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  在不同界別的研究當(dāng)中，如何把設(shè)計貼合人類身體是個急切的挑戰(zhàn)。不同的設(shè)計例如可穿戴傳感器或功能性服飾都需要緊貼在皮膚才能發(fā)揮效用。幾十年來，壓力衣物是初期控制增生性疤痕治療的重要治療方法，但是只依靠壓力衣物本身并不能給予疤痕穩(wěn)定的壓力，從而影響治療效果。在臨床上，治療師利用聚乙烯泡沫填充身體凹陷的位置以達(dá)到一個較為理想壓力水平。雖然聚乙烯泡沫是相對較軟的材料，但是應(yīng)付在關(guān)節(jié)上大程度的皮膚拉伸和變形，聚乙烯泡沫并不能貼合在皮膚上，影響壓力的傳遞。

  負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在面外彎曲的會形成同向曲面而非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的鞍形彎面(圖1)，此特殊的作用有助于材料貼合于相同是同向曲面的人體關(guān)節(jié)位置。為了改善增生性疤痕治療的壓力治療，本文提出以熔融沉積成型三維打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)以取代傳統(tǒng)的聚乙烯泡沫填充物以穩(wěn)定壓力服在關(guān)節(jié)屈伸時給予疤痕的壓力水平 (圖2)。

圖1. 傳統(tǒng)蜂窩結(jié)構(gòu)與負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)于面外方向彎曲時的分別闡釋

圖2. 三維打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)熱塑性聚氨酯制備過程與于增生性疤痕治療的應(yīng)用

  近日，來自香港理工大學(xué)的奕潔倫博士，在Macromolecular Materials and Engineering 上發(fā)表題為“3D Printing Auxetic Architectures for Hypertrophic Scar Therapy”的研究文章。該文章通過有限元和試驗分析了兩種傳統(tǒng)的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)（內(nèi)凹Re-entrant和 雙箭頭 Double-arrowhead）于面外方向以球面施力時的物理特性包括形狀可塑性和結(jié)構(gòu)變化作出深入分析和討論。所設(shè)計的有限元模型與實驗數(shù)據(jù)表現(xiàn)出可接受的一致性。數(shù)據(jù)顯示負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的內(nèi)角角度對形狀可塑性起重要作用。

  同時為了了解本文設(shè)計的三維打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充對壓力傳遞的改變，進(jìn)行了穿戴試驗去比較傳統(tǒng)聚乙烯泡沫填充和新設(shè)計的差異。結(jié)果揭示了他們的設(shè)計有助于在手腕屈期伸間保持穩(wěn)定的壓力水平，從而促進(jìn)疤痕的成熟和恢復(fù)。

【本文要點】

  本文章首次較為系統(tǒng)的對負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在面外方向的形狀可塑性和結(jié)構(gòu)變化進(jìn)行分析，首先以有限元分析單一重復(fù)內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的內(nèi)角對于面外方向彎曲的影響，之后再以金屬球體向面外方向的多個重復(fù)的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)施壓，同時紀(jì)錄荷載與位移以厘定不同結(jié)構(gòu)的形狀可塑性。數(shù)據(jù)揭示雙箭頭比內(nèi)凹結(jié)構(gòu)可能有更佳的形狀可塑性，更為適合用壓力治療的填充物。

  另外，于有限元分析當(dāng)中，負(fù)泊松比的結(jié)構(gòu)于施壓時的變化亦進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析，基于內(nèi)角的變化的特性分成了四個階段，實驗與有限元分析數(shù)據(jù)亦指出第一階段對結(jié)構(gòu)的形狀可塑性尤其重要。

  其后，邀請了一位志愿者進(jìn)行了穿戴試驗，以比較傳統(tǒng)聚乙烯泡沫填充和新設(shè)計在壓力傳遞的差異。首先，壓力手套配帶到其手腕上，不同的填充物則安置于手腕背面和壓力手套中間，而壓力傳感器則安置于皮膚與填充物之間。實驗過程當(dāng)中，手腕會不停的屈伸并同時量度不同姿勢時的壓力變化。

  本文量化的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在面外方向的形狀可塑性和結(jié)構(gòu)變化不僅有助于增生性疤痕治療的發(fā)展，而且還有助于任何類型的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備，例如人體監(jiān)測傳感器。

有限元分析內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的內(nèi)角對于面外方向彎曲的影響

  通過有限元分析，他們展示了內(nèi)凹結(jié)構(gòu)的內(nèi)角的改變對于面外方向彎曲的影響，其最小和最大曲率以海倫公式估計并計算其總曲率。隨著內(nèi)角角度的增加，其總曲率逐漸下降并由同向曲面變成鞍形彎面結(jié)構(gòu)。

圖3. a) 于面外方向的彎曲的內(nèi)凹結(jié)構(gòu)與內(nèi)角、最大曲率與最小曲率的展示。b) 海倫公式估計。c) 60oRE and 120oRE樣本于1mN負(fù)載下的幾何改變有限元模擬。d&e) 內(nèi)角對最大曲率與最小曲率的影響。f) 內(nèi)角對同向曲面或 鞍形彎面特性影響。

