3D打印液晶聚合物超材料实现轻量化高性能踝关节支具的定制化设计

本文推荐一种基于3D打印液晶聚合物（LCP）超材料的创新型踝关节支具，通过分子排列与正弦波结构设计实现低/高刚度行为的可编程转换。该支具在步态实验中展现出与市售系带支具同等的防内翻损伤能力（28°限位），同时减少67%重量与78%厚度，且不限制矢状面自然活动（35.53° vs 28.78°）。结合生物力学仿真（OpenSim）与疲劳测试（100次循环力衰<11%），证实其兼具动态防护与长期耐用性，为肌肉骨骼损伤的个性化矫形器开发提供新范式。

　　

轻量化踝关节支具的创新设计
踝关节扭伤是运动中最常见的急性肌肉骨骼损伤，其中85%涉及外侧韧带因距下关节过度内翻所致。传统支具虽能提供机械支撑，但存在刚性过大、限制自然活动范围等问题。本研究提出通过熔融沉积建模（FDM）3D打印技术，利用液晶聚合物（LCP）的分子取向特性与正弦波超材料结构，开发出兼具柔性与高强度的动态支具。

正弦波结构的力学调控
核心创新在于将LCP纤维打印为可编程正弦波图案：低应变时波状弯曲主导（刚度0.267 Nmm），允许踝关节自由活动；高应变时纤维拉伸主导（弹性模量E_fit与起始角θ₀呈线性负相关），在预设转换点（如8°内翻对应5mm伸长）迅速增强刚度。通过调整振幅（3-5mm）与周期长度（40mm），可精确控制刚度转换阈值。疲劳测试显示单纤维在1N载荷下100次循环后力衰仅2%，满足长期使用需求。

生物力学驱动的优化设计
基于OpenSim仿真平台建立踝关节模型，结合设计实验（DoE）分析发现：238-270根纤维、17.8°-24.0°起始角的后向定位侧边束带可最优平衡防护与活动性。该设计在35.6mm踝半径下提供0.14Nm扭矩功，超过半刚性支具基准值（0.08Nm）。仿真预测其在50°平台倾斜的高风险场景中仍能将内翻角限制在31.9°以下，低于35°的损伤阈值。

原型验证与步态测试
实际制备的支具原型包含6层LCP纤维（每层40根），封装于织物胶带中。步态实验室测试显示：在25°倾斜平台突然内翻测试中，其限制内翻角度效果（28.47°±1.20°）与市售支具无显著差异（p=0.322），但步行时矢状面活动范围（35.53°±1.90°）更接近无支具状态，且重量减轻67%（厚度减少78%）。X射线衍射证实打印纤维具有显著分子取向，这是高比强度的关键。

跨学科应用前景
该方法将分子尺度（LCP链排列）与宏观结构（正弦波拓扑）通过3D打印协同调控，可扩展至脊柱矫形器等个性化医疗设备。未来可通过增加纤维数量（当前240根）或优化周期参数，进一步提升对复合损伤方向的防护能力。这种计算仿真引导的设计-制造闭环，为运动医学与康复工程提供了新工具。