4D打印材料在骨折護(hù)具中的設(shè)計(jì)研究

黃巖 楊洪君

關(guān)鍵詞：4D打印 形狀記憶聚合物 形狀記憶行為 骨折外固定護(hù)具 人性化

引言

隨著現(xiàn)代人們生活質(zhì)量的提高，人們對(duì)日常生活用品的需求不再隨著世界快速發(fā)展，新技術(shù)與新材料的出現(xiàn)不斷改變著我們的生活和生產(chǎn)方式。2013年，麻省理工學(xué)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(jīng)過(guò)3D打印出來(lái)的模型隨著時(shí)間的變化在不同激勵(lì)因素下發(fā)生形狀變化。通過(guò)查閱資料，在4D打印的研究中，熔融沉積技術(shù)（FDM）因其成型速度快、成本相對(duì)較低和應(yīng)用材料廣泛等特點(diǎn)成為應(yīng)用較多的打印技術(shù)，形狀記憶聚合物（SMP）及其復(fù)合材料因其成本較低、生產(chǎn)較容易、玻璃化溫度可調(diào)節(jié)等優(yōu)勢(shì)成為被研究較多的一類(lèi)材料，而應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在生物醫(yī)療、軟體機(jī)器人、航空航天和柔性電子等領(lǐng)域。

骨折在損傷程度上屬于較嚴(yán)重的一種，外固定護(hù)具是骨折患者在康復(fù)期間的重要用品，其主要功能是用來(lái)穩(wěn)定骨折患處，促進(jìn)斷裂骨骼愈合。經(jīng)查閱，骨折外固定護(hù)具的創(chuàng)新研究主要體現(xiàn)在應(yīng)用材料，例如通過(guò)傳統(tǒng)的石膏和小夾板、金屬條、樹(shù)脂繃帶及SMP材料等進(jìn)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(diào)節(jié)性差以及不夠美觀等不足之處。本文將4D打印SMP材料應(yīng)用在骨折外固定護(hù)具上，利用SMP材料特性提升護(hù)具的使用性能，通過(guò)對(duì)護(hù)具的優(yōu)化設(shè)計(jì)體現(xiàn)出對(duì)骨折患者的人性化關(guān)懷。

一、橈骨遠(yuǎn)端骨折外固定護(hù)具研究

（一）橈骨遠(yuǎn)端骨折及癥狀表現(xiàn)

橈骨遠(yuǎn)端連接腕骨，是腕關(guān)節(jié)的重要組成部分，同時(shí)也是力學(xué)結(jié)構(gòu)中相對(duì)薄弱的地方，遇到很大的沖擊力時(shí)非常容易造成橈骨遠(yuǎn)端骨折。橈骨遠(yuǎn)端骨折[1]是指距離橈骨遠(yuǎn)端關(guān)節(jié)面約3cm之內(nèi)的骨折損傷，根據(jù)橈骨遠(yuǎn)端的結(jié)構(gòu)和“三柱理論”[2]，如圖1，進(jìn)行骨折外固定處理時(shí)最好保持橈骨部位和關(guān)節(jié)面呈平整狀態(tài)，利于傷病恢復(fù)。其臨床癥狀有壓痛、腫脹、功能障礙等，骨折后損傷部位及周?chē)鷷?huì)發(fā)生腫脹變化[3]。

