3D打印在矫形器领域的应用和研究进展△

郑 坤，宋 艳，邓 迁，王文豪，鲁德志，魏浩馨，王金武

（1.潍坊医学院康复医学院，山东潍坊261053；2.上海市骨科内植物重点实验室，上海交通大学医学院附属第九人民医院骨科，上海200011；3.西南交通大学医学院，四川成都610031）

随着3D打印技术在医学领域的快速发展，其除了广泛用于制作骨内植入物和人体生物组织外，也用于个性化定制矫形器。传统矫形器工艺繁琐，耗时费力，并且有佩戴者会出现皮肤溃烂、压疮等并发症；而3D打印在矫形器领域的运用解决了传统工艺带来的诸多不利因素和困扰。3D打印技术按成型方式分为材料挤出，粉末床融化，光聚合，层压和喷射几大类，为追求经济实用和耐久美观等目标，目前常用来制造矫形器的只是熔融沉积成型、选择性激光烧结、材料喷射和光固化成型这几种技术，而这些打印技术所用的材料，打印方法以及打印出来的成品在性质上也有差异［1］。

1 3D打印技术的成型方式

1.1 熔融沉积成型

熔融沉积成型 （fused deposition modeling，FDM）是热熔性的丝状材料加热熔化后通过喷嘴将材料挤压出来，按照预先设置的打印参数，逐层在成型平台上凝固成所需形状的打印技术。目前FDM打印是3D打印矫形器中最常使用的一种，它材料价格低，抗机械应力强，耐腐蚀，并且不需要做过多的后期处理，减少了成本。但该技术打印尺寸精度较低，因此打印模型表面质量粗糙，光洁度不高，且成型的速度慢。FDM打印技术常使用的材料是ABS塑料、聚碳酸酯（PC）和聚乳酸（PLA）等。目前，FDM打印技术已经广泛用于制造上下肢矫形器。

在上肢矫形器运用方面，Nam等［2］利用FDM技术为烧伤患者个性化制作了手指矫形器，该矫形器与传统的夹板相比，成本更低，重量更轻，既减轻了患者的负担也增加了矫正效果。熔丝制造打印技术（fused filament fibrication,FFF）是一种原理类似于FDM打印的技术，Fernandez-Vicente等［3］用该方法制作了3D打印的拇指矫形器，用化学药品对其处理后，粗糙的表面变得光滑且坚固，打印时间和费用也明显降低。在下肢矫形器运用方面，有研究者认为足下垂患者在穿上FFF打印的或是传统的踝足矫形器（ankle-foot orthoses,AFO）步行时速度会比不穿情况下更快，且患者更喜欢穿轻便的3D打印矫形器［4］。另外，Walbran等［5］用 FDM制造了一种合成式AFO，该AFO由三部分构成，并且不同硬度系数的弹簧供不同程度的足下垂患者选择，为患者在行走和活动时提高了舒适和方便性。

1.2 选择性激光烧结

选择性激光烧结（selective laser sintering,SLS）是指用计算机操控下的红外激光对成型平台上逐层铺上的粉末材料进行烧结，最终堆层成型。该项技术有材料种类多，利用率高，不需要支撑结构，成型时间快等优点。缺点在于维护成本高，打印预热和冷却时间长，且制作的模型表面质量不高。该技术常使用的是尼龙（聚酰胺）材料以及其它热塑性材料。SLS技术在矫形领域的应用也较为广泛，常用于制造下肢和脊柱矫形器。

在下肢矫形器方面，Creylman等［6］将SLS打印的AFO与传统AFO进行了步态分析，发现两种矫形器对患者步态改善的效果相似，鉴于SLS技术更加个性化和快速的特点，因此SLS替代传统方式制作AFO是可行的，但同时也存在耐用性和硬度不足的缺陷［7］。Salles等［8］将 SLS 打印的矫形鞋垫与传统鞋垫进行对比，认为个性化定制的矫形鞋垫可减少患者行走时踝关节外翻角度和足跟的压力，而增加舒适度和安全性。在脊柱矫形器方面，SLS技术可以无支撑打印尺寸较大的矫形器，并且制作脊柱侧弯矫形器的效率高于FDM和SLA技术。国内上海九院王金武团队就利用SLS技术和尼龙材料，为患者制作3D打印脊柱侧弯矫形器，厚度4 mm；采用的镂空设计方法不仅使矫形器增加了透气性，而且在重量上较传统矫形器减少了8%～10%，如今已大量运用于临床患者并取得了明显的矫正效果。

1.3 材料喷射技术

材料喷射（material jetting,MJ）的原理是先在打印床上铺放一层树脂材料，再进行光照固化，重复此步骤，逐层成型。材料喷射中最常用于矫形器制造的技术是Polyjet以及多射流熔融技术。两者都有成型速度快、产品精度高的特点，其中Polyjet还能喷射多种不同的材料制成含多种颜色的产品。但这类打印技术也存在制造模具强度和硬度较差的缺点，因此多用于制造模型零件，在矫形器领域仅有少量运用。

因为该技术打印制造的产品强度不高，因此大多是制造手腕矫形器。Cazon等［9］将3D打印多材料的手腕矫形器（Polyjet）和传统矫形器进行比较，结果表明3D打印手腕矫形器在活动能力和力学方面都强于传统的矫形器。有研究将手腕矫形器分为两个部分制作，由Polyjet打印内部结构和传统注射成型制作外部结构，内部结构固定在外部结构上，解决了矫形器通风不好和硬度不够的问题［10］。Liu等［11］用多射流熔融技术和PA12材料为脑卒中偏瘫患者打印了踝足矫形器，进行步态分析后显示患者的步速、步幅和步频率都有所改善，表明了该方法制作踝足矫形器的可行性及优势。

