假肢是截肢者恢复行动能力所必须的康复辅具，假肢接受腔作为连接残肢与假肢系统之间重要的生机界面，具有包容残肢、支撑体重、传递运动载荷的重要作用。与传统手工工艺制备的接受腔相比，MEX（Material Extrusion，材料挤出成形）3D打印接受腔具有加工周期短、成本低等优势，满足个性化假肢接受腔快速低成本制造的需求，有益于扩大个性化假肢接受腔在低收入残障群体中的普适应用。然而挤出打印工艺制备的接受腔在Z向的力学性无法满足接受腔在服役状态下的强度需求，也因此限制了3D打印个性化假肢接受腔的应用。

        西安交通大学的王玲教授团队在《机械工程学报》2022年第7期发表了《3D打印连续纤维复合假肢接受腔Z向强化制造策略》一文，本研究旨在根据假肢接受腔服役状态下的应力分布特性和结构特性，通过工艺试验建立假肢接受腔强度需求和复合材料铺层参数的关系，设计了一种基于MEX-3D打印工艺的接受腔Z向强化制造策略，并利用该制造策略实现接受腔的高性能快速成形。

 1 引用本文

     刘腾达, 汤磊, 孙畅宁, 单存清, 李涤尘, 田小永, 刘朝宗, 王玲. 3D打印连续纤维复合假肢接受腔Z向强化制造策略[J]. 机械工程学报, 2022, 58(7): 267-275.

LIU Tengda, TANG Lei, SUN Changning, SHAN Cunqing, LI Dichen, TIAN Xiaoyong, LIU Chaozong, WANG Ling. Z-direction Enhancing Manufacturing Strategy for 3D Printing Prosthetic Socket of Continuous Fiber Composite[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2022, 58(7): 267-275.

 2 重要结论

     本文针对MEX假肢接受腔Z向力学性能不足的问题，对MEX假肢接受腔制备工艺进行了优化。根据接受腔打印需求，研发了基于机械臂的多自由度复合材料3D打印平台；系统研究了连续纤维铺放设计和打印层厚对复合材料弯曲强度与拉伸强度的影响，为接受腔的结构设计提供实验数据基础；基于数值模拟分析获得的假肢接受腔服役状态下的应力分布和强度需求对接受腔局部薄弱区域进行力学性能增强设计，建立了接受腔腔体分区强度需求与所需材料厚度和铺放角度的对应关系，提出了在假肢接受腔Z向铺设纤维的变厚度接受腔Z向强化打印策略。所制备的Z向增强的大腿假肢接受腔力学性能获得了显著提升，经过专业动态疲劳测试验证可满足穿戴3年以上的寿命需求。

 3 前景与应用

在常规MEX-3D工艺中，接受腔的打印以平面“层层叠加”的方式实现，接受腔容易发生层间分层断裂失效，无法满足其长期服役性能需求。而本文提出的多自由度3D打印制造策略通过沿着接受腔Z向铺放连续纤维复合材料来增强该向的力学强度，进而实现接受腔的高性能快速打印制造，提高接受腔的强度和服役寿命。此外，高性能连续纤维复合材料的引入也有利于降低接受腔的壁厚与重量，有利于提高穿戴者对假肢的控制和假肢穿戴的整体舒适度。因此，本文提出的连续纤维复合材料3D打印大腿假肢接受腔的策略，解决了挤出式3D打印接受腔力学性能不足的难题，实现了个性化假肢接受腔的高性能快速制造，为个性化低成本假肢接受腔在低收入人群中普及提供了制造基础。

 4 主创简介

王玲

西安交通大学

王玲，西安交通大学教授，博士生导师，英国利兹大学博士、博士后。先后独立承担和参与多个自然科学基金项目、国家科技支撑计划、科技部重点研发计划、欧盟框架协议Horizon2020、英国皇家工程协会、中德留学基金委等多个项目。国家医疗器械技术评审专家，全国外科植入物和矫形器械标准化技术委员会委员，中国医学装备协会医用增材制造专业委员会委员，中国生物材料学会生物材料先进制造分会常务委员。研究方向包括增材制造、生物制造、生物力学、组织工程等。发表SCI收录论文70余篇，参加国际国内学术会议报告20余次，作为第一发明人申请国家发明专利三十余项。参与制定医疗器械相关国家指导原则、行业、团体标准等二十余项。

刘腾达

西安交通大学

刘腾达，男，1999年出生，西安交通大学机械工程学院机械制造系统工程国家重点实验室，硕士研究生。主要研究方向为复合材料康复辅具的3D打印制造和临床应用评价。

 5 课题组特色

      课题组基于西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，是国内最早开展增材制造技术研究的单位之一。西安交通大学生物增材制造研究团队在李涤尘教授的带领下，面向生物医疗领域先后研发了生物陶瓷光固化成形、多孔金属增材制造以及连续纤维复合材料挤出成形等一系列增材制造技术装备与工艺。利用增材制造技术开展了人体骨组织、软组织、关节等多类人体组织器官替代的定制化增材制造研究，以及个性化康复辅具的仿生设计和增材制造研究。研发的3D打印PEEK人工胸肋骨、肩胛骨、股骨等、多孔钛合金人工椎体、拓扑优化人工盆骨、糖尿病足鞋垫等均实现了临床应用，解决了传统技术无法解决的医疗修复难题。2021年正式获批国家药品监督管理局医用增材制造器械研究与评价重点实验室，联合国家药品监督管理局和陕西省医疗器械检验院一起致力于增材制造医疗器械的创新性研究与评价。

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