（二）橈骨遠(yuǎn)端骨折護(hù)具人機(jī)分析

針對(duì)橈骨遠(yuǎn)端骨折損傷生物力學(xué)及心理進(jìn)行分析，指導(dǎo)護(hù)具的設(shè)計(jì)實(shí)踐。

在生理方面，為了最大程度地保證橈骨遠(yuǎn)端患處穩(wěn)定，護(hù)具的覆蓋范圍應(yīng)包括部分掌骨、腕骨、橈尺骨遠(yuǎn)端。參考《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)成年人手部號(hào)型》，計(jì)算掌長(zhǎng)、虎口食指叉距、尺側(cè)半掌寬、大魚(yú)際寬等數(shù)值作為建立模型的參考，圖2為手部測(cè)量尺寸。腕圍尺寸可參考標(biāo)準(zhǔn)人體各部位尺寸表，如表1。外固定護(hù)具在穩(wěn)定靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，受到的主要是來(lái)自軟組織給予護(hù)具的作用力，YAN等[4]將膜片壓力傳感器放置在關(guān)鍵的22個(gè)點(diǎn)上，并獲得了每個(gè)點(diǎn)力的大小值，數(shù)據(jù)顯示腕部區(qū)域的護(hù)具壓力值要大于其他區(qū)域，如圖3。因此，在護(hù)具的設(shè)計(jì)上需要根據(jù)壓力值的分布情況實(shí)現(xiàn)更好的固定效果。

在心理方面，設(shè)計(jì)[5，6]是為人的設(shè)計(jì)，了解人的需求、關(guān)注人的心理情感變化的設(shè)計(jì)行為符合現(xiàn)當(dāng)代設(shè)計(jì)特點(diǎn)。針對(duì)骨折患者心理上承受的巨大壓力，以及現(xiàn)有的外固定護(hù)具同質(zhì)化現(xiàn)象嚴(yán)重、不能根據(jù)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(fù)。積極心理學(xué)[7]能提升用戶幸福感，通過(guò)設(shè)計(jì)與心理學(xué)相結(jié)合，為患者帶來(lái)積極情緒體驗(yàn)，有利于患者的康復(fù)。

（三）設(shè)計(jì)要求

基于對(duì)橈骨遠(yuǎn)端骨折及癥狀表現(xiàn)、人機(jī)等分析，橈骨遠(yuǎn)端護(hù)具的設(shè)計(jì)要求主要包括穩(wěn)定作用、透氣作用、可調(diào)節(jié)作用以及美觀個(gè)性化設(shè)計(jì)。

二、脛骨中段骨折外固定護(hù)具研究

（一）脛骨中段骨折及癥狀表現(xiàn)

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(tái)以下至踝上之間骨骼發(fā)生斷裂。將脛骨分成三等份，中段三分之一處纖細(xì)，營(yíng)養(yǎng)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(fā)生脛骨骨折，如圖4。脛骨骨折的臨床表現(xiàn)為患肢疼痛、腫脹，也會(huì)有反常行為或者出現(xiàn)肢體畸形。其中腫脹癥狀[10]是因?yàn)楣钦蹞p傷后患處發(fā)生反應(yīng)性水腫，骨折斷裂出血和血液循環(huán)不順暢等造成的。因此當(dāng)在使用護(hù)具過(guò)程中出現(xiàn)腫脹情況要及時(shí)調(diào)節(jié)松緊。

（二）脛骨中段骨折護(hù)具人機(jī)分析

對(duì)脛骨中段骨折損傷生物力學(xué)及心理進(jìn)行分析，指導(dǎo)護(hù)具的設(shè)計(jì)實(shí)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(jiàn)的長(zhǎng)骨骨折，其三分之一處容易發(fā)生骨折。同時(shí)，脛骨的不同截面應(yīng)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(tài)下脛骨的應(yīng)力分布，結(jié)果證明在脛骨中部的應(yīng)力值要高于其他部位。因此，脛骨中部的作用力要大于周?chē)饔昧Α?yīng)用在脛骨中端骨折護(hù)具無(wú)須超過(guò)膝和踝關(guān)節(jié)。為了更加符合人體形態(tài)及使用需求，需要獲取相關(guān)的人體尺寸。設(shè)計(jì)護(hù)具時(shí)可參考人體的小腿長(zhǎng)、膝圍、小腿圍、踝上圍等數(shù)值。參考《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10000-1988中國(guó)成年人人體尺寸》和人體各部位尺寸表，對(duì)相應(yīng)人體部位尺寸在中位數(shù)附近進(jìn)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(gè)腿部的運(yùn)動(dòng)，從而對(duì)日?；顒?dòng)行為造成不便。同時(shí)，護(hù)具的同質(zhì)化現(xiàn)象和使用時(shí)不能根據(jù)每個(gè)人獨(dú)特的結(jié)構(gòu)及尺寸達(dá)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(fù)，因此，在護(hù)具的設(shè)計(jì)上需要從功能、材料和外觀等多個(gè)方面照顧到使用者的心理感受。