內(nèi)凹和雙箭頭結(jié)構(gòu)在面外方向的形狀可塑性

  通過實驗分析，他們展示了不同內(nèi)角角度的內(nèi)凹和雙箭頭結(jié)構(gòu)形狀可塑性，在兩種不同的結(jié)構(gòu)中，較小的內(nèi)角角度的樣本也展示出較佳的形狀可塑性。由于60oRE和30oDAH 樣本體積相約，當(dāng)與傳統(tǒng)直接比較聚乙烯泡沫的力位移曲線，雙箭頭結(jié)構(gòu)樣本的力在10微米位移分別大約低于內(nèi)凹結(jié)構(gòu)跟聚乙烯泡沫 60%與40%；于25微米位移則低大約27%。

圖4. a) 形狀可塑性實驗展示。b) 樣本體積。c&d) RE和DAH樣本力位移曲線比較。e) 60oRE﹑30oDAH和PE_foam樣本力位移曲線比較。f) 樣本的成形能量比較

負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)變化分析

  實驗與模擬的結(jié)構(gòu)變化結(jié)果相約，基于結(jié)構(gòu)的內(nèi)角(θ_a 和θ_b)的變化的特性，把整個變形過程厘定分四個階段：第一階段θ_a 會減少，而θ_b會增加；第二階段開始θ_b會超過90o，外則本來的負(fù)泊松比的形狀變成非負(fù)泊比松的形狀；當(dāng)?shù)竭_(dá)第三階段，內(nèi)外的負(fù)泊松比的形狀也變成非負(fù)泊松比的形狀；第四階段的形狀變化很少，梁厚會開始顯著減少。兩個不同的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)亦顯示出類似的結(jié)構(gòu)變化過程，于第一階段時，力位移曲線的斜率比其他的階段明顯較低，代表其對結(jié)構(gòu)的形狀可塑性之重要性。

圖5. a&b) 30oDAH 和60oRE實驗和模擬結(jié)構(gòu)變化對比

穩(wěn)定在關(guān)節(jié)屈伸時給予疤痕的壓力水平

  實驗結(jié)果顯示當(dāng)手腕屈伸時，填充物中間的位置，使用三維打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)時皮膚的壓力能比使用傳統(tǒng)的聚乙烯泡沫更穩(wěn)定。使用聚乙烯泡沫時手腕屈曲，填充物的邊緣并未能與皮膚接觸；反之，使用三維打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充物時手腕屈曲，填充物的邊緣能貼服在皮膚上，并傳遞對增生性疤痕有療效的壓力水平。本設(shè)計能有效減低壓力過大帶來的副作用和避免壓力不足以致影響療效。于實際應(yīng)用時，可以先以柔軟的硅膠薄膜貼在疤痕上，不但可以避免填充物對疤痕的刮傷，更能加速改善疤痕外觀和厚度。

圖6. a) 穿戴試驗展示。b) 壓力傳感器的位置。c – e) 使用三維打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充或傳統(tǒng)的聚乙烯泡沫于不同位置壓力變化的對比。f ) 三維打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)填充實際應(yīng)用

  文章第一作者香港理工大學(xué)在讀碩士鄒龍，通訊作者是香港理工大學(xué)紡織及服裝學(xué)系易潔倫副教授。

  文章鏈接：

  3D Printing Auxetic Architectures for Hypertrophic Scar Therapy

  https://doi.org/10.1002/mame.202100866

通訊作者簡介

  易潔倫副教授，香港理工大學(xué)紡織及服裝學(xué)系副教授，曾主持許多研究項目包括優(yōu)配研究金和創(chuàng)新及科技基金，以提高病患者服裝、鞋類和胸罩的設(shè)計、合身性、舒適性和制造。這些項目涉及三維人體掃描、人體運動捕捉、織物熱性能評估、服裝壓力數(shù)值模擬以及服裝和/或鞋類的生物力學(xué)設(shè)計。通過 AI 和 ML 算法，足部生物力學(xué)、3D 人體測量學(xué)和材料特性被整合到鞋類設(shè)計中。她曾指導(dǎo) 10 多名博士/碩士學(xué)生利用有限元分析進(jìn)行不同的設(shè)計和開發(fā)、鞋類和壓力手套的人體工程學(xué)設(shè)計；并在國際期刊上發(fā)表了100多篇研究論文。

第一作者簡介

  鄒龍，于香港理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位。主要研究方向為功能性紡織品﹑三維打印﹑負(fù)泊松比物料﹑傳感器和可攜帶電子產(chǎn)品。

課題組招聘

  該課題組招聘電子計算學(xué)系相關(guān)背景的研究人員，另外也招聘一般研究助理，如有興趣加入，請電郵到:  tcyick@polyu.edu.hk。