3D打印在矯形器領(lǐng)域的應(yīng)用和研究進(jìn)展△

鄭 坤，宋 艷，鄧 遷，王文豪，魯?shù)轮?，魏浩馨，王金?/p>

（1.濰坊醫(yī)學(xué)院康復(fù)醫(yī)學(xué)院，山東濰坊261053；2.上海市骨科內(nèi)植物重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第九人民醫(yī)院骨科，上海200011；3.西南交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院，四川成都610031）

隨著3D打印技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展，其除了廣泛用于制作骨內(nèi)植入物和人體生物組織外，也用于個(gè)性化定制矯形器。傳統(tǒng)矯形器工藝繁瑣，耗時(shí)費(fèi)力，并且有佩戴者會(huì)出現(xiàn)皮膚潰爛、壓瘡等并發(fā)癥；而3D打印在矯形器領(lǐng)域的運(yùn)用解決了傳統(tǒng)工藝帶來的諸多不利因素和困擾。3D打印技術(shù)按成型方式分為材料擠出，粉末床融化，光聚合，層壓和噴射幾大類，為追求經(jīng)濟(jì)實(shí)用和耐久美觀等目標(biāo)，目前常用來制造矯形器的只是熔融沉積成型、選擇性激光燒結(jié)、材料噴射和光固化成型這幾種技術(shù)，而這些打印技術(shù)所用的材料，打印方法以及打印出來的成品在性質(zhì)上也有差異［1］。

1 3D打印技術(shù)的成型方式

1.1 熔融沉積成型

熔融沉積成型 （fused deposition modeling，F(xiàn)DM）是熱熔性的絲狀材料加熱熔化后通過噴嘴將材料擠壓出來，按照預(yù)先設(shè)置的打印參數(shù)，逐層在成型平臺(tái)上凝固成所需形狀的打印技術(shù)。目前FDM打印是3D打印矯形器中最常使用的一種，它材料價(jià)格低，抗機(jī)械應(yīng)力強(qiáng)，耐腐蝕，并且不需要做過多的后期處理，減少了成本。但該技術(shù)打印尺寸精度較低，因此打印模型表面質(zhì)量粗糙，光潔度不高，且成型的速度慢。FDM打印技術(shù)常使用的材料是ABS塑料、聚碳酸酯（PC）和聚乳酸（PLA）等。目前，F(xiàn)DM打印技術(shù)已經(jīng)廣泛用于制造上下肢矯形器。

在上肢矯形器運(yùn)用方面，Nam等［2］利用FDM技術(shù)為燒傷患者個(gè)性化制作了手指矯形器，該矯形器與傳統(tǒng)的夾板相比，成本更低，重量更輕，既減輕了患者的負(fù)擔(dān)也增加了矯正效果。熔絲制造打印技術(shù)（fused filament fibrication,FFF）是一種原理類似于FDM打印的技術(shù)，F(xiàn)ernandez-Vicente等［3］用該方法制作了3D打印的拇指矯形器，用化學(xué)藥品對(duì)其處理后，粗糙的表面變得光滑且堅(jiān)固，打印時(shí)間和費(fèi)用也明顯降低。在下肢矯形器運(yùn)用方面，有研究者認(rèn)為足下垂患者在穿上FFF打印的或是傳統(tǒng)的踝足矯形器（ankle-foot orthoses,AFO）步行時(shí)速度會(huì)比不穿情況下更快，且患者更喜歡穿輕便的3D打印矯形器［4］。另外，Walbran等［5］用 FDM制造了一種合成式AFO，該AFO由三部分構(gòu)成，并且不同硬度系數(shù)的彈簧供不同程度的足下垂患者選擇，為患者在行走和活動(dòng)時(shí)提高了舒適和方便性。

1.2 選擇性激光燒結(jié)

選擇性激光燒結(jié)（selective laser sintering,SLS）是指用計(jì)算機(jī)操控下的紅外激光對(duì)成型平臺(tái)上逐層鋪上的粉末材料進(jìn)行燒結(jié)，最終堆層成型。該項(xiàng)技術(shù)有材料種類多，利用率高，不需要支撐結(jié)構(gòu)，成型時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)在于維護(hù)成本高，打印預(yù)熱和冷卻時(shí)間長，且制作的模型表面質(zhì)量不高。該技術(shù)常使用的是尼龍（聚酰胺）材料以及其它熱塑性材料。SLS技術(shù)在矯形領(lǐng)域的應(yīng)用也較為廣泛，常用于制造下肢和脊柱矯形器。