（三）設(shè)計(jì)要求

基于對(duì)脛骨中段骨折及癥狀表現(xiàn)、人機(jī)等分析，脛骨中段護(hù)具的設(shè)計(jì)要求主要包括穩(wěn)定作用、可調(diào)節(jié)作用、透氣作用以及美觀個(gè)性化設(shè)計(jì)。

三、4D打印工藝參數(shù)的控形研究

根據(jù)上述對(duì)橈骨遠(yuǎn)端、脛骨中段骨折損傷的分析和得出的設(shè)計(jì)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(hù)具的形變因素及形狀回復(fù)能力，為4D打印骨折護(hù)具的設(shè)計(jì)和使用過(guò)程提供參考。實(shí)驗(yàn)研究分為面、線、體等三部分，通過(guò)查閱資料，了解到加熱溫度、打印層厚、填充率等參數(shù)會(huì)對(duì)形變產(chǎn)生影響。

（一）面：工藝參數(shù)對(duì)形狀回復(fù)能力的影響

1.加熱溫度對(duì)形狀回復(fù)能力的影響

本研究中應(yīng)用的SMP材料屬于熱激勵(lì)型材料，即通過(guò)加熱使打印物體發(fā)生變形。由于護(hù)具是為人體可穿戴而設(shè)計(jì)，因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算SMP試樣在不同加熱溫度下的形狀回復(fù)率，試樣如圖5，研究加熱溫度與形狀回復(fù)能力之間的關(guān)系，探究其加熱溫度范圍是否符合人體的承受能力。一共進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)步驟為：（1）形成臨時(shí)形狀。將SMP試樣放入烤箱中等待溫度達(dá)到Tg以上，取出并利用工具輔助壓平試樣成180 ℃臨時(shí)形狀，冷卻固定臨時(shí)形狀；（2）加熱回復(fù)形狀。再將固定好的臨時(shí)試樣放入烤箱中，實(shí)驗(yàn)從10 ℃溫度開(kāi)始，并以10 ℃為單位增加，拍攝記錄不同溫度下的試樣變化過(guò)程（拍攝以試樣在回復(fù)過(guò)程中無(wú)明顯變化時(shí)結(jié)束）；（3）計(jì)算形狀回復(fù)率。形狀回復(fù)率Rt是指在無(wú)外力約束下的形狀回復(fù)過(guò)程中某一個(gè)時(shí)刻的回復(fù)程度，本文使用公式為：

在這個(gè)公式中，θo、θi和θt分別代表的是初始形狀、臨時(shí)形狀和回復(fù)時(shí)間t時(shí)試樣的彎曲角度[12]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為30℃～120 ℃范圍內(nèi)試樣可以發(fā)生變形。這意味著在加熱過(guò)程中避免了因溫度過(guò)高將會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生傷害的問(wèn)題。

2.打印層厚對(duì)形狀回復(fù)能力的影響

護(hù)具自身的厚度對(duì)傷病恢復(fù)、使用舒適度具有很大影響，而經(jīng)過(guò)4D打印護(hù)具的厚度不僅對(duì)傷病恢復(fù)、患者舒適度有關(guān)系，而且與形狀的回復(fù)能力也有關(guān)系。因此，通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算SMP試樣在不同打印層厚下的形狀回復(fù)率，研究打印層厚與形狀回復(fù)能力之間的關(guān)系，確定其基礎(chǔ)變形的功能性。一共進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟同上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為試樣在1～10mm打印層厚范圍內(nèi)可以發(fā)生變形，且當(dāng)厚度為3mm時(shí)，試樣具有較高的形狀回復(fù)率和良好的形狀回復(fù)能力。

