NOVA Foot je prilagodljivo protetično stopalo, ki združuje inovativno zasnovo in visoko stopnjo prilagodljivosti. Razvil ga je Marco Garano, direktor C.P.T., pri čemer je proizvodnja mogoča izključno s 3D-tiskanjem.
NOVA Foot: Prilagodljivost za večje udobje
Večina protetičnih stopal zahteva obsežno prilagoditev s strani pacienta. Cilj NOVA Foot je, da se prilagodi pacientu in zagotovi udobje ter stabilnost pri vsakodnevni uporabi.
NOVA Foot je sestavljeno iz več segmentov: sprednjega stopala, srednjega stopala, pete in gležnja. Vsak segment je mogoče prilagoditi glede na potrebe posameznika. Te visoko prilagodljive dele se tiska s selektivnim laserskim sintriranjem (SLS) s 3D-tiskalnikom Fuse 1+ 30W. Dodatni podplati pri prstih in peti, prav tako natisnjeni s Fuse 1+ 30W, so popolnoma vodoodporni in omogočajo stabilnost ter oprijem v mokrem okolju, kot je tuš.
Tri vzmeti omogočajo gibanje različnih segmentov 3D-natisnjenega stopala. Upogib stopala je mogoče prilagoditi z mehkejšimi ali tršimi vzmetmi. Ker je vzmeti mogoče zamenjati kadarkoli, je NOVA Foot idealno tako za manj aktivne paciente, ki iščejo gladko gibanje in udobje, kot tudi za bolj aktivne uporabnike, ki potrebujejo odzivno protezo, ki vrača energijo med krajšimi športnimi aktivnostmi. Spreminjanje vzmeti prav tako pomaga novim amputirancem pri rehabilitaciji po amputaciji noge.
Na primer, če pacient želi večje udobje med fazo stika pete s tlemi in večji odriv pri fazi odriva prstov, lahko namesti mehkejšo vzmet v predelu pete in dve trši v sprednjem delu stopala, da prilagodi odziv NOVA Foot.
Zakaj 3D-tiskanje?
Izdelava NOVA Foot s katero koli drugo proizvodno metodo ne bi bila mogoča. Visoka stopnja prilagodljivosti številnih elementov bi bila pri drugih proizvodnih metodah, kot sta brizganje ali strojna obdelava, preveč draga. “Izdelava delov s Fuse 1+ 30W nam je omogočila ustvarjanje zelo kompleksnih geometrij, notranje votlih, s specifičnimi ojačitvami, preučenimi s FEM. To je omogočilo, da so deli lahki, a hkrati trpežni in funkcionalni. Drug primer je opora pete iz TPU, ki vključuje notranje votlinjenje za zmanjšanje gostote na specifični točki.”, pravi direktor Marco Garano.
Cena brizgalnih kalupov za izdelavo vseh delov NOVA Foot je ocenjena na 50.000–60.000 € na velikost, pri čemer je potrebnih najmanj šest velikosti. To pomeni, da bi sama izdelava kalupov za šest velikosti stala vsaj 300.000 €, kar je izjemno drago.
Interno 3D-tiskanje omogoča odpornost dobavne verige, zmanjšanje tveganj in hitrejše izvajanje tako prototipiranja, kot proizvodnje. Poleg tega možnost ponovne uporabe prahu pri SLS zmanjšujejo odpadke. Trenutno traja tiskanje enega NOVA Foot izdelka približno pet ur na tiskalniku Fuse 1+ 30W, pri čemer je mogoče v enem ciklu natisniti do štiri proteze.
Protosystem uporablja tako 3D-tiskalnik Fuse 1+ 30W SLS kot stereolitografski (SLA) tiskalnik Form 3B+ za prototipiranje in proizvodnjo, ter programsko opremo PreForm podjetja Formlabs za pripravo tiskanja. PreForm omogoča Marcu Garanu natančne ocene časa tiskanja in porabe materiala v realnem času, kar mu zagotavlja popoln nadzor nad proizvodnjo.
Dostop do obsežnega kataloga več kot 40 visokozmogljivih materialov podjetja Formlabs je bil ključna prednost pri izpolnjevanju zahtev tega projekta. NOVA Foot je moralo izpolnjevati številne zahteve glede lastnosti materialov: biti trpežno, lahko, vodoodporno, estetsko dovršeno, cenovno dostopno ter prenesti ponavljajoče se cikle uporabe pri obremenitvah. Za tiskanje so najprej uporabili SLS materiale, začeli so s praškom Nylon 11 za prototipiranje, nato pa prešli na Nylon 12 za proizvodnjo.
Nylon 12 Powder se uporablja za glavnino stopala, saj je lahek, odporen proti stiskanju in udarcem ter ima visoko okoljsko stabilnost. “Odločili smo se za izdelavo delov iz Nylon 12 Powder predvsem zato, ker so tolerance pri tiskanju s tem materialom boljše, deli v medsebojnem stiku ne potrebujejo ročne prilagoditve, poleg tega pa je končni strošek delov nekoliko nižji kot pri Nylon 11 Powder”, pravi Marco.
TPU 90A Powder se uporablja za blažilnik pete, blažilnik prednjega dela stopala ter pokrove vzmeti, ki zahtevajo prožnