下肢假肢3D打印技术路线的标准化路径探索

摘要：本文探讨了下肢假肢3D打印技术路线的标准化路径。首先介绍了当前下肢假肢制造的主要优势。然后，根据下肢假肢的特点按照3D打印技术提出了一种标准化实现路径，包括下肢3D扫描、3D设计、3D打印和装配等步骤，并对每个步骤进行了详细的说明。最后，本文讨论了标准化路径的实施对下肢假肢制造的潜在影响，并展望了未来的发展方向。本文的研究为下肢假肢制造的标准化提供了有用的参考和指导，有望为推动下肢假肢制造技术的发展做出贡献。

关键词：下肢假肢；3D打印；假肢接受腔

随着3D打印技术的发展，3D打印在医学领域的应用越来越广泛。在医学教育方面，3D打印技术可以打印出精确的人体器官和骨骼结构，供医学学生和外科医生进行手术模拟和手术实践。同时，3D打印技术还可以打印出各种实验药物和生物组织，用于医学研究和药物试验。另外，3D打印技术在外科手术中也得到了广泛应用。医生可以利用3D打印模型来更好地了解患者的解剖结构，从而更精准地进行手术【1】。此外，3D打印技术还可以打印出个性化的手术器械和手术导板，使手术更加安全和精确。在牙科领域，3D打印技术可以用来制造牙齿的模型、矫正器和种植物等。通过3D打印技术，医生可以更快速和便捷地为患者做出定制的牙齿和矫正器，降低医疗成本并提高患者的治疗体验。在假肢制作方面，3D打印技术可以打印出高度个性化的下肢假肢和假肢部件，这些假肢能够更好地适应患者的身体结构，提高患者的生活质量和舒适度，同时也减少了下肢假肢制造的成本和时间【2】。

一、3D打印下肢假肢的主要优势。

1、精度和重复性。3D打印技术的主要优势之一是高精度和重复性。利用传统的手工石膏工艺制造方法制造假肢需要耗费大量时间和人工，而通过3D打印技术制造可实现精准控制和形状的高度一致性，既生产的各种假肢部件的尺寸和形状的准确性和一致性【3】。

2、个性化定制。传统制造方法不能满足每个人的个性化要求，这是3D打印技术在假肢制造方面所具有的另一个显著优势。通过3D打印技术，定制假肢的过程具有更高的灵活性和自适应性，以满足每个人的独特需求。这意味着医生或技师可以在计算机辅助设计软件的帮助下创建各种假肢模型，可以为假肢添加艺术性和个性化特征，如弧形、彩色和有趣的图案。患者可以在假肢表面添加自己喜欢的图案和文字，以展示自己的个人风格和生活方式，这些模型可以被3D打印机制造出来，保证了假肢与患者的身体结构之间的完美契合，增加了患者使用假肢的舒适性和耐用性【4】。另外通过极简化部件设计，3D打印技术可以制造更复杂的几何形状，致力于降低制造时所需的部件数量。与传统的假肢制造方法相比，利用3D打印技术制造的假肢可以使得整体结构更为紧凑和精简，提供了更好的触觉和使用体验。

3、成本效益。3D打印技术的使用降低了患者和假肢制作公司的假肢制造成本。与传统的手工技术相比，大批量的3D打印技术可以减少人力成本、材料成本和制造时间。3D打印制造出来的假肢可以最大限度地减少浪费，同时确保了用于生产假肢的原材料使用效率。这也意味着，通过3D打印技术，医生和假肢技师可以在短时间内制定一个成本可控的治疗方案，以便患者尽早恢复正常生活。

二、下肢3D打印技术标准流程。

1、下肢截肢患者的残肢数据采集。制作下肢假肢，接受腔是十分重要的组成部件，接受腔的设计原型就是患者的残肢外形，要想获取患者残肢外形，一般可以采用三维扫描仪、CT或核磁共振断层扫描、多角度照片合成、残肢围长离散测量拟合等方式【5】。现在的工业三维扫描仪精度一般都能达到0.1mm或者更低，已经远远超过人工制作假肢的精度，现在在行业内获得了广泛的应用。在实际残肢数据采集中可以采用三维扫描仪直接扫描下肢残肢表面以获取残肢的数字模型，也可以扫描患者残肢石膏阴型内表面或者残肢石膏阳型间接获取残肢的数字模型。手工的石膏模型可以采用特殊的手法对患者残肢形状进行塑性，这是三维扫描直接获取残肢形状所达不到的效果，所以对于疑难的下肢截肢患者这种间接模式能获得较好的效果。数据采集以无创获取方式，不得对采集者和被采集者人体产生危害；根据患者的不同情况，选择适当的位置和角度，确保扫描部位不被遮挡，数据采集完整；在骨性突起以及压痛需免荷部位粘贴采集标志点，利于数据采集和接受腔设计。