3.填充率對(duì)形狀回復(fù)能力的影響

填充率是FDM打印成型技術(shù)中的一個(gè)參數(shù)設(shè)置，當(dāng)數(shù)值越小，越節(jié)省材料和時(shí)間，但會(huì)對(duì)打印精度產(chǎn)生影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)計(jì)算SMP試樣在不同填充率下的形狀回復(fù)率，研究填充率與形狀回復(fù)能力之間的關(guān)系。一共進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟同上。結(jié)果為20%～100%填充率范圍內(nèi)發(fā)生了變形，當(dāng)填充率為100%時(shí)，試樣有較高的形狀回復(fù)率和良好的形狀回復(fù)能力，同時(shí)具備了良好的打印質(zhì)量。

（二）線：工藝參數(shù)對(duì)形狀回復(fù)能力的影響

1.打印層厚對(duì)形狀回復(fù)能力的影響

實(shí)驗(yàn)拍攝記錄不同厚度的線性SMP附著到紙上所形成的復(fù)合試樣在加熱中的最終回復(fù)形狀，研究線性SMP復(fù)合試樣打印層厚與形狀回復(fù)能力之間的關(guān)系。一共進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟同上。在該組打印層厚范圍內(nèi)，2.5mm厚度的線性試樣展現(xiàn)了較好的形狀回復(fù)能力，如圖6。

2.填充率對(duì)形狀回復(fù)能力的影響

實(shí)驗(yàn)研究線性SMP復(fù)合試樣填充率與形狀回復(fù)能力之間的關(guān)系。填充率設(shè)置為20%、40%、60%、80%和100%，如圖11。一共進(jìn)行三組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟同上。當(dāng)填充率為40%時(shí)，具有相對(duì)良好的形狀回復(fù)能力。

（三）體：工藝參數(shù)對(duì)形狀回復(fù)能力的影響

1.打印層厚對(duì)打印試樣1回復(fù)能力的影響

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

2.孔徑大小對(duì)打印試樣1回復(fù)能力的影響

鏤空的設(shè)計(jì)可以使護(hù)具兼具透氣功能和美觀性，適宜的鏤空結(jié)構(gòu)處理將提升傷病的恢復(fù)速度。通過(guò)調(diào)節(jié)孔的大小來(lái)探究孔徑大小對(duì)形狀回復(fù)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(jié)果顯示大孔徑的試樣最終回復(fù)角度更大，回復(fù)能力更強(qiáng)。真實(shí)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，可以在透氣功能的實(shí)現(xiàn)上考慮鏤空結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且當(dāng)孔徑大小不影響護(hù)具基本固定功能的同時(shí)，大孔徑更有利于產(chǎn)品的回復(fù)效果。

3.打印層厚對(duì)打印試樣2回復(fù)能力的影響

打印立體模型試樣2，賦予模型不同的厚度進(jìn)行打印。探究打印層厚對(duì)形狀回復(fù)能力的影響，如圖8。在四個(gè)厚度值的實(shí)驗(yàn)中，厚度值最大的試樣，其最終的回復(fù)形狀更接近于原始形狀，如圖9。

（四）總結(jié)

在上述實(shí)驗(yàn)研究中，通過(guò)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(fù)能力。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，加熱溫度、打印層厚、填充率、分布數(shù)量（線）和孔徑大小對(duì)試樣的最終回復(fù)能力有不同程度的影響。根據(jù)試樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以證實(shí)該材料是可以在護(hù)具產(chǎn)品中進(jìn)行研究和應(yīng)用的。

四、骨折外固定護(hù)具的設(shè)計(jì)

（一）橈骨遠(yuǎn)端骨折外固定護(hù)具設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)要求

