集成传感功能的平价3D打印鞋垫，可预防致命的糖尿病足溃疡恶化

来源：MEMS

英国斯塔福德郡大学的研究人员开发了一种具有集成传感功能的超低成本鞋垫，该鞋垫有助于预防致命的糖尿病足溃疡（Diabetic Foot Ulcer，DFU）恶化。研究小组开发的这种平价3D打印鞋垫没有使用电子传感器而是采用了微小的可调结构来监测溃疡的生长情况，这使其能够准确地检测到穿戴者走路时脚部超负荷的位置。利用这些形变资料，临床医生有机会发现患者溃疡的早期迹象，从而更好地管理溃疡的发展，防止患者截肢。

“全球每年有2600多万人患上糖尿病足溃疡，在发展中国家，糖尿病足溃疡的终生患病率超过20%。”该研究合作者Nachi Chockalingam教授解释道，“建立预防足溃疡的低成本方法，将减轻糖尿病造成的全球社会经济负担，并最终挽救生命。”

“随着技术的进一步发展，本文所报道的概念有可能改变全世界糖尿病足溃疡风险的临床管理。”

（a）该研究小组设计的传感鞋垫及其内部结构；（b）根据该传感鞋垫的测试性能绘制的图谱（来源：Royal Society Open Science）

糖尿病的致命并发症
许多二型糖尿病患者都亲身经历着感觉神经病变，因为这种疾病会逐渐导致神经损伤和腿脚的感觉功能丧失，所以，许多患者的双脚感觉不到疼痛，这意味着他们的脚负荷比以前更重，从而诱发糖尿病足溃疡。

虽然糖尿病足溃疡最初看起来微不足道，但是它会造成容易被忽视并感染的开放性创口，因此糖尿病成为当今世界上最常见的非创伤性截肢的原因。一般来说，临床医生认为降低足底压力对糖尿病足的治疗至关重要，所以他们经常给患者开具的“处方”就是用来保护溃疡部位免受高负荷的鞋子压力。

这种矫形鞋已经流行了一段时间，但他们的设计更多的取决于医生的临床直觉，而不是糖尿病足的压力何时超过临界水平的证据。复杂的鞋底压力监测系统现在确实也有，但它们通常依赖于昂贵的电子传感器和笨重的数据跟踪设备，这妨碍了它们在现实生活中的应用。

因此，斯塔福德郡大学的研究小组发现有必要根据越来越多的证据（即基于压力阈值的装备比目前的矫形鞋更有可能降低糖尿病足溃疡复发的风险）采取行动，因此研发出了一种具有集成传感功能的平价3D打印鞋垫，该鞋垫有助于更准确地识别超负荷的足部区域。

3D打印技术被越来越多地应用于定制矫形鞋的生产中（来源：Trinkley）

一种新颖的低成本鞋垫设计
该团队针对糖尿病足溃疡设计的鞋垫非常有弹性，由一系列微小的相互结合的六边形结构组成，在低压下具有类似弹簧的反馈。不过，一旦鞋垫上的负荷达到预先设定的临界压力水平，它的阻力就会有效地下降，从而使糖尿病足免受持续的压力。

经过一周的使用后，该研究小组认为，鞋垫的微观结构可能出现了累积损伤，改变了鞋垫的机械性能，进而可以让他们找出脚部易受伤害的区域。为了评估他们新颖设计的可行性，研究人员选择熔融沉积成型工艺（FDM）3D打印了26个样品（每个样品具有七个六边形结构），然后再对它们进行力学负荷测试。

在经过2000次循环测试后（试验周期与糖尿病患者的平均每日步数保持一致），这些样品不仅具有耐久性，而且确定压力阈值为252 kPa。此外，通过后来的有限元分析，该研究小组发现可以通过提高或降低这个压力阈值以满足特定应用的需求，甚至可以量身定制出患者专用的鞋垫。

尽管研究人员得出的结论是，他们的设计需要进一步改进才能应用于临床，但是他们坚持认为，这证明了使用薄壁结构作为传感诊断工具的可行性，以及他们对“加强糖尿病足溃疡风险评估及用来指导有效减轻干预措施的设计”的潜力。

“我们的工作已经证明了一种使用低成本、非电子技术的检测脚部超负荷的可靠方法。”该项研究的主要作者Panagiotis Chatzistergos博士表示，“我们使用了一种3D打印的薄壁结构，当反复施加的压力高于或低于可调压力阈值时，这种结构的特性就会发生变化。我们认为，这是对当前糖尿病足溃疡检测做法的一个重大改变。”

增材制造的矫形鞋
通过增材制造可以实现产品的定制化和设计的灵活性，因此，该技术被越来越多地应用于鞋类制造领域。本月初，3D模型厂商PROTIQ推出了一款基于3D打印的制鞋工具，使得鞋匠能够为客户设计和定制矫形鞋。

同样，拜耳的足部护理子品牌Dr. Scholl's此前也曾与Wiivv合作开发了一系列定制的3D打印鞋垫。FitMyFoot（原Wiivv）公司的技术可以让用户对他们的脚进行3D扫描，并打造个性化的鞋子，这有助于减轻病人的足部疼痛，改善他们的身体姿势。

在其他领域，3D打印技术也被用于无痛血糖监测装置的研制，例如雅典国立和卡波迪斯特里安大学开发的“e-ring”。一旦连接到标准智能手机，这种新型装置就能够利用生物标志物来对佩戴者的血糖水平进行超精准的读取。

3D打印“e-ring”用于血糖监测

这项研究成果在题为“A novel concept for low-cost non-electronic detection of overloading in the foot during activities of daily living”的文章中有详细的描述，该文章由Panagiotis E. Chatzistergos和Nachiappan Chockalingam合著。