4D打印材料在骨折护具中的设计研究

黄岩 杨洪君

关键词：4D打印 形状记忆聚合物 形状记忆行为 骨折外固定护具 人性化

引言

随着现代人们生活质量的提高，人们对日常生活用品的需求不再随着世界快速发展，新技术与新材料的出现不断改变着我们的生活和生产方式。2013年，麻省理工学院的Tibbits教授正式提出了4D打印的概念。4D打印是指智能材料经过3D打印出来的模型随着时间的变化在不同激励因素下发生形状变化。通过查阅资料，在4D打印的研究中，熔融沉积技术（FDM）因其成型速度快、成本相对较低和应用材料广泛等特点成为应用较多的打印技术，形状记忆聚合物（SMP）及其复合材料因其成本较低、生产较容易、玻璃化温度可调节等优势成为被研究较多的一类材料，而应用领域主要集中在生物医疗、软体机器人、航空航天和柔性电子等领域。

骨折在损伤程度上属于较严重的一种，外固定护具是骨折患者在康复期间的重要用品，其主要功能是用来稳定骨折患处，促进断裂骨骼愈合。经查阅，骨折外固定护具的创新研究主要体现在应用材料，例如通过传统的石膏和小夹板、金属条、树脂绷带及SMP材料等进行外固定治療。但是，目前的骨折外固定用品依然存在着塑形效果不好、透气性和调节性差以及不够美观等不足之处。本文将4D打印SMP材料应用在骨折外固定护具上，利用SMP材料特性提升护具的使用性能，通过对护具的优化设计体现出对骨折患者的人性化关怀。

一、桡骨远端骨折外固定护具研究

（一）桡骨远端骨折及症状表现

桡骨远端连接腕骨，是腕关节的重要组成部分，同时也是力学结构中相对薄弱的地方，遇到很大的冲击力时非常容易造成桡骨远端骨折。桡骨远端骨折[1]是指距离桡骨远端关节面约3cm之内的骨折损伤，根据桡骨远端的结构和“三柱理论”[2]，如图1，进行骨折外固定处理时最好保持桡骨部位和关节面呈平整状态，利于伤病恢复。其临床症状有压痛、肿胀、功能障碍等，骨折后损伤部位及周围会发生肿胀变化[3]。

（二）桡骨远端骨折护具人机分析

针对桡骨远端骨折损伤生物力学及心理进行分析，指导护具的设计实践。

在生理方面，为了最大程度地保证桡骨远端患处稳定，护具的覆盖范围应包括部分掌骨、腕骨、桡尺骨远端。参考《国家标准成年人手部号型》，计算掌长、虎口食指叉距、尺侧半掌宽、大鱼际宽等数值作为建立模型的参考，图2为手部测量尺寸。腕围尺寸可参考标准人体各部位尺寸表，如表1。外固定护具在稳定静止状态时，受到的主要是来自软组织给予护具的作用力，YAN等[4]将膜片压力传感器放置在关键的22个点上，并获得了每个点力的大小值，数据显示腕部区域的护具压力值要大于其他区域，如图3。因此，在护具的设计上需要根据压力值的分布情况实现更好的固定效果。

在心理方面，设计[5，6]是为人的设计，了解人的需求、关注人的心理情感变化的设计行为符合现当代设计特点。针对骨折患者心理上承受的巨大压力，以及现有的外固定护具同质化现象严重、不能根据每位患者的需求使用等一系列情况都不利于患者伤病的良好恢复。积极心理学[7]能提升用户幸福感，通过设计与心理学相结合，为患者带来积极情绪体验，有利于患者的康复。

（三）设计要求

基于对桡骨远端骨折及症状表现、人机等分析，桡骨远端护具的设计要求主要包括稳定作用、透气作用、可调节作用以及美观个性化设计。

二、胫骨中段骨折外固定护具研究

（一）胫骨中段骨折及症状表现

胫骨[8，9]是小腿双骨之一，是小腿的主要承重部位。胫骨骨折指的是胫骨平台以下至踝上之间骨骼发生断裂。将胫骨分成三等份，中段三分之一处纤细，营养血管少，软组织覆盖少，因此胫骨中段容易在遭受到一些较大的冲击力后发生胫骨骨折，如图4。胫骨骨折的临床表现为患肢疼痛、肿胀，也会有反常行为或者出现肢体畸形。其中肿胀症状[10]是因为骨折损伤后患处发生反应性水肿，骨折断裂出血和血液循环不顺畅等造成的。因此当在使用护具过程中出现肿胀情况要及时调节松紧。

