CN111134417A - 一种基于足底压力分布和透气性的3d打印糖尿病足鞋垫及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于足底压力分布和透气性的3D打印糖尿病足鞋垫及其制备方法，通过对患者足底进行3D扫描，获取患者的足部模型和下鞋垫的形状；将患者的足部模型定位在鞋垫轮廓内，确定匹配患者足部的上鞋垫的形状；导入匹配患者足型的鞋垫轮廓和足底压力分布数据，确定匹配患者足部的间隔丝层的各区域内部形状和密度；最后完成糖尿病足鞋垫的打印。本发明通过采用由上鞋垫、间隔丝层和下鞋垫组成的三明治结构，采用镂空结构而非填充形式，通过在间隔丝层设置多种形状的间隔丝结构，在实现鞋垫载荷能力的梯度分布的同时，同时赋予鞋垫良好的透湿透气性能。

Description

一种基于足底压力分布和透气性的3D打印糖尿病足鞋垫及其 制备方法

技术领域

本发明涉及糖尿病足领域，具体地说，特别涉及到一种基于足底压力分布和透气性的3D打印糖尿病足鞋垫及其制备方法。

背景技术

糖尿病足，是糖尿病的主要慢性并发症之一。

糖尿病足患者的足底软组织弹性模量与正常人不同，导致足底应力分布较为集中，容易引起糖尿病足部溃疡。糖尿病患者局部足底压力异常变化及步态稳定性的改变是足溃疡发病风险的一个早期预测因子，且糖尿病足溃疡预后较差，截肢率高。因此早期的足底压力及步态分析和积极有效的平衡足底压力的措施，对促进糖尿病足溃疡的愈合有极大的帮助。

针对以上问题，现有的方法是为糖尿病足患者专门进行鞋垫和鞋具的设计，通过建立足部有限元模型及其各种不同属性不同形状的支具、鞋垫模型仿真计算足底压力和足底内部软组织应力再分布情况,从生物力学的角度为各种理疗支具、鞋垫的设计提供理论依据。

例如：申请号为201811426209.9的专利申请文件公开了一种3D打印糖尿病足鞋垫的制备方法，包括以下步骤：患者状况检查；患者足底部的3D扫描，获得足底部3D扫描数据；使用3D扫描仪扫描患者日常使用的鞋垫底面，获得鞋垫底面3D扫描数据；运用3D Max、netfabb软件，引入足底部3D扫描数据和鞋垫底面3D扫描数据，生成3D糖尿病足鞋垫模型数字文件，先形成全长型鞋垫，然后按足部矫形需要进行修正，获得最终3D糖尿病足鞋垫数据；使用3D打印机器根据最终3D糖尿病足鞋垫数据进行打印，获得3D糖尿病足鞋垫半成品；对3D糖尿病足鞋垫半成品进行细加工，获得3D糖尿病足鞋垫成品。

上述采用3D打印糖尿病足鞋垫的制备方法的缺陷在于：

1.3D打印糖尿病足鞋垫采用内部填充结构进行荷载能力的调整，鞋垫内部材料的填充密度与载荷能力呈正相关，内部材料的填充密度与透气性呈负相关，因此无法满足兼具载荷能力和透气性需求的患者脚型。

2.3D打印糖尿病足鞋垫的结构为上下两面贴合加工形成，其透气性差，容易滋生细菌、真菌，易加剧足部水肿，足趾间糜烂的问题。

综上所述，现有3D打印糖尿病足鞋垫仅考虑到糖尿病足患者的足底压力分布，并未考虑到鞋垫的透气性对糖尿病足部溃疡的影响，若在现有3D打印糖尿病足鞋垫上开设有透气结构，且必然会对其载荷能力造成影响，因此，有必要设计一种能兼顾载荷能力和透气性的3D打印糖尿病足鞋垫。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种基于足底压力分布和透气性的3D打印糖尿病足鞋垫及其制备方法，以解决现有技术中存在的问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