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于前期對(duì)橈骨遠(yuǎn)端骨折的分析，橈骨遠(yuǎn)端骨折外固定護(hù)具的形態(tài)設(shè)計(jì)需要結(jié)合人體腕關(guān)節(jié)構(gòu)造，并且在進(jìn)行橈骨遠(yuǎn)端骨折外固定處理時(shí)應(yīng)保持橈骨與關(guān)節(jié)面相平整。為了骨折斷裂處更好地吻合在一起，將護(hù)具的覆蓋范圍確定為包含部分掌骨、腕骨、橈尺骨遠(yuǎn)端。根據(jù)對(duì)橈骨遠(yuǎn)端的約束與載荷分析內(nèi)容，接近于腕關(guān)節(jié)部分的作用力大于護(hù)具的其他區(qū)域。

根據(jù)所研究材料的自適應(yīng)變形特點(diǎn)，通過(guò)厚度不均勻分布對(duì)透氣結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)可根據(jù)人體溫度發(fā)生自適應(yīng)變形。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，將可隨著人體溫度張開(kāi)的單元結(jié)構(gòu)的厚度設(shè)置為1mm，其他區(qū)域厚度為3mm，當(dāng)人體溫度升高單元結(jié)構(gòu)受熱張開(kāi)一定角度，其他區(qū)域仍然固定患處。

（2）尺寸確定

在之前對(duì)護(hù)具所包含的范圍中，與護(hù)具相關(guān)的尺寸如圖10。參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)成年人手部號(hào)型及回歸方程式計(jì)算出A和D的數(shù)值，其中A為98mm，D為30mm。B腕圍參考標(biāo)準(zhǔn)人體各部位尺寸表中的男性腕圍180mm。將E的長(zhǎng)度定為60mm，而C所在的前臂圍長(zhǎng)要大于腕圍。同時(shí)，開(kāi)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(yīng)于男女性的佩戴使用，將開(kāi)口距離確定為8mm。

2.方案設(shè)計(jì)

利用材料的形狀記憶特性和使用護(hù)具時(shí)可以達(dá)到良好的固定效果，將護(hù)具的形變機(jī)制確定為由符合橈骨遠(yuǎn)端結(jié)構(gòu)的三維形狀變成臨時(shí)的平面形狀，在使用時(shí)再回復(fù)至三維形狀的一個(gè)形狀記憶過(guò)程。當(dāng)護(hù)具在臨時(shí)平面形狀時(shí)，可以節(jié)省包裝空間、運(yùn)輸空間以及儲(chǔ)存空間。其中，設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)在：根據(jù)橈骨遠(yuǎn)端骨折固定的覆蓋范圍分析，在滿足固定患處的功能上，關(guān)注用戶的心理需求，遵循簡(jiǎn)潔且美觀的設(shè)計(jì)風(fēng)格，將其外觀方案確定為如圖11所示。

采用整體開(kāi)口結(jié)構(gòu)并將開(kāi)口設(shè)置在手掌方向，保證最終回復(fù)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(kāi)的單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成側(cè)面開(kāi)口和上方開(kāi)口兩種結(jié)構(gòu)，經(jīng)通過(guò)被試者佩戴，上方開(kāi)口的結(jié)構(gòu)可展開(kāi)角度較大，透氣效果較好，如圖11，13。同時(shí)，可張開(kāi)的單元結(jié)構(gòu)在接近于腕部的數(shù)量要少于其他區(qū)域，可以更好地穩(wěn)定患處。使用場(chǎng)景如圖14。

（二）脛骨中段骨折外固定護(hù)具的設(shè)計(jì)

1.設(shè)計(jì)要求

（1）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于前面對(duì)脛骨中段骨折損傷的分析，脛骨骨折外固定護(hù)具的結(jié)構(gòu)形態(tài)設(shè)計(jì)需要結(jié)合人體脛骨及小腿構(gòu)造。為了保證脛骨中段骨折穩(wěn)固愈合，最后將護(hù)具的覆蓋范圍分別向膝下圍和腳踝圍所在方向延長(zhǎng)。

