[发明专利]刚度可调节矫形鞋垫及其4D打印成型方法

权利要求书

1.一种刚度可调节矫形鞋垫4D打印成型方法，其特征在于：它包括以下步骤：

1)利用人体足部三维光学扫描系统，获取患者足部的三维形貌特征数据，并建立患者足部的三维点云模型；

2)利用核磁共振成像技术，扫描获取身体站立位下患者畸形足的影像数据并运用MIMICS医学软件建立包含肌肉、韧带以及骨骼的患者畸形足三维生物力学模型；

3)利用人体足底压力测量设备，依次记录患者在静态站立和行走步速在不高于1.5m/s范围内的静动态足底压力，获取患者足部静动态足底压力分布情况和步态特征；

4)利用三维数值建模软件，根据步骤1)和步骤2)中患者足部的三维点云模型及患者畸形足三维生物力学模型，建立与患者畸形足数值模型相适配的初始矫形鞋垫结构模型；

该矫形鞋垫包括智能变形层和结构支撑层上下两层材料，紧密贴合患者足底的上层智能变形层由柔性聚合物智能材料制成，下层结构支撑层由承载能力较好的结构材料制成，且上层材料非均匀分布于矫形鞋垫的足弓区域；

5)建立与患者矫形病程所需足弓支撑高度和硬度相对应的矫形鞋垫智能变形层刚度调控序列机制并运用3D打印机切片处理软件形成可供打印机打印的矫形鞋垫模型路径数据；

6)采用熔融直接成型方法逐层打印矫形鞋垫上层聚合物智能材料和下层支撑结构复合材料，直至打印成所需要的矫形鞋垫，其中，打印机喷嘴直径0.05mm～0.4mm，扫描速度20～100mm/s，成型温度控制在材料熔点±5℃范围内；

7)对步骤6)得到的矫形鞋垫进行保温、缓冷处理，保温处理时的熔体温度和缓冷处理时的冷却温度之间的温差为200～220℃，达到室温后即得4D打印成型后的刚度可调节矫形鞋垫实体。

2.根据权利要求1所述的刚度可调节矫形鞋垫4D打印成型方法，其特征在于：所述步骤5)的具体实现方法如下：

5.1)利用有限元数值模拟软件，基于步骤2)和步骤3)得到的患者畸形足三维数值生物力学模型和足底压力分布，计算患者站立位和不同行走步速足底压力加载情况下患者畸形足底与矫形鞋垫间的界面压力分布，优化患者足底界面压力分布得到矫形鞋垫的初始三维形貌和结构构型；

5.2)根据患者的矫形病程序列，利用有限元数值模拟软件对患者畸形足矫形至X％正常位的情况进行仿真获得对应需调整的矫形鞋垫足弓支撑处高度和硬度，形成矫形鞋垫足弓支撑处包含高度和硬度在内的刚度调节序列；

5.3)根据智能变形材料应变增长准则，对智能可变形材料在前述建立的初始矫形鞋垫模型支撑层上的铺设体积、三维形状和材料属性从变形程度、变形速率和变形方向三个角度进行顺序预编程，使之与患者畸形足矫形所需刚度调节序列相适应，其中智能变形材料应变增长准则如下：

式中ε为矫形鞋垫中智能材料的总应变，i和n分别表示与患者畸形足矫形所需刚度调节序列相对应的智能变形材料变形序数和总变形次数，系数C_i与矫形鞋垫的第i次构型和第i-1次构型各处几何差值、第i次外场激励强度、第i次智能材料物理力学性能有关，t_i是智能材料的第i次变形时间，τ_i是与智能材料第i次变形速率有关的参数；

5.4)利用材料变形与力学分析模拟软件，逐次仿真模拟矫形鞋垫初始构型至最终矫形完成构型中每一刚度调节序列的智能材料驱动变形过程，从力学强度、变形协调性方面优化和调整上述预编程，建立与患者矫形病程所需足弓支撑高度和硬度相对应的矫形鞋垫智能变形层刚度调控序列机制并运用3D打印机切片处理软件形成可供打印机打印的矫形鞋垫模型路径数据。

3.根据权利要求2所述的刚度可调节矫形鞋垫4D打印成型方法，其特征在于：所述X％正常位是一个序列，如5％、10％、30％、60％、80％、100％等，序列的具体数值应由足踝矫形医生根据患者足部畸形程度而定。

4.根据权利要求3所述的刚度可调节矫形鞋垫4D打印成型方法，其特征在于：对通过4D打印成型的所述刚度可调节矫形鞋垫的智能变形层施加与预编程智能变形材料变形准则相一致的外场激励，智能变形层按照所述步骤5)中的预编程机制随着时间发生自我变形，进行刚度调控。