一种基于足底压力分布和透气性的3D打印糖尿病足鞋垫，包括上鞋垫和下鞋垫；在所述上鞋垫和下鞋垫设有间隔丝层，所述间隔丝层包括用于支撑受力集中区域的“8”形间隔丝结构、用于支撑中等受力区域的“X”形间隔丝结构、以及用于支撑低受力和边缘区域的“∩”形间隔丝结构。

进一步的，在所述3D打印糖尿病足鞋垫的表面设有多孔组织结构。

进一步的，所述上鞋垫和间隔丝层包括脚趾部分、前掌部分、后跟部分、足中部内测部分和足中部外侧部分。

进一步的，所述上鞋垫为毛圈组织，下鞋垫为纵横组织。

一种3D打印糖尿病足鞋垫的制备方法，包括如下步骤：

1)对患者足底进行3D扫描，采集患者足部骨骼-肌肉系统的医学影像数据，并对患者的足部进行建模，获取患者的足部模型和下鞋垫(2)的形状；

2)利用足底压力平板设备,采集患者站立和步行时足底压力分布数据；

3)将患者的足部模型定位在鞋垫轮廓内后，进行布尔运算，模拟足部踩在鞋垫后压缩形变的状态，确定匹配患者足部的上鞋垫(1)的形状；

4)导入匹配患者足型的鞋垫轮廓和足底压力分布数据，确定匹配患者足部的间隔丝层(3)的各区域内部形状和密度；

5)将上鞋垫(1)、间隔丝层(3)和下鞋垫(2)的数据导入切片软件获得切片轮廓信息，3D打印机根据切片轮廓信息完成糖尿病足鞋垫的打印。

进一步的，所述3D打印糖尿病足鞋垫的打印材料为包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、聚酰胺、热塑性聚氨酯、聚丙烯、聚乳酸和聚己内酯。

进一步的，在所述3D打印糖尿病足鞋垫的打印材料中添加有抗菌防臭剂，抗菌防臭剂为包括为三唑类、黄酮类、环状酯肽类、甾醇-多烯类、单萜和倍半萜类化合物，或包含银离子、硅酸锌、氧化铜和二氧化钛的纳米材料。

进一步的，所述3D打印的方法为熔融沉积快速成型法、选择性激光烧结法、选择性热烧结法和立体光固化法。

进一步的，还包括对制备的3D糖尿病足鞋垫的性能测试优化步骤，其方法如下：

9.1)测试3D糖尿病足鞋垫的回弹性、压缩变形和压缩疲劳性、透气透湿性；

9.2)利用计算机软件对3D打印糖尿病高危足用鞋垫的力学性能进行模拟和评估；

9.3)根据上述步骤的结构调节上鞋垫和下鞋垫和间隔丝层。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)通过采用由上鞋垫、间隔丝层和下鞋垫组成的三明治结构，采用镂空结构而非填充形式，通过在间隔丝层设置多种形状的间隔丝结构，在实现鞋垫载荷能力的梯度分布的同时，同时赋予鞋垫良好的透湿透气性能。

2)选用对糖尿病足有效的抗菌剂添加到3D打印材料中，应用工艺简单方便，产品性能稳定，且具有良好的抗菌效果。

3)根据糖尿病高危足人群个体特征不同而调节鞋垫厚度及镂空结构参数，针对糖尿病高危足病人骨骼异于常人的特点，实现个性化定制。

附图说明

图1为本发明所述的3D打印糖尿病足鞋垫的示意图。

图2为本发明所述的3D打印糖尿病足鞋垫的剖面图。

图3为本发明所述的上鞋垫、间隔丝层和下鞋垫的示意图。

图4为本发明所述的“8”形、“X”形和“∩”间隔丝结构示意图。

图5为本发明所述的糖尿病足的足底压力分布示意图。

图6为本发明所述的间隔丝层的俯视图。

图7为本发明所述的3D打印糖尿病足鞋垫的足底压力分布示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参见图1至图4，本发明所述的一种基于足底压力分布和透气性的3D打印糖尿病足鞋垫，包括上鞋垫(1)和下鞋垫(2)；在所述上鞋垫(1)和下鞋垫(2)设有间隔丝层(3)，所述间隔丝层(3)包括用于支撑受力集中区域的“8”形间隔丝结构、用于支撑中等受力区域的“X”形间隔丝结构、以及用于支撑低受力和边缘区域的“∩”形间隔丝结构。

