景。