2、下肢假肢接受腔设计。下肢假肢接受腔设计主要分为具有生物力学的口型设计和尺寸控制，体现3D打印特点的局部优化设计，接受腔对线设计等4个方面。下肢假肢接受腔的生物力学主要体现在下肢残肢的表面轮廓数据的承重区域、免荷区域、悬吊区域等进行适配性处理，例如小腿残肢的髌韧带、胫骨嵴的内外侧面、小腿背腹侧等都是可以受力的，而胫骨粗隆、胫骨嵴、胫腓骨残肢末端、腓骨小头等骨凸点都是需要免荷的，小腿的股骨内外侧髁可以形成悬吊区域。口型控制保证了接受腔与残肢的外形的一致性，但是尺寸也要进行修改，因为人体残肢一般比较松软，在受力的状态下会发生位移造成残肢疼痛，为了避免这样的事情发生需要将接受腔的围长进行一定量的压缩，保证接受腔对残肢的预压力，提高接受腔的适配【6】。局部优化设计主要指对口型翻边、边缘光滑让患者穿脱方便舒适，通过对接受腔承重区域变厚度提高局部强度，对受力比较小的部位采用镂空等减重并提高美观程度。因为假肢接受腔需要连接标准通用型的假肢零配件才能获得更广泛的市场认可，3D打印的接受腔下面就要按照下肢假肢的标准对线方式设计相应的零配件接口，一般采用螺旋接口或者四棱台接口。这些接口技术经过这两年的临床实验已经验证了其有效性，满足患者用3D打印的接受腔连接各种通用假肢零配件并有一定的持久耐用度。

3、下肢假肢3D打印工艺。下肢假肢打印需要选择具有良好力学性能的3D打印制造材料以及基于材料相应的假肢接受腔3D制造技术工艺。市面上常用的3D打印技术主要为立体光固化、材料喷射、粘结剂喷射、粉末床熔融、材料挤出、定向能量沉积、薄材叠层、复合增材制造等【7】。从市场应用来看粘结剂喷射、粉末床熔融、材料挤出等技术比较成熟，在下肢假肢3D打印制作中应用最多，其中材料挤出技术因为设备便宜、工艺简单等优势正在大量进入假肢矫形器行业，提供大量的假肢矫形器3D打印产品。

三、下肢假肢3D打印的挑战。

3D打印技术在假肢制造方面的应用带来了革命性的变化，尽管有许多优点，但仍有一些挑战。一是材料选择和技术限制，3D打印机只能打印合适的材料，导致在选择材料方面受到限制。另外3D打印技术单一产品的制造速度相比较手工制作来说仍然较慢，需要花费更长的时间，因此需要更完善的工艺和工具来解决这一问题[8]。还有3D打印技术的不稳定性，制造过程中可能出现各种缺陷或瑕疵，需要更高的成功率。

四、下肢假肢3D打印技术展望。

材料的选择更加的丰富多样。提高3D打印材料的选择，包括硬度、重量、保质期，以及耐磨损、抗菌和生物相容性等方面。利用更多的材料和更好的技术将能够更具定制化和功能性，进一步降低制造成本并加速假肢制造。

打印尺寸和速度的提升。就打印速度而言未来有望得到大幅提升。例如，一些公司正在研发高速3D打印机，可以在数分钟内打印出一个小型零件。此外，还有一些新型的3D打印技术，例如连续液体界面生产（CLIP）技术，可以在非常短的时间内打印出高质量的零件。就打印尺寸而言，打印空间有望得到进一步扩大。例如，一些公司正在研发大型3D打印机，可以打印出更大的零件。此外，还有一些新型的3D打印技术，例如无限制形状连续3D打印技术，可以打印出任意形状和尺寸的零件。

技术的融合。未来的挑战是整合3D打印技术与其他技术，以创造更好的假肢方案。例如，利用3D打印技术结合仿生学和神经工程学的思想进行改进，设计假肢的神经适应性和触觉感受，使其更适合患者的身体感受。

随着3D打印技术的不断发展，未来假肢制造行业将发生深刻的变革，同时也带来了更多的机遇。这些进展将使假肢制造变得更加可定制化，功能性更好，而且速度更快，这将不仅使传统假肢装配商受益，也将有很大的帮助和启示假肢使用者的生活。

参考文献：

[1]李佳忆，李君涛.3D打印在医疗器械领域应用前景分析[J].新材料产业，2022（02）：51-55.DOI：10.19599/j.issn.1008-892x.2022.02.011.

[2]张平.试析3D打印在假肢矫形器技术领域的应用[J].科技创新与应用，2020（10）：172-173.

[3]赵翠萍，郜帅，王英，王晶晶，王燕.3D打印技术在康复医学中的应用与研究进展[J].石河子科技，2022（04）：74-75.

[4]汤磊，刘腾达，单存清，孙畅宁，王玲，田小永，李涤尘.3D打印个性化大腿假肢接受腔形性协同制造策略[J].机械工程学报，2022，58（01）：172-178.

[5]汤子馨，姚翔翔，冯文婷.具身视角下儿童3D打印义肢设计探索[J].中国艺术，2022（05）：47-53.

[6]王晓辉，王坤，胡志勇，田红亮.假肢接受腔设计及界面应力的有限元分析[J].中国组织工程研究，2020，24（06）：862-868.

[7]马庆宏.浅谈3D打印义肢技术[J].中国战略新兴产业，2018（44）：181.DOI：10.19474/j.cnki.10-1156/f.007131.

[8]胡航帆，周娅，陈茉弦，刘巍，石田真，敖丽娟.3D打印在假肢矫形器领域中的应用与发展[J].中国康复医学杂志，2020，35（02）：233-237.

基金项目：基于Voron技术的假肢矫形器专用快速3D打印机的基础研发，院级一般科研课题JBKYYB2023-2。）

作者简介：周大伟（1978-04）男，汉，河南兰考，毕业院校：首都医科大学生物医学工程学院，专业：生物医学工程，本科，北京社会管理职业学院（民政部培训中心）副教授，研究方向：假肢矫形器技术。