在所述3D打印糖尿病足鞋垫的表面设有多孔组织结构。

所述上鞋垫(1)和间隔丝层(3)包括脚趾部分、前掌部分、后跟部分、足中部内测部分和足中部外侧部分。

所述上鞋垫(1)为毛圈组织，下鞋垫(2)为纵横组织。

一种3D打印糖尿病足鞋垫的制备方法，包括如下步骤：

1)对患者足底进行3D扫描，采集患者足部骨骼-肌肉系统的医学影像数据，并对患者的足部进行建模，获取患者的足部模型和下鞋垫(2)的形状；

2)利用足底压力平板设备,采集患者站立和步行时足底压力分布数据；

3)将患者的足部模型定位在鞋垫轮廓内后，进行布尔运算，模拟足部踩在鞋垫后压缩形变的状态，确定匹配患者足部的上鞋垫(1)的形状；

4)导入匹配患者足型的鞋垫轮廓和足底压力分布数据，确定匹配患者足部的间隔丝层(3)的各区域内部形状和密度；

5)将上鞋垫(1)、间隔丝层(3)和下鞋垫(2)的数据导入切片软件获得切片轮廓信息，3D打印机根据切片轮廓信息完成糖尿病足鞋垫的打印。

所述3D打印糖尿病足鞋垫的打印材料为包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、聚酰胺、热塑性聚氨酯、聚丙烯、聚乳酸和聚己内酯。

在所述3D打印糖尿病足鞋垫的打印材料中添加有抗菌防臭剂，抗菌防臭剂为包括为三唑类、黄酮类、环状酯肽类、甾醇-多烯类、单萜和倍半萜类化合物，或包含银离子、硅酸锌、氧化铜和二氧化钛的纳米材料。

所述3D打印的方法为熔融沉积快速成型法、选择性激光烧结法、选择性热烧结法和立体光固化法。

本发明还包括对制备的3D糖尿病足鞋垫的性能测试优化步骤，其方法如下：

8.1)测试3D糖尿病足鞋垫的回弹性、压缩变形和压缩疲劳性、透气透湿性；

8.2)利用计算机软件对3D打印糖尿病高危足用鞋垫的力学性能进行模拟和评估；

8.3)根据上述步骤的结构调节上鞋垫(1)和下鞋垫(2)和间隔丝层(3)。

实施例

本发明所述的基于足底压力分布和透气性的3D打印糖尿病足鞋垫的制备方法，其较佳的具体实施方式是：

1.利用Footscan三维足形扫描仪进行足型数据采集，鞋垫使用者赤脚站立扫描，调整脚部摆放位置，保持重心平衡、身体正直。通过软件将扫描仪扫描的脚部点云数据，输出为STL格式的足部模型。

2.鞋垫3D数字建模：根据三维足形扫描仪获取的脚长、第一跖趾部位长度、第五跖趾部位长度、第一跖趾里宽、第五跖趾外宽、腰窝里宽、腰窝外宽、脚趾宽度、踵心宽度，以及前后掌高度等指标推导出鞋垫楦型的建模。

利用足底压力平板设备,采集使用者站立和步行的足底压力区域分布，作为鞋垫密度分布的依据。

3.导入脚扫描STL文件到鞋垫的参数模型：将脚部扫描模型精确定位在鞋垫轮廓内后，进行布尔运算，模拟足部踩在鞋垫后压缩形变的状态，形成匹配个人足型的鞋垫上表面。

4.导入匹配患者足型的鞋垫轮廓和足底压力分布数据，确定匹配患者足部的间隔丝层(3)的各区域内部形状和密度。

鞋垫间隔丝形状包括“8”形间隔丝结构、“X”形间隔丝结构和“∩”间隔丝结构。密度参照足底压力设备的采集数据，或可根据足底的平均体重分配，正常约为后足60％、中足8％、前足28％、脚趾4％。