在下肢矯形器方面，Creylman等［6］將SLS打印的AFO與傳統(tǒng)AFO進(jìn)行了步態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)兩種矯形器對(duì)患者步態(tài)改善的效果相似，鑒于SLS技術(shù)更加個(gè)性化和快速的特點(diǎn)，因此SLS替代傳統(tǒng)方式制作AFO是可行的，但同時(shí)也存在耐用性和硬度不足的缺陷［7］。Salles等［8］將 SLS 打印的矯形鞋墊與傳統(tǒng)鞋墊進(jìn)行對(duì)比，認(rèn)為個(gè)性化定制的矯形鞋墊可減少患者行走時(shí)踝關(guān)節(jié)外翻角度和足跟的壓力，而增加舒適度和安全性。在脊柱矯形器方面，SLS技術(shù)可以無支撐打印尺寸較大的矯形器，并且制作脊柱側(cè)彎矯形器的效率高于FDM和SLA技術(shù)。國內(nèi)上海九院王金武團(tuán)隊(duì)就利用SLS技術(shù)和尼龍材料，為患者制作3D打印脊柱側(cè)彎矯形器，厚度4 mm；采用的鏤空設(shè)計(jì)方法不僅使矯形器增加了透氣性，而且在重量上較傳統(tǒng)矯形器減少了8%～10%，如今已大量運(yùn)用于臨床患者并取得了明顯的矯正效果。

1.3 材料噴射技術(shù)

材料噴射（material jetting,MJ）的原理是先在打印床上鋪放一層樹脂材料，再進(jìn)行光照固化，重復(fù)此步驟，逐層成型。材料噴射中最常用于矯形器制造的技術(shù)是Polyjet以及多射流熔融技術(shù)。兩者都有成型速度快、產(chǎn)品精度高的特點(diǎn)，其中Polyjet還能噴射多種不同的材料制成含多種顏色的產(chǎn)品。但這類打印技術(shù)也存在制造模具強(qiáng)度和硬度較差的缺點(diǎn)，因此多用于制造模型零件，在矯形器領(lǐng)域僅有少量運(yùn)用。

因?yàn)樵摷夹g(shù)打印制造的產(chǎn)品強(qiáng)度不高，因此大多是制造手腕矯形器。Cazon等［9］將3D打印多材料的手腕矯形器（Polyjet）和傳統(tǒng)矯形器進(jìn)行比較，結(jié)果表明3D打印手腕矯形器在活動(dòng)能力和力學(xué)方面都強(qiáng)于傳統(tǒng)的矯形器。有研究將手腕矯形器分為兩個(gè)部分制作，由Polyjet打印內(nèi)部結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)注射成型制作外部結(jié)構(gòu)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)固定在外部結(jié)構(gòu)上，解決了矯形器通風(fēng)不好和硬度不夠的問題［10］。Liu等［11］用多射流熔融技術(shù)和PA12材料為腦卒中偏癱患者打印了踝足矯形器，進(jìn)行步態(tài)分析后顯示患者的步速、步幅和步頻率都有所改善，表明了該方法制作踝足矯形器的可行性及優(yōu)勢。

1.4 立體光固化成型

立體光固化成型（stereo lithography appearance,SLA）是指由計(jì)算機(jī)控制的激光光束對(duì)槽中的液態(tài)光敏樹脂進(jìn)行逐層掃描照射成型，然后去除多余樹脂和支撐，二次固化后形成最終的產(chǎn)品。SLA能打印結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品并且有精度高、表面光滑的特點(diǎn)，但也存在可用材料種類少、需后期處理、以及制作成本高的缺點(diǎn)。

因SLA制作成本相對(duì)較高，所以研究較少。在工藝方面，相較于SLS和FDM打印的AFO，有學(xué)者認(rèn)為SLA是最適合制造AFO的技術(shù)［12］。然而，從成本花費(fèi)方面考慮，Lin等［13］認(rèn)為SLA打印的手臂夾板雖擁有良好的硬度和穩(wěn)定性，但沒有傳統(tǒng)制作的經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，因此下一步研究的重點(diǎn)應(yīng)該積極研發(fā)和改進(jìn)該技術(shù)，尋找更多的可用材料，從而降低成本。

2 3D打印矯形器與打印材料

3D打印矯形器中常常使用的材料是ABS、PLA、尼龍、光敏樹脂和混合材料，不同的矯形器功能也跟材料的選擇和性能密切相關(guān)。Chen等［14］認(rèn)為ABS材料的拉伸模量超過2 000 Mpa，它制成的手腕矯形器可能會(huì)對(duì)皮膚產(chǎn)生不適，因此使用拉伸模量為1 300的聚丙烯和尼龍為橈、尺骨折的患者打印手腕矯形器。另外，使用PLA材料，不僅可回收利用，而且能打印具有人體皮膚生物相容性和防水的手臂矯形器，減少了材料浪費(fèi)［15］。

如今，隨著3D打印機(jī)的優(yōu)化和材料學(xué)的發(fā)展，3D打印矯形器已不完全局限于使用單一材料來進(jìn)行制造。已有學(xué)者探索了混合材料制作的矯形器，混合材料的使用可以提高矯形器的強(qiáng)度、耐熱、抗應(yīng)力和吸水性等［16］。Tao 等［17］使用了 TPU/PLA 混合材料，并發(fā)現(xiàn)兩者按25%/75%的比例混合制作的矯形器柔韌性最好，適合用于FDM打印制作的矯形器。而Varga等［18］則運(yùn)用了PLA-CaCO3復(fù)合材料為骨折患者打印出重量輕，防水和韌性強(qiáng)的手腕夾板。Polyjet打印技術(shù)因其獨(dú)特的優(yōu)勢，可以使用多種材料打印出同時(shí)擁有不同韌性和強(qiáng)度性能的矯形器，Gorski等［19］用Polyjet和雙噴頭打印機(jī)以一道工序打印出硬度性高（PLA）和柔軟性好（ABS）的手腕矯形器，擁有了更好的抗壓能力和舒適感。多材料和混合材料的使用，不僅增加了矯形器的功能和設(shè)計(jì)類型，而且讓患者有了更好的佩戴體驗(yàn)。

