软基体混合胞孔材料鞋垫对扁平足的生物力学特征的影响研究进展

软基体混合胞孔材料鞋垫对扁平足的生物力学特征的影响研究进展

郇亚威 1 ， 2 ， 陈扬1 ， 3 ， 4* ，陈国强 1 ，陈铭璁 5 ，王博伟 6 ，王小刚 7 ，袁俊虎 1 ，傅煊健 1 ，陈贤艺 1

1. 佛山市第一人民医院（中山大学附属佛山医院），广东 佛山 528000； 2. 遵义医科大学珠海校区，广东 珠海 519090 ； 3. 广东省 3D骨科仿生转化医学工程技术研究中心 ， 广东 佛山

528000；4.佛山市骨科3D数字化精准仿生转化医学工程技术研究中心，广东 佛山 528000；5.深圳大学总医院，广东 深圳518000；6.佛山林至高分子材料科技有限公司佛山特种功能材料高校科技成果中试平台，广东 佛山 528000；7.软谷材料实验室技术（广东）有限公司，广东 佛山 528000

【摘要】正常的足骨结构是人体行走、运动的基础。足弓是人体足部的重要组成部分，扁平足患者足弓结构异常，且伴有相应的临床症状。本文将论述一种应用新型软基体胞孔材料——人工软骨仿生超材料（Artificial Cartilage Foam，简称ACF材料）支持制造的矫形鞋垫对于扁平足的保守治疗效果与以往的其他矫形鞋垫及各种保守治疗综合论述比较。

【关键词】扁平足；矫形；人工软骨仿生超材料；生物力学

前言：扁平足是临床上常见的足部疾病，其主要由于先天或者后天因素所致足部畸形^[1]，直接表现为患者本身的步态不稳，逐渐发展为足底局部的慢性无菌性炎症性疼痛^[2]，再者影响扁平足患者的心理健康水平，根据国内外学者的研究做出总结分析，将传统鞋垫与新型材料鞋垫制作及性能的相关比较，增加扁平足治疗鞋垫的设计思路并指导后续相关疾病的研究。

1.扁平足定义与病因

扁平足又称平足症是临床中常见的一类足病，走姿步态不雅是扁平足引起的最直观的负面影响，临床表现为足跟外翻、足外翻、足弓下陷^[3]以至消失，足内侧缘不直，前足外展，跟骨、舟骨结节突出，内髁突出加大，外髁突出变小，足跟变宽，跟底外翻^[4]；跟腱止点外移。患者主观感受是足部疼痛不适、肿胀、畸形和走姿异常，还包括一些继发病变如筋膜炎、跟腱炎、脊柱侧弯等^[5]；其病因主要是先天发育异常导致神经肌肉走行异常形成的畸形，高体重、外伤、老化功能退变过度运动、选鞋穿鞋^[6]不当等后天影响^[7]。

2.治疗方法

2.1包括减重和休息、药物治疗、功能训练、推拿、针灸治疗、手术治疗、矫形鞋垫矫治；对于大部分的扁平足患者而言，保守治疗成为首选的治疗方式；临床医生考虑手术治疗的指征：保守治疗6个月，效果依旧不满意^[8]。目前有许多手术方式用于改善扁平足患者的体征；综合考量患者的年龄、足部活动程度、局部组织状况及是否合并关节炎等^[8]，采取合适的手术方案，其最终目的主要是减缓患者足部疼痛不适症状，改善走姿步态，以提高其生活质量。

2.2虽然手术治疗效果见效快，但是费用昂贵，而且对于基体属于有创操作，除了会造成直观的皮肤疤痕外，复杂的治疗过程也可能会给患者带来其他的不良事件；包括术后疼痛复发，矫治效果不满意等。矫形鞋垫的问世给多数患者带来了福音，尤其柔软性平足症患者，首先矫形鞋垫使用便捷无创伤，并且能够有效缓解扁平足疼痛；成品鞋垫相对于个性定制鞋垫具有价格便宜，获取方便等优势，大多数患者会优先采用成品鞋垫进行治疗，并取得满意效果^[9]。

2.2.1依据制造材料种类不同如聚乙烯泡沫塑料、乙烯醋酸乙烯酯( EVA) 、皮革、软木等^[10]，矫形鞋垫的种类繁多，传统治疗扁平足的矫形鞋垫依靠高硬度的材料支撑足舟骨至正常高度，有效改善患者的足弓结构^[11]，改善足底接触面积，平衡足底压力至足弓外侧，以降低足部疼痛^[12]，常见的并发症：疼痛，腱鞘炎及足部溃疡等^[13]在接受扁平足鞋垫矫治后，均能获得不同程度的改善。^[14]汤启运等参与的不同足弓支撑高度和材料硬度的研究结果表明：材料硬度和支撑高度很大程度上影响了足底的压力分布，其硬度为 50°shoreC，支撑高度为 24mm 的矫形鞋垫对降低扁平足前掌压强效果显著；为扁平足鞋垫的设计参数提供了理论支撑。