5.在Slic3r的3D打印切片程序中，创建AMF文件，导入匹配个人足型的鞋垫轮廓和足底压力载荷区域，切片并3D打印。

3D打印鞋垫优先采用操作简单、维护成本低的熔融沉积FDM制造打印机。将TPU与纳米银离子通过熔融混合、采用螺杆挤出的方式制备3D打印用柔性TPU线材，然后再在3D打印机中将改性TPU线材与PVA材料在喷头内被加热熔化。喷头沿零件截面轮廓和间隔丝轨迹运动，同时将熔化的材料挤出，材料迅速凝固，并与周围的材料凝结。材料线径为1.25mm，熔融温度为230℃，打印成型后，放入热水中溶解到PVA部分，得到个性化梯度结构的三明治镂空结构TPU鞋垫。以上所述的TPU线材的直径和成型温度均是本发明可能采用的一种，3D打印鞋底所采用的TPU线材的粒径和成型温度包含但不限于以上的可能。

采集一位糖尿病史3年具有可能患足溃疡的60岁男性患者的足底压力数据，得到结果如图5所示。在区域1部分患者的足底压力在34.0±10.4N/cm²范围内，区域2处患者的足底压力在23.9±7.5N/cm²范围内，区域3处患者的足底压力在15.6±11.7N/cm²范围内，区域4处患者的足底压力在7.8±5.2N/cm²范围内，同时考虑患者日常活动规律和新陈代谢速度，需满足一定的透气和透湿性，避免过高的温度和过大的湿度造成真菌大量繁殖及脚趾间摩擦力增大引起足部皮肤疾病。

将市面上现有糖尿病足用鞋垫产品和本发明所制产品性能做对比，可以得到如下结果：

其中：间隔织物1、2采用的是纤维素纤维，间隔织物3主要成份是涤纶纤维；本发明产品采用的是聚氨酯弹性材料，产品1、2、3是分别是“8”形间隔丝结构、“X”形间隔丝结构和“∩”间隔丝结构。

而普通的涤纶面料的透气率在205—335mm/s范围,麻的透气率在506—714mm/s。由此可见，本发明产品的透气和透湿性远比普通面料的好。同时对于间隔织物和现有3D打印产品而言，间隔丝密度越大，其透气率会随之下降，而本产品的透气率和透湿量主要受材料性能影响比较大，间隔丝密度变化影响较小。

采用同样的载荷对不同产品进行测试，得到如下结果：

产品名称	压缩线性度LC	压缩比功WC	压缩回弹性RC/％
				海绵	0.62	11.25	85
间隔织物1	0.73	22.31	98
				间隔织物2	0.76	23.21	97
普通汗布	0.34	0.712	39
				3D打印鞋垫	0.56	8.03	80
本发明产品	0.74	24.45	98

从上表可以看出：普通汗布的压缩性能最差，现有的3D打印鞋垫的压缩性能和海绵差不多甚至更差一些，而本发明产品和间隔织物的压缩性能比较接近，回弹性能较好。

现有的3D打印糖尿病足鞋垫采用内部填充结构，鞋垫内部材料的填充密度与载荷能力呈正相关，载荷能力随着填充密度的增大而增大；鞋垫内部材料的填充密度与透气性呈负相关，透气性随着填充密度的增大而减小，因此在针对于上述载荷能力和透气性均较高的糖尿病足患者脚型，现有的3D打印糖尿病足鞋垫无法同时满足。

本发明3D打印糖尿病足鞋的采用镂空结构，透气性能较好，能满足较高需求的糖尿病足患者脚型。本发明的荷载能力主要由对应区域的间隔丝形状相关，间隔丝的形状包括“8”形间隔丝结构、“X”形间隔丝结构和“∩”间隔丝结构；其中，“8”形间隔丝结构设置在足部因骨骼突出而压力集中处，以实现材料较好的高弹性和支撑效果。“X”形间隔丝结构设置在中等受力区域处，通过调节上下半径大小，层间距离、圆椎体的有效圈数、间隔丝的直径大小等指标来实现材料荷载能力的梯度变化。“∩”形间隔丝结构设置在边缘和受力较小区域处，为材料提供良好的舒适性和支撑力。

