《Bioengineering》：Impact of Material Stiffness on Medial Arch Support and Stress Redistribution in 3D-Printed Insoles for Adult Acquired Flatfoot Deformity
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成人获得性扁平足畸形（adult acquired flatfoot deformity, AAFD）由内侧纵弓（medial longitudinal arch, MLA）塌陷所致，临床常采用足矫形器进行保守治疗。尽管3D打印技术能够实现鞋垫的快速且经济高效
成人获得性扁平足畸形（adult acquired flatfoot deformity, AAFD）由内侧纵弓（medial longitudinal arch, MLA）塌陷所致，临床常采用足矫形器进行保守治疗。尽管3D打印技术能够实现鞋垫的快速且经济高效的生产，但不同打印材料的生物力学影响尚不明确。本研究结合材料测试、有限元（finite element, FE）模拟及压缩测试，评估了四种常用于3D打印鞋垫的材料：PLA（聚乳酸）、树脂、EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）和TPU（热塑性聚氨酯）。拉伸试验为采用经验证的健康足部模型进行平衡站立姿态的有限元建模提供了材料属性参数。结局指标包括MLA变形（舟骨下沉量）、足底应力分布及鞋垫内部的冯·米塞斯应力（von Mises stress）。同时纳入一款商用半定制鞋垫进行对比测试。PLA和树脂表现出高刚度（分别为2228 MPa和880 MPa），使舟骨下沉量减少55%–60%，而EVA和TPU的减少幅度不足30%。足底应力分布由前足和后足向中足转移，其中PLA使中足载荷分担比例增加至38%。压缩测试证实，在10 mm位移阈值内，PLA和树脂展现出优于半定制鞋垫的足弓支撑能力。材料刚度显著影响3D打印鞋垫的生物力学性能。在本静态仿真基线条件下，与EVA、TPU及半定制参照鞋垫相比，PLA和树脂提供了更优的足弓稳定性和应力再分布效果。上述发现表明，材料选择对于优化3D打印矫形支撑至关重要，可为未来扁平足矫形器设计提供有价值的生物力学基线参考。
**3D打印材料刚度对成人获得性扁平足矫形鞋垫生物力学性能的影响——论文解读**
**1. 研究背景与问题提出**
成人获得性扁平足畸形（adult acquired flatfoot deformity, AAFD）是由于胫后肌腱功能障碍（posterior tibialis tendon dysfunction, PTTD）及弹簧韧带、三角韧带、足底筋膜等软组织结构损伤或功能不全，导致内侧纵弓（medial longitudinal arch, MLA）塌陷的一种常见退行性疾病。该病在老年人群中高发，常损害患者的步态和日常活动能力，因此保守治疗是手术干预前的首选方案。足矫形器在保守治疗中被广泛应用，能够减少过度旋前、缓解疼痛并改善功能。近年来，3D打印技术因其快速、可重复且经济高效的特点，被越来越多地应用于矫形器的制造。已有研究表明，3D打印鞋垫能够缓解疼痛并重新分配足底载荷，兼具短期与长期疗效。然而，尽管3D打印鞋垫在解剖适配性和局部刚度控制方面具有明显优势，其生物力学效果在现有文献中仍存在高度不一致性。不同研究报告了动态足底压力降低和步态中压力中心轨迹变化等方面的矛盾结果，研究者认为诊断差异、鞋垫设计、打印工艺以及尤其是材料选择的不同，可能是导致这种变异性的主要原因。
有限元（finite element, FE）建模已成为研究足部生物力学的关键工具。已有FE研究探讨了足弓高度、站立相载荷以及肌肉或肌腱条件对关节受力的影响，更为先进的模型加入了韧带和肌肉细节以探索AAFD相关的病理改变。少数研究将FE模型应用于矫形器分析，聚焦于3D打印鞋垫的后倾角或足弓高度。然而，尚无研究系统性地比较不同3D打印材料对鞋垫生物力学性能的影响，导致针对特定材料的矫形器设计缺乏指导依据。此外，传统商用鞋垫与3D打印鞋垫在刚度及防止足弓塌陷性能方面的差异亦需明确比较。本研究正是基于上述空白，通过结合3D打印材料测试、FE分析和鞋垫压缩测试，系统评估材料选择对AAFD用3D打印鞋垫的（1）MLA变形（舟骨下沉）和（2）足底应力分布的影响，旨在为定制化3D打印矫形器的材料选择提供实验证据和生物力学基线。该论文发表于《Bioengineering》期刊。