（二）胫骨中段骨折护具人机分析

对胫骨中段骨折损伤生物力学及心理进行分析，指导护具的设计实践，保证患者的使用合理性和舒适性。

在生理方面，胫骨骨折是常见的长骨骨折，其三分之一处容易发生骨折。同时，胫骨的不同截面应力分布是不均匀的，廖东华等[11]利用有限元方法分析了士兵在齐步、正步和跑步等三种步态下胫骨的应力分布，结果证明在胫骨中部的应力值要高于其他部位。因此，胫骨中部的作用力要大于周围作用力。应用在胫骨中端骨折护具无须超过膝和踝关节。为了更加符合人体形态及使用需求，需要获取相关的人体尺寸。设计护具时可参考人体的小腿长、膝围、小腿围、踝上围等数值。参考《国家标准GB/T 10000-1988中国成年人人体尺寸》和人体各部位尺寸表，对相应人体部位尺寸在中位数附近进行考虑，如表2。

在心理方面，胫骨中段的骨折直接影响到整个腿部的运动，从而对日常活动行为造成不便。同时，护具的同质化现象和使用时不能根据每个人独特的结构及尺寸达到良好的固定效果，加剧了患者的情绪化。积极且健康的情绪有助于伤病的快速恢复，因此，在护具的设计上需要从功能、材料和外观等多个方面照顾到使用者的心理感受。

（三）设计要求

基于对胫骨中段骨折及症状表现、人机等分析，胫骨中段护具的设计要求主要包括稳定作用、可调节作用、透气作用以及美观个性化设计。

三、4D打印工艺参数的控形研究

根据上述对桡骨远端、胫骨中段骨折损伤的分析和得出的设计要求，将利用形状记忆聚合物材料（SMP）打印试样，探究影响4D打印骨折外固定护具的形变因素及形状回复能力，为4D打印骨折护具的设计和使用过程提供参考。实验研究分为面、线、体等三部分，通过查阅资料，了解到加热温度、打印层厚、填充率等参数会对形变产生影响。

（一）面：工艺参数对形状回复能力的影响

1.加热温度对形状回复能力的影响

本研究中应用的SMP材料属于热激励型材料，即通过加热使打印物体发生变形。由于护具是为人体可穿戴而设计，因此，通过实验计算SMP试样在不同加热温度下的形状回复率，试样如图5，研究加热温度与形状回复能力之间的关系，探究其加热温度范围是否符合人体的承受能力。一共进行三组实验，每组实验步骤为：（1）形成临时形状。将SMP试样放入烤箱中等待温度达到Tg以上，取出并利用工具辅助压平试样成180 ℃临时形状，冷却固定临时形状；（2）加热回复形状。再将固定好的临时试样放入烤箱中，实验从10 ℃温度开始，并以10 ℃为单位增加，拍摄记录不同温度下的试样变化过程（拍摄以试样在回复过程中无明显变化时结束）；（3）计算形状回复率。形状回复率Rt是指在无外力约束下的形状回复过程中某一个时刻的回复程度，本文使用公式为：

在这个公式中，θo、θi和θt分别代表的是初始形状、临时形状和回复时间t时试样的弯曲角度[12]。实验结果为30℃～120 ℃范围内试样可以发生变形。这意味着在加热过程中避免了因温度过高将会对人体产生伤害的问题。

2.打印层厚对形状回复能力的影响

护具自身的厚度对伤病恢复、使用舒适度具有很大影响，而经过4D打印护具的厚度不仅对伤病恢复、患者舒适度有关系，而且与形状的回复能力也有关系。因此，通过实验计算SMP试样在不同打印层厚下的形状回复率，研究打印层厚与形状回复能力之间的关系，确定其基础变形的功能性。一共进行三组实验，实验步骤同上。实验结果为试样在1～10mm打印层厚范围内可以发生变形，且当厚度为3mm时，试样具有较高的形状回复率和良好的形状回复能力。