参见图5至图7，本发明所述的3D打印糖尿病足鞋垫通过足形扫描和软件的布尔运算得到完全符合穿着者脚型的鞋垫。站立时，脚对鞋面的不同受力区域具有不同形状的间隔丝分布，以达到定制的缓冲和支撑效果。鞋垫的表面和内部具有孔隙，以帮助空气流动提升透气性和刺激足底血液循环。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (9)

1.一种基于足底压力分布和透气性的3D打印糖尿病足鞋垫，包括上鞋垫(1)和下鞋垫(2)；其特征在于，在所述上鞋垫(1)和下鞋垫(2)设有间隔丝层(3)，所述间隔丝层(3)包括用于支撑受力集中区域的“8”形间隔丝结构、用于支撑中等受力区域的“X”形间隔丝结构、以及用于支撑低受力和边缘区域的“∩”形间隔丝结构。

2.根据权利要求1所述的基于足底压力分布和透气性的3D打印糖尿病足鞋垫，其特征在于，在所述3D打印糖尿病足鞋垫的表面设有多孔组织结构。

3.根据权利要求1基于足底压力分布和透气性的3D打印糖尿病足鞋垫，其特征在于，所述上鞋垫(1)和间隔丝层(3)包括脚趾部分、前掌部分、后跟部分、足中部内测部分和足中部外侧部分。

4.根据权利要求1基于足底压力分布和透气性的3D打印糖尿病足鞋垫，其特征在于，所述上鞋垫(1)为毛圈组织，下鞋垫(2)为纵横组织。

5.一种如权利要求1所述的3D打印糖尿病足鞋垫的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)对患者足底进行3D扫描，采集患者足部骨骼-肌肉系统的医学影像数据，并对患者的足部进行建模，获取患者的足部模型和下鞋垫(2)的形状；

2)利用足底压力平板设备,采集患者站立和步行时足底压力分布数据；

3)将患者的足部模型定位在鞋垫轮廓内后，进行布尔运算，模拟足部踩在鞋垫后压缩形变的状态，确定匹配患者足部的上鞋垫(1)的形状；

4)导入匹配患者足型的鞋垫轮廓和足底压力分布数据，确定匹配患者足部的间隔丝层(3)的各区域内部形状和密度；

5)将上鞋垫(1)、间隔丝层(3)和下鞋垫(2)的数据导入切片软件获得切片轮廓信息，3D打印机根据切片轮廓信息完成糖尿病足鞋垫的打印。

6.根据权利要求5所述的3D打印糖尿病足鞋垫的制备方法，其特征在于，所述3D打印糖尿病足鞋垫的打印材料为包括丙烯腈-丁二烯-苯乙烯塑料、聚酰胺、热塑性聚氨酯、聚丙烯、聚乳酸和聚己内酯。

7.根据权利要求6所述的3D打印糖尿病足鞋垫的制备方法，其特征在于，在所述3D打印糖尿病足鞋垫的打印材料中添加有抗菌防臭剂，抗菌防臭剂为包括为三唑类、黄酮类、环状酯肽类、甾醇-多烯类、单萜和倍半萜类化合物，或包含银离子、硅酸锌、氧化铜和二氧化钛的纳米材料。

8.根据权利要求5所述的3D打印糖尿病足鞋垫的制备方法，其特征在于，所述3D打印的方法为熔融沉积快速成型法、选择性激光烧结法、选择性热烧结法和立体光固化法。

9.根据权利要求5所述的3D打印糖尿病足鞋垫的制备方法，其特征在于，还包括对制备的3D糖尿病足鞋垫的性能测试优化步骤，其方法如下：

9.1)测试3D糖尿病足鞋垫的回弹性、压缩变形和压缩疲劳性、透气透湿性；

9.2)利用计算机软件对3D打印糖尿病高危足用鞋垫的力学性能进行模拟和评估；

9.3)根据上述步骤的结构调节上鞋垫(1)和下鞋垫(2)和间隔丝层(3)。

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