**2. 主要关键技术方法**
本研究采用三类核心技术手段，整合实验测试与计算仿真以全面评估材料性能。其一为**材料力学测试**，对四种常用足矫形器3D打印材料——PLA（聚乳酸）、树脂、EVA（乙烯-醋酸乙烯酯共聚物）和TPU（热塑性聚氨酯）分别制备5个ASTM D638-14 I型标准试样，通过万能试验机进行单轴拉伸试验，获取杨氏模量、屈服应力等关键力学参数（每种材料的参数以平均值±标准差表示），作为后续有限元模型的材料属性输入。其二为**有限元建模与仿真分析**，采用Chen等人建立并经验证的健康成年男性足部FE模型（身高177 cm，体重70 kg），模型包含28块骨骼、关节软骨、包裹性软组织及足底筋膜（以5个桁架单元表示）。通过Meshmixer软件从裸足模型中提取足底面（3/4长度）并拉伸至2 mm厚度构建定制鞋垫几何，对四种材料分别赋予实验测得的杨氏模量，模拟平衡站立状态（地面反作用力350 N，跟腱力175 N）下的生物力学响应。其三为**实体鞋垫压缩测试**，采用商用半定制鞋垫（MBF G2，Meibin Orthotics Co., Ltd.，台湾台中）作为对照，将各鞋垫（n=6）置于测试机中，以直径40 mm的圆柱压头在足弓最高点以105 N/min速率垂直加载，记录力-位移数据并计算足弓位移10 mm处的割线刚度。上述方法从材料本征属性、结构整体响应和临床相关功能三个层面实现了对3D打印鞋垫力学性能的系统评价。
**3. 研究结果与分析**
**3.1 有限元分析**
**3.1.1 内侧纵弓变形**
FE分析结果显示，裸足条件下的舟骨下沉量最大，为7.69 mm。穿戴鞋垫模型的舟骨下沉量随材料刚度增加而显著减小，其中PLA和树脂实现了最大幅度的减少，分别达59.6%和54.6%，而EVA和TPU的减少幅度相对有限，分别为27.7%和25.3%。这一结果明确揭示了材料刚度与足弓支撑效果之间的直接关联。
**3.1.2 足部与鞋垫应力**
裸足加载条件下，前足和后足的应力显著高于中足。所有鞋垫模型均逆转了这一模式，将载荷向中足方向转移。刚度越高的鞋垫对应力再分布的作用越显著：PLA将前足应力较裸足状态降低了77%，而TPU降低了50%。中足应力占比从裸足状态的20.4%增加至EVA的30.0%和PLA的38.0%。此外，刚度更高的材料扩大了中足承载面积并进一步分散后足应力，PLA和树脂的后足应力显著低于裸足状态。与上述结果一致，裸足条件下第三跖骨的骨内等效应力最高（6.28 MPa），而穿戴鞋垫后该峰值应力下降，其中PLA和树脂的降低效果最为显著。鞋垫内部的冯·米塞斯应力随材料刚度差异而大幅变化：TPU和EVA呈现较低峰值应力（分别为1.31 MPa和1.49 MPa），而树脂和PLA则达到显著更高的数值（分别为16.47 MPa和32.56 MPa），峰值集中在足跟开口的前缘区域。
**3.2 实体鞋垫压缩测试**
为评估3D打印鞋垫与商用鞋垫在足弓支撑刚度方面的差异，对所有实体鞋垫进行了压缩测试。所有鞋垫均能在压缩载荷下承受而无材料破坏。在10 mm位移条件下进行比较时，树脂（6.8 N/mm）和PLA（11.1 N/mm）的刚度显著优于商用半定制鞋垫MB（5.15 N/mm），而EVA（0.36 N/mm）和TPU（0.18 N/mm）仅提供微弱的支撑力（相当于MB的3%–7%）。该结果表明，在临床相关的舟骨下沉范围内（≤10 mm异常塌陷阈值），高刚度3D打印材料能够提供超越传统预制半定制鞋垫的足弓支撑性能。
**4. 讨论与结论总结**
**4.1 讨论总结**
研究者指出，FE模拟证实了刚度更大的鞋垫能大幅减少舟骨下沉，这与既往随机对照试验和FE研究结果一致。PLA和树脂使舟骨位移减少4–5 mm，而EVA和TPU的减少不足2 mm，后者可能未达到临床意义上的有效阈值。与多数临床研究评估裸足条件不同，本研究在穿戴鞋垫状态下评估舟骨位移，直接反映了鞋垫的力学支撑作用。足底应力分布的分析进一步表明，刚度较大的3D打印鞋垫能更有效地实现应力再分布，这可能有助于预防第一射线过度活动及减轻足跟疼痛综合征的风险。在鞋垫层面的分析揭示了材料性能与耐久性之间的权衡：PLA和树脂鞋垫内部的冯·米塞斯应力超过了其实测屈服强度，提示在重复加载条件下存在塑性变形和潜在材料失效的风险，这一现象与临床上较硬矫形器在长期使用后可能断裂的观察一致，应力集中位于足跟开口处，该区域此前也被报道为常见失效部位。压缩测试则证实了PLA和树脂鞋垫在临床相关舟骨下沉范围内（≤10 mm）的支撑刚度优于常用预制半定制MB鞋垫，但研究者也注意到这评价的是矫形器设计的整体性能而非材料本身的优劣。
在方法论考量方面，研究者指出该FE模型基于单一个体健康足部构建，虽有利于受控的材料比较，但未涵盖个体间足弓高度、体重、性别差异及AAFD病理特征，因此结果作为生物力学基线，外推至有症状的AAFD患者需谨慎。材料均被建模为线弹性各向同性体，在静态站立条件下该简化能够与既往足矫形器FE研究保持一致。足-鞋垫界面假设为绑定接触，地面接触假设为无摩擦，忽略了边界剪切滑移和切向阻力，可能导致局部剪应力被低估。此外，研究未进行推断性统计分析，也未评估循环载荷下的疲劳性能。尽管存在上述简化，FE模拟与压缩测试在材料排名上的一致性支持了高刚度材料（PLA和树脂）提供更优足弓稳定性的结论，强调了材料刚度作为矫形器设计主导因素的重要性。
**4.2 研究结论翻译**
本研究通过结合材料测试、有限元建模和压缩测试，系统比较了四种用于鞋垫的3D打印材料。以高刚度为特征的PLA和树脂提供了最大程度的内侧足弓稳定效果，使舟骨下沉量减少55%，同时将足底应力向中足方向转移。相比之下，TPU和EVA仅提供极小的结构支撑和可忽略的压缩刚度。鉴于预防内侧足弓塌陷的临床需求，本静态生物力学评估表明，PLA和树脂是定制化3D打印鞋垫的优选材料。上述发现为未来扁平足保守治疗的矫形器设计提供了有价值的生物力学基线参考。