3 3D打印矯形器與打印參數(shù)

3D打印的樣品性能和質(zhì)量的不同大多在于打印參數(shù)的設(shè)置，根據(jù)不同設(shè)置的數(shù)值，可以進(jìn)行不同的打印路線而制作出不同的樣品形狀。

在FDM技術(shù)中，擠出材料長絲的寬厚，方向，路徑以及材料間的粘稠等參數(shù)影響著打印的機(jī)械性能；激光大小，掃描快慢以及粉末分布是影響激光燒結(jié)過程的主要參數(shù)；另外，材料顆粒的大小和形狀、沉積速度、粉末與粘合劑之間的相互作用在噴射打印中起著重要作用。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)，不同材料填充率或打印厚度有不同的材料力學(xué)性能，3D打印矯形器的抗拉強(qiáng)度和硬度會(huì)受填充率和打印層厚的影響［20］。Lin等［21］認(rèn)為不同打印方向制造的3D打印足部矯形器會(huì)產(chǎn)生不同的力學(xué)性能。他們對(duì)三種不同打印方向（0°，45°，90°）制作的足部矯形器進(jìn)行了機(jī)械性能和生物力學(xué)性能研究，測試表明在45°方向上打印時(shí)，矯形器有最好的抗壓強(qiáng)度和剛度。

4 3D打印矯形器與生物力學(xué)

3D打印矯形器的生物力學(xué)評(píng)估主要體現(xiàn)在步態(tài)分析，矯形器形狀設(shè)計(jì)參數(shù)改變以及對(duì)人體壓力分布分析方面。有研究者對(duì)AFO不同的支撐軸剛度的變化做了探索，表明這些改變對(duì)步態(tài)的影響很?。?2］。但當(dāng)改變足部矯形器后足外側(cè)形狀時(shí)，會(huì)對(duì)膝蓋以上的肌群活動(dòng)以及足底壓力帶來改變［23］。Xu等［24］對(duì)3D打印的鞋墊做了足底壓力測試，發(fā)現(xiàn)打印的鞋墊可以減少跖骨和足跟區(qū)域的壓力，而增加中足區(qū)域的壓力［25］，這對(duì)足部疾病的治療有積極作用。

有限元分析可用于矯形器的虛擬化設(shè)計(jì)和矯正效果的模擬。有學(xué)者在CAD/CAM過程中加入有限元對(duì)3D打印矯形器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以及對(duì)穿戴后的矯正效果進(jìn)行模擬，從而設(shè)計(jì)出更加輕便透氣、精準(zhǔn)舒適的矯形器［26］。Clin等［27］運(yùn)用有限元對(duì) 15種不同影響因素下虛擬制作的10 000多種脊柱側(cè)彎矯形器進(jìn)行矯正效果分析，更好地了解了矯形器的生物力學(xué)特性，同時(shí)合理優(yōu)化了矯形器的設(shè)計(jì)。有學(xué)者將有限元運(yùn)用于鞋墊設(shè)計(jì)，并將優(yōu)化設(shè)計(jì)后的鞋墊與傳統(tǒng)鞋墊進(jìn)行比較后表明，優(yōu)化后的鞋墊增加了中足的壓力，而降低了前足底的壓力，因此可以降低足底潰瘍的發(fā)生率［28］。此外，有限元還能通過模擬不同打印填充率下材料的硬度和抗壓強(qiáng)度，從而打印出耐久度和舒適度更好的矯形器［20］。

5 小結(jié)與展望

雖然3D打印矯形器憑借其輕巧、個(gè)性化、制作快等優(yōu)點(diǎn)已在臨床上廣泛應(yīng)用，然而其實(shí)際應(yīng)用方式仍需進(jìn)一步探索和改進(jìn)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)往往需要臨床醫(yī)生以外的專業(yè)技術(shù)人員進(jìn)行建模和修改，造成了醫(yī)療團(tuán)隊(duì)對(duì)其過于依賴的問題，此外設(shè)計(jì)和制造3D矯形器的工序花費(fèi)也普遍高于傳統(tǒng)矯形器的成本，與臨床應(yīng)用的期待仍有差距。在目前國家高度重視3D打印的政策背景下，未來一定會(huì)有更多的高校、醫(yī)療單位及企業(yè)攜手研發(fā)功能更好的3D打印機(jī)和更多的打印材料，從而制造出成本更低、耐久性更好的矯形器。此外，3D打印技術(shù)也會(huì)引入云計(jì)算、人工智能等一體化和智能化制造理念，在矯形制造領(lǐng)域更加成熟化和實(shí)用化。