2.2.2定制鞋垫性能优于传统成品鞋垫，其治疗原理同成品鞋垫：足弓部位采用硬质材料支撑，改善足部异常结构，但其会影响前脚掌的受力，进而增加前掌压力，导致前足疼痛症状，定制鞋垫可采用不同的材料进行组合，前掌选择柔软弹性材料，满足减压功能时也降低支撑足弓后引起的前足不适，改善了穿着时舒适度问题^[15]。未来的扁平足矫形鞋垫制作，将优化足部适配与舒适度，综合实验考量不同材料组成后，患者的足底压力参数结合患者主观感受，做出大数据最优适配，为批量生产提供理论依据。

2.2.3随着3D打印技术的出现和打印技术的不断成熟，传统的矫形鞋垫制作工艺结合最新的3D打印技术，开创了3D打印技术发展新领域。经计算机数字化扫描人体结构分析后，制造的3D 打印矫形鞋垫能更好地贴合足弓，改善平足患者的足底压力分布更均匀、更好的支撑效果、缓冲冲击力能力进一步提高，疗效更显著。

^[16]陈润峰等人在对一类软基体胞孔材料：人工软骨仿生超材料（ACF材料）的多次冲击性能进行研究发现，软基体胞孔材料与传统缓冲垫片比较其吸能性能优异且具有很好的缓冲效果。其三维超结构分子排列方式将获得的外力作用首先依靠带孔空气泡结构缓冲减速，然后逐级分散传递，将机械能量不断“稀释”，另一部分则实现能量转换，由热能的形式散发；总结ACF材料保护作用基于其吸能的力学原理得以实现：（1）延长速度变化时间；（2）增大受力响应面积；（3）能量转换。将3D打印技术结和人工软骨仿生超材料设计制造的扁平足矫形鞋垫通过实验发现能起到良好的缓冲作用，并减少下肢损伤。ACF材料吸能的力学原理通过三方面：（1）延长速度变化时间；（2）增大受力响应面积；（3）能量转换。

3总结

矫形鞋垫作为一种安全可靠的治疗手段 ，现在已经被广泛用于临床柔韧性扁平足的治疗，扁平足矫形鞋垫的设计较为简单，而且对人体的步态及足底压力具有改善作用，国内外已有很多的研究为矫形鞋垫的作用原理及制作提供理论支持；ACF矫形鞋垫的出现为扁平足保守治疗提供了新的思路，其具有良好的缓冲保护性能，但是其长期的治疗效果仍不明确，而且国内外均缺乏相关的深入对照研究；今后矫形鞋垫的发展除了依靠更加科学合理的设计，更加需要的仍然是超高性能的材料支持。

参考文献

[1] 陈善本,鲍琨,陈博昌.儿童足弓发育与扁平足的研究进展[J].临床小儿外科杂志,2016,15(06):610-613.

[2] 胡晓梅,唐文静,马璐钰,等.扁平足及矫形鞋垫影响其足底压力的研究进展[J].按摩与康复医学,2020,11(22):33-34.

[3] Dars S,Uden H,Banwell H A,et al.The effectiveness of non-surgical intervention(Foot Orthoses)for paediatric flexible pes planus:A systematic review:Update[J].PLoS One,2018,13(2):e193060.

[4] 曹萍,汪波,丛燕,等.矫形鞋垫对扁平足的矫治效果的评价研究[J].影像研究与医学应用,2017,1(18):184-186.

[5] 蒙雨,唐学阳,刘利君.儿童柔软型扁平足的治疗进展[J].临床小儿外科杂志,2018,17(05):390-393.

[6] Sadeghi-Demneh E,Azadinia F,Jafarian F,et al.Flatfoot and obesity in school-age children:a cross-sectional study[J].Clin Obes,2016,6(1):42-50.

[7] 张秀丽,刘学贞,任影萍.扁平足的研究进展[J].河北体育学院学报,2007(02):80-82.

[8] 叶嘉鹏,瞿玉兴.成人获得性扁平足手术治疗进展[J].中外医疗,2019,38(08):195-198.

[9] 张新语,邢新阳,霍洪峰.矫正鞋垫的设计原理与生物力学功能[J].中国组织工程研究,2020,24(23):3744-3750.

[10] 苏宏伦,郭俊超,莫中军,等.个性化扁平足矫形鞋垫的生物力学研究[J].医用生物力学,2016,31(06):490-494.

[11] 严文广,孙绍丹,李旭红.体外冲击波联合矫形鞋垫治疗足底筋膜炎的疗效观察[J].中南大学学报(医学版),2014,39(12):1326-1330.

[12] 高峰,李海峰,谢谨,等.物理因子结合矫形鞋垫治疗跟痛症[J].中国康复,2012,27(04):311-312.

[13] 胡智宏,叶倩,孔叶平.矫形鞋垫的作用机制及临床研究进展[J].中国康复,2016,31(03):229-231.

[14] 汤运启,李静,王志康,等.矫形鞋垫对扁平足人群足底压力分布的影响[J].中国皮革,2019,48(11):55-61.

[15] 刘梦媛,刘浩,晏诗阳,等.扁平足矫形鞋垫的研究进展[J].皮革科学与工程,2021,31(02):54-61.

[16] 陈润峰,石庚辰,张力,等.人工软骨仿生材料在引信缓冲中的应用[J].探测与控制学报,2020,42(06):8-12.

基金项目：广东省3D骨科仿生转化医学工程技术研究中心(粤科函产字[2020]141号)；佛山市骨科3D数字化精准仿生转化医学工程技术研究中心（佛科[2019]125号）

通讯作者：陈扬，E-mail：drchenyang@163.com

1