3.填充率对形状回复能力的影响

填充率是FDM打印成型技术中的一个参数设置，当数值越小，越节省材料和时间，但会对打印精度产生影响。通过实验计算SMP试样在不同填充率下的形状回复率，研究填充率与形状回复能力之间的关系。一共进行三组实验，实验步骤同上。结果为20%～100%填充率范圍内发生了变形，当填充率为100%时，试样有较高的形状回复率和良好的形状回复能力，同时具备了良好的打印质量。

（二）线：工艺参数对形状回复能力的影响

1.打印层厚对形状回复能力的影响

实验拍摄记录不同厚度的线性SMP附着到纸上所形成的复合试样在加热中的最终回复形状，研究线性SMP复合试样打印层厚与形状回复能力之间的关系。一共进行三组实验，实验步骤同上。在该组打印层厚范围内，2.5mm厚度的线性试样展现了较好的形状回复能力，如图6。

2.填充率对形状回复能力的影响

实验研究线性SMP复合试样填充率与形状回复能力之间的关系。填充率设置为20%、40%、60%、80%和100%，如图11。一共进行三组实验，实验步骤同上。当填充率为40%时，具有相对良好的形状回复能力。

（三）体：工艺参数对形状回复能力的影响

1.打印层厚对打印试样1回复能力的影响

打印立体模型试样1，探究打印层厚对形状回复能力的影响，如图7。其中，试样的厚度为变量，孔径为定量。结果显示厚度值最大的试样，其最终的回复形状更接近于原始形状。

2.孔径大小对打印试样1回复能力的影响

镂空的设计可以使护具兼具透气功能和美观性，适宜的镂空结构处理将提升伤病的恢复速度。通过调节孔的大小来探究孔径大小对形状回复能力的影响。孔径为变量，厚度为定量，将孔径分成小孔、中孔及大孔。结果显示大孔径的试样最终回复角度更大，回复能力更强。真实产品设计中，可以在透气功能的实现上考虑镂空结构设计，并且当孔径大小不影响护具基本固定功能的同时，大孔径更有利于产品的回复效果。

3.打印层厚对打印试样2回复能力的影响

打印立体模型试样2，赋予模型不同的厚度进行打印。探究打印层厚对形状回复能力的影响，如图8。在四个厚度值的实验中，厚度值最大的试样，其最终的回复形状更接近于原始形状，如图9。

（四）总结

在上述实验研究中，通过打印分别由线、面、体组成的形状记忆聚合物材料试样，探究打印试样在不同影响因素下的形状回复能力。经过实验验证，加热温度、打印层厚、填充率、分布数量（线）和孔径大小对试样的最终回复能力有不同程度的影响。根据试样实验结果可以证实该材料是可以在护具产品中进行研究和应用的。

四、骨折外固定护具的设计

（一）桡骨远端骨折外固定护具设计

1.设计要求

（1）结构设计

基于前期对桡骨远端骨折的分析，桡骨远端骨折外固定护具的形态设计需要结合人体腕关节构造，并且在进行桡骨远端骨折外固定处理时应保持桡骨与关节面相平整。为了骨折断裂处更好地吻合在一起，将护具的覆盖范围确定为包含部分掌骨、腕骨、桡尺骨远端。根据对桡骨远端的约束与载荷分析内容，接近于腕关节部分的作用力大于护具的其他区域。

根据所研究材料的自适应变形特点，通过厚度不均匀分布对透气结构进行创新设计，实现可根据人体温度发生自适应变形。实验验证，将可随着人体温度张开的单元结构的厚度设置为1mm，其他区域厚度为3mm，当人体温度升高单元结构受热张开一定角度，其他区域仍然固定患处。

（2）尺寸确定

在之前对护具所包含的范围中，与护具相关的尺寸如图10。参考国家标准成年人手部号型及回归方程式计算出A和D的数值，其中A为98mm，D为30mm。B腕围参考标准人体各部位尺寸表中的男性腕围180mm。将E的长度定为60mm，而C所在的前臂围长要大于腕围。同时，开口的间距以男女性的腕围作为参考，男性的平均腕围为180mm，女性的平均腕围为160mm，为了适应于男女性的佩戴使用，将开口距离确定为8mm。