1.4 立体光固化成型

立体光固化成型（stereo lithography appearance,SLA）是指由计算机控制的激光光束对槽中的液态光敏树脂进行逐层扫描照射成型，然后去除多余树脂和支撑，二次固化后形成最终的产品。SLA能打印结构复杂的产品并且有精度高、表面光滑的特点，但也存在可用材料种类少、需后期处理、以及制作成本高的缺点。

因SLA制作成本相对较高，所以研究较少。在工艺方面，相较于SLS和FDM打印的AFO，有学者认为SLA是最适合制造AFO的技术［12］。然而，从成本花费方面考虑，Lin等［13］认为SLA打印的手臂夹板虽拥有良好的硬度和稳定性，但没有传统制作的经济实惠，因此下一步研究的重点应该积极研发和改进该技术，寻找更多的可用材料，从而降低成本。

2 3D打印矫形器与打印材料

3D打印矫形器中常常使用的材料是ABS、PLA、尼龙、光敏树脂和混合材料，不同的矫形器功能也跟材料的选择和性能密切相关。Chen等［14］认为ABS材料的拉伸模量超过2 000 Mpa，它制成的手腕矫形器可能会对皮肤产生不适，因此使用拉伸模量为1 300的聚丙烯和尼龙为桡、尺骨折的患者打印手腕矫形器。另外，使用PLA材料，不仅可回收利用，而且能打印具有人体皮肤生物相容性和防水的手臂矫形器，减少了材料浪费［15］。

如今，随着3D打印机的优化和材料学的发展，3D打印矫形器已不完全局限于使用单一材料来进行制造。已有学者探索了混合材料制作的矫形器，混合材料的使用可以提高矫形器的强度、耐热、抗应力和吸水性等［16］。Tao 等［17］使用了 TPU/PLA 混合材料，并发现两者按25%/75%的比例混合制作的矫形器柔韧性最好，适合用于FDM打印制作的矫形器。而Varga等［18］则运用了PLA-CaCO3复合材料为骨折患者打印出重量轻，防水和韧性强的手腕夹板。Polyjet打印技术因其独特的优势，可以使用多种材料打印出同时拥有不同韧性和强度性能的矫形器，Gorski等［19］用Polyjet和双喷头打印机以一道工序打印出硬度性高（PLA）和柔软性好（ABS）的手腕矫形器，拥有了更好的抗压能力和舒适感。多材料和混合材料的使用，不仅增加了矫形器的功能和设计类型，而且让患者有了更好的佩戴体验。

3 3D打印矫形器与打印参数

3D打印的样品性能和质量的不同大多在于打印参数的设置，根据不同设置的数值，可以进行不同的打印路线而制作出不同的样品形状。

在FDM技术中，挤出材料长丝的宽厚，方向，路径以及材料间的粘稠等参数影响着打印的机械性能；激光大小，扫描快慢以及粉末分布是影响激光烧结过程的主要参数；另外，材料颗粒的大小和形状、沉积速度、粉末与粘合剂之间的相互作用在喷射打印中起着重要作用。有学者发现，不同材料填充率或打印厚度有不同的材料力学性能，3D打印矫形器的抗拉强度和硬度会受填充率和打印层厚的影响［20］。Lin等［21］认为不同打印方向制造的3D打印足部矫形器会产生不同的力学性能。他们对三种不同打印方向（0°，45°，90°）制作的足部矫形器进行了机械性能和生物力学性能研究，测试表明在45°方向上打印时，矫形器有最好的抗压强度和刚度。

4 3D打印矫形器与生物力学

3D打印矫形器的生物力学评估主要体现在步态分析，矫形器形状设计参数改变以及对人体压力分布分析方面。有研究者对AFO不同的支撑轴刚度的变化做了探索，表明这些改变对步态的影响很小［22］。但当改变足部矫形器后足外侧形状时，会对膝盖以上的肌群活动以及足底压力带来改变［23］。Xu等［24］对3D打印的鞋垫做了足底压力测试，发现打印的鞋垫可以减少跖骨和足跟区域的压力，而增加中足区域的压力［25］，这对足部疾病的治疗有积极作用。

有限元分析可用于矫形器的虚拟化设计和矫正效果的模拟。有学者在CAD/CAM过程中加入有限元对3D打印矫形器进行优化设计，以及对穿戴后的矫正效果进行模拟，从而设计出更加轻便透气、精准舒适的矫形器［26］。Clin等［27］运用有限元对 15种不同影响因素下虚拟制作的10 000多种脊柱侧弯矫形器进行矫正效果分析，更好地了解了矫形器的生物力学特性，同时合理优化了矫形器的设计。有学者将有限元运用于鞋垫设计，并将优化设计后的鞋垫与传统鞋垫进行比较后表明，优化后的鞋垫增加了中足的压力，而降低了前足底的压力，因此可以降低足底溃疡的发生率［28］。此外，有限元还能通过模拟不同打印填充率下材料的硬度和抗压强度，从而打印出耐久度和舒适度更好的矫形器［20］。

5 小结与展望

虽然3D打印矫形器凭借其轻巧、个性化、制作快等优点已在临床上广泛应用，然而其实际应用方式仍需进一步探索和改进。计算机辅助设计往往需要临床医生以外的专业技术人员进行建模和修改，造成了医疗团队对其过于依赖的问题，此外设计和制造3D矫形器的工序花费也普遍高于传统矫形器的成本，与临床应用的期待仍有差距。在目前国家高度重视3D打印的政策背景下，未来一定会有更多的高校、医疗单位及企业携手研发功能更好的3D打印机和更多的打印材料，从而制造出成本更低、耐久性更好的矫形器。此外，3D打印技术也会引入云计算、人工智能等一体化和智能化制造理念，在矫形制造领域更加成熟化和实用化。