基于3D打印技术的三维骨架化结构桡骨远端骨折夹板设计与应用研究

为解决传统桡骨远端骨折(DRFs)夹板个性化不足、固定效果差等问题，甘肃中医药大学附属医院联合新疆大学机械工程学院团队开展基于3D打印技术的三维骨架化结构(3D skeletonized structure)夹板研究。通过三维扫描、参数化建模(参数化设计)和力学分析(Mechanical analysis)，开发出具有更优生物力学性能（150N载荷下偏移减少1.7mm）和患者满意度（减重13g，透气性P<0.05）的新型夹板，为精准医疗提供新方案。

　　

研究背景
桡骨远端骨折(DRFs)占急诊骨折病例的1/6，传统中医(TCM)小夹板存在明显痛点：标准化尺寸无法贴合个体解剖曲线，需辅以棉垫固定，易导致复位后二次移位（发生率75%）；而西方石膏又存在透气性差、重量大等问题。尽管3D打印技术已尝试应用于骨折固定，但现有设计多局限于二维镂空或管状结构，难以平衡肿胀管理与固定稳定性。

研究开展
甘肃中医药大学附属医院联合新疆大学机械工程学院团队，创新性提出基于三维骨架化结构(3D skeletonized structure)的个性化夹板解决方案。研究人员通过EXScan H三维扫描获取患者健侧肢体点云数据，采用Rhino软件进行曲面建模，并运用Grasshopper参数化设计平台实现Tyson多边形(参数化设计)镂空结构优化。通过静态力学分析（100N/150N载荷）和三弯点测试对比传统夹板性能，最终使用华曙高科403P激光烧结设备完成打印。

关键技术

1. 逆向建模：健侧肢体扫描→点云封装→Mesh Doctor修复
2. 参数化骨架设计：Voronoi算法调控孔隙率(0.5)与管径(1mm)
3. 力学仿真：PA6(尼龙)材料模拟皮肤接触面受力
4. 临床验证：7例患者30分钟佩戴满意度Z检验

研究结果

1. 三维骨架化结构设计

   • 通过投影曲面成像提取骨折部位轮廓，将180mm掌侧曲线按20mm等分提升贴合精度
   • 调整缩放因子(1.18)使多边形胞体尺寸优化，布尔运算生成开/闭孔结构

2. 力学分析优化

   • 100N载荷下最大变形0.52mm，等效应力19.415MPa
   • 150N载荷时右绑带槽应力集中达29.122MPa，但较传统夹板偏移量降低1.7mm

3. 机械性能测试

   • 管径1mm的A2结构夹板在150N载荷下仅产生2.90mm径向偏移（传统夹板4.56mm）
   • 整套夹板重量降至89g（传统102g），单件掌侧夹板减重6g

4. 临床评价

   • 患者对重量(P=0.043)、透气性(P=0.006)和结构设计(P=0.008)满意度显著提升
   • 治疗效能与传统夹板无统计学差异(P>0.05)

结论与意义
该研究首次将三维骨架化结构与TCM夹板理念结合，突破传统二维镂空的技术局限。通过参数化调控孔隙率和管径，实现生物力学性能（最大应力降低0.01MPa）与穿戴舒适性的平衡。临床数据证实其能有效减少复位后移位风险，13g的减重设计显著提升患者依从性。这项由甘肃省中医药管理局(项目号24ZYQA037)资助的研究，为骨折精准治疗提供可推广的技术范式，相关成果发表于《Journal of Orthopaedic Surgery and Research》。