集成傳感功能的平價3D打印鞋墊，可預防致命的糖尿病足潰瘍惡化

來源：MEMS

英國斯塔福德郡大學的研究人員開發(fā)了一種具有集成傳感功能的超低成本鞋墊，該鞋墊有助于預防致命的糖尿病足潰瘍（Diabetic Foot Ulcer，DFU）惡化。研究小組開發(fā)的這種平價3D打印鞋墊沒有使用電子傳感器而是采用了微小的可調結構來監(jiān)測潰瘍的生長情況，這使其能夠準確地檢測到穿戴者走路時腳部超負荷的位置。利用這些形變資料，臨床醫(yī)生有機會發(fā)現患者潰瘍的早期跡象，從而更好地管理潰瘍的發(fā)展，防止患者截肢。

“全球每年有2600多萬人患上糖尿病足潰瘍，在發(fā)展中國家，糖尿病足潰瘍的終生患病率超過20%�！痹撗芯亢献髡逳achi Chockalingam教授解釋道，“建立預防足潰瘍的低成本方法，將減輕糖尿病造成的全球社會經濟負擔，并最終挽救生命�！�

“隨著技術的進一步發(fā)展，本文所報道的概念有可能改變全世界糖尿病足潰瘍風險的臨床管理�！�

（a）該研究小組設計的傳感鞋墊及其內部結構；（b）根據該傳感鞋墊的測試性能繪制的圖譜（來源：Royal Society Open Science）

糖尿病的致命并發(fā)癥
許多二型糖尿病患者都親身經歷著感覺神經病變，因為這種疾病會逐漸導致神經損傷和腿腳的感覺功能喪失，所以，許多患者的雙腳感覺不到疼痛，這意味著他們的腳負荷比以前更重，從而誘發(fā)糖尿病足潰瘍。

雖然糖尿病足潰瘍最初看起來微不足道，但是它會造成容易被忽視并感染的開放性創(chuàng)口，因此糖尿病成為當今世界上最常見的非創(chuàng)傷性截肢的原因。一般來說，臨床醫(yī)生認為降低足底壓力對糖尿病足的治療至關重要，所以他們經常給患者開具的“處方”就是用來保護潰瘍部位免受高負荷的鞋子壓力。

這種矯形鞋已經流行了一段時間，但他們的設計更多的取決于醫(yī)生的臨床直覺，而不是糖尿病足的壓力何時超過臨界水平的證據。復雜的鞋底壓力監(jiān)測系統(tǒng)現在確實也有，但它們通常依賴于昂貴的電子傳感器和笨重的數據跟蹤設備，這妨礙了它們在現實生活中的應用。

因此，斯塔福德郡大學的研究小組發(fā)現有必要根據越來越多的證據（即基于壓力閾值的裝備比目前的矯形鞋更有可能降低糖尿病足潰瘍復發(fā)的風險）采取行動，因此研發(fā)出了一種具有集成傳感功能的平價3D打印鞋墊，該鞋墊有助于更準確地識別超負荷的足部區(qū)域。

3D打印技術被越來越多地應用于定制矯形鞋的生產中（來源：Trinkley）

一種新穎的低成本鞋墊設計
該團隊針對糖尿病足潰瘍設計的鞋墊非常有彈性，由一系列微小的相互結合的六邊形結構組成，在低壓下具有類似彈簧的反饋。不過，一旦鞋墊上的負荷達到預先設定的臨界壓力水平，它的阻力就會有效地下降，從而使糖尿病足免受持續(xù)的壓力。

經過一周的使用后，該研究小組認為，鞋墊的微觀結構可能出現了累積損傷，改變了鞋墊的機械性能，進而可以讓他們找出腳部易受傷害的區(qū)域。為了評估他們新穎設計的可行性，研究人員選擇熔融沉積成型工藝（FDM）3D打印了26個樣品（每個樣品具有七個六邊形結構），然后再對它們進行力學負荷測試。

在經過2000次循環(huán)測試后（試驗周期與糖尿病患者的平均每日步數保持一致），這些樣品不僅具有耐久性，而且確定壓力閾值為252 kPa。此外，通過后來的有限元分析，該研究小組發(fā)現可以通過提高或降低這個壓力閾值以滿足特定應用的需求，甚至可以量身定制出患者專用的鞋墊。

盡管研究人員得出的結論是，他們的設計需要進一步改進才能應用于臨床，但是他們堅持認為，這證明了使用薄壁結構作為傳感診斷工具的可行性，以及他們對“加強糖尿病足潰瘍風險評估及用來指導有效減輕干預措施的設計”的潛力。

“我們的工作已經證明了一種使用低成本、非電子技術的檢測腳部超負荷的可靠方法。”該項研究的主要作者Panagiotis Chatzistergos博士表示，“我們使用了一種3D打印的薄壁結構，當反復施加的壓力高于或低于可調壓力閾值時，這種結構的特性就會發(fā)生變化。我們認為，這是對當前糖尿病足潰瘍檢測做法的一個重大改變�！�

增材制造的矯形鞋
通過增材制造可以實現產品的定制化和設計的靈活性，因此，該技術被越來越多地應用于鞋類制造領域。本月初，3D模型廠商PROTIQ推出了一款基于3D打印的制鞋工具，使得鞋匠能夠為客戶設計和定制矯形鞋。

同樣，拜耳的足部護理子品牌Dr. Scholl's此前也曾與Wiivv合作開發(fā)了一系列定制的3D打印鞋墊。FitMyFoot（原Wiivv）公司的技術可以讓用戶對他們的腳進行3D掃描，并打造個性化的鞋子，這有助于減輕病人的足部疼痛，改善他們的身體姿勢。

在其他領域，3D打印技術也被用于無痛血糖監(jiān)測裝置的研制，例如雅典國立和卡波迪斯特里安大學開發(fā)的“e-ring”。一旦連接到標準智能手機，這種新型裝置就能夠利用生物標志物來對佩戴者的血糖水平進行超精準的讀取。

3D打印“e-ring”用于血糖監(jiān)測

這項研究成果在題為“A novel concept for low-cost non-electronic detection of overloading in the foot during activities of daily living”的文章中有詳細的描述，該文章由Panagiotis E. Chatzistergos和Nachiappan Chockalingam合著。