基于對(duì)脛骨及小腿構(gòu)造的理解和由SMP材料打印護(hù)具的形變回復(fù)過(guò)程，同時(shí)參考橈骨遠(yuǎn)端骨折護(hù)具的設(shè)計(jì)方式，將開(kāi)口選擇設(shè)置在小腿后方，貫穿護(hù)具。脛骨護(hù)具選擇與橈骨遠(yuǎn)端骨折護(hù)具相同的肌理和自適應(yīng)透氣結(jié)構(gòu)。通過(guò)區(qū)分護(hù)具整體支架與內(nèi)部可展開(kāi)的“菱形”單元的不同厚度，將整體支架的厚度設(shè)置為3mm，內(nèi)部可展開(kāi)的“菱形”單元厚度設(shè)置為1mm，實(shí)現(xiàn)可根據(jù)人體溫度變化發(fā)生變形從而達(dá)到透氣的目的。

（2）尺寸確定

基于前面對(duì)脛骨人機(jī)分析，護(hù)具的覆蓋范圍超過(guò)脛骨中段，但不超過(guò)膝蓋和腳踝。參考《國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10000-1988中國(guó)成年人人體尺寸》及人體基本尺寸，最終將護(hù)具的長(zhǎng)度確定為320mm。由于不超過(guò)膝蓋，根據(jù)腿部結(jié)構(gòu)，護(hù)具上部的圍長(zhǎng)要小于膝蓋圍和小腿圍，確定為350mm，小腿圍為360mm，護(hù)具下部的圍長(zhǎng)參考腳踝圍但比腳踝圍稍大，確定為240mm。參考中國(guó)男女基本碼人體細(xì)節(jié)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(yīng)于男女性使用，將護(hù)具的開(kāi)口寬度設(shè)置為6mm。

2.方案設(shè)計(jì)

脛骨護(hù)具的變形機(jī)制與橈骨遠(yuǎn)端護(hù)具相同。具體的設(shè)計(jì)理念體現(xiàn)在：

根據(jù)脛骨中段骨折固定的覆蓋范圍和相關(guān)尺寸分析，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅滿足護(hù)具良好固定患處的功能，而且關(guān)注用戶的心理需求，遵循簡(jiǎn)潔且美觀的設(shè)計(jì)風(fēng)格，將其外觀方案確定為如圖15。

在可調(diào)節(jié)功能上將護(hù)具的開(kāi)口結(jié)構(gòu)設(shè)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(yīng)性，護(hù)具內(nèi)部的展開(kāi)部分的厚度設(shè)置為1mm，護(hù)具整體支架為3mm，當(dāng)人體溫度達(dá)到一定溫度時(shí)，內(nèi)部薄弱結(jié)構(gòu)可發(fā)生變形展開(kāi)一定角度，達(dá)到良好的透氣效果。針對(duì)之前對(duì)脛骨應(yīng)力分布分析，分布在脛骨中段的可展開(kāi)結(jié)構(gòu)少于其他區(qū)域。使用場(chǎng)景如圖16。

結(jié)語(yǔ)

本文立足于4D打印，利用熔融沉積成型技術(shù)和SMP材料應(yīng)用在骨折外固定護(hù)具。首先對(duì)橈骨遠(yuǎn)端骨折護(hù)具和脛骨中段骨折進(jìn)行了詳細(xì)分析，其次探究不同空間形態(tài)在加熱溫度、打印層厚、填充率等因素下的形狀回復(fù)能力。最后進(jìn)行護(hù)具優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)踐。最終的設(shè)計(jì)輸出根據(jù)患者的生理變化如腫脹及時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)關(guān)注患者心理需求進(jìn)行簡(jiǎn)介且具有美感的外觀設(shè)計(jì)，形狀變化實(shí)現(xiàn)了護(hù)具在運(yùn)輸、攜帶、佩戴等階段的輕便、多次利用及節(jié)省空間的目的。近些年來(lái)，4D打印材料漸漸被應(yīng)用在越來(lái)越多的領(lǐng)域，相信在不久以后，4D打印材料會(huì)有更廣闊的應(yīng)用前景。