2.方案設计

利用材料的形状记忆特性和使用护具时可以达到良好的固定效果，将护具的形变机制确定为由符合桡骨远端结构的三维形状变成临时的平面形状，在使用时再回复至三维形状的一个形状记忆过程。当护具在临时平面形状时，可以节省包装空间、运输空间以及储存空间。其中，设计理念体现在：根据桡骨远端骨折固定的覆盖范围分析，在满足固定患处的功能上，关注用户的心理需求，遵循简洁且美观的设计风格，将其外观方案确定为如图11所示。

采用整体开口结构并将开口设置在手掌方向，保证最终回复形状能够最大程度地接近于原始形状，如图12。将可随着温度张开的单元结构设计成侧面开口和上方开口两种结构，经通过被试者佩戴，上方开口的结构可展开角度较大，透气效果较好，如图11，13。同时，可张开的单元结构在接近于腕部的数量要少于其他区域，可以更好地稳定患处。使用场景如图14。

（二）胫骨中段骨折外固定护具的设计

1.设计要求

（1）结构设计

基于前面对胫骨中段骨折损伤的分析，胫骨骨折外固定护具的结构形态设计需要结合人体胫骨及小腿构造。为了保证胫骨中段骨折稳固愈合，最后将护具的覆盖范围分别向膝下围和脚踝围所在方向延长。

基于对胫骨及小腿构造的理解和由SMP材料打印护具的形变回复过程，同时参考桡骨远端骨折护具的设计方式，将开口选择设置在小腿后方，贯穿护具。胫骨护具选择与桡骨远端骨折护具相同的肌理和自适应透气结构。通过区分护具整体支架与内部可展开的“菱形”单元的不同厚度，将整体支架的厚度设置为3mm，内部可展开的“菱形”单元厚度设置为1mm，实现可根据人体温度变化发生变形从而达到透气的目的。

（2）尺寸确定

基于前面对胫骨人机分析，护具的覆盖范围超过胫骨中段，但不超过膝盖和脚踝。参考《国家标准GB/T 10000-1988中国成年人人体尺寸》及人体基本尺寸，最终将护具的长度确定为320mm。由于不超过膝盖，根据腿部结构，护具上部的围长要小于膝盖围和小腿围，确定为350mm，小腿围为360mm，护具下部的围长参考脚踝围但比脚踝围稍大，确定为240mm。参考中国男女基本码人体细节尺寸，男子小腿围平均为360mm，女子小腿围平均为340mm。因此，为了适应于男女性使用，将护具的开口宽度设置为6mm。

2.方案设计

胫骨护具的变形机制与桡骨远端护具相同。具体的设计理念体现在：

根据胫骨中段骨折固定的覆盖范围和相关尺寸分析，在设计过程中，不仅满足护具良好固定患处的功能，而且关注用户的心理需求，遵循简洁且美观的设计风格，将其外观方案确定为如图15。

在可调节功能上将护具的开口结构设置在小腿后部，宽度为6mm，适用于不同人群，具体尺寸如图15。在透气性上利用材料的自适应性，护具内部的展开部分的厚度设置为1mm，护具整体支架为3mm，当人体温度达到一定温度时，内部薄弱结构可发生变形展开一定角度，达到良好的透气效果。针对之前对胫骨应力分布分析，分布在胫骨中段的可展开结构少于其他区域。使用场景如图16。

结语

本文立足于4D打印，利用熔融沉积成型技术和SMP材料应用在骨折外固定护具。首先对桡骨远端骨折护具和胫骨中段骨折进行了详细分析，其次探究不同空间形态在加热温度、打印层厚、填充率等因素下的形状回复能力。最后进行护具优化设计实践。最终的设计输出根据患者的生理变化如肿胀及时进行调节，同时关注患者心理需求进行简介且具有美感的外观设计，形状变化实现了护具在运输、携带、佩戴等阶段的轻便、多次利用及节省空间的目的。近些年来，4D打印材料渐渐被应用在越来越多的领域，相信在不久以后，4D打印材料会有更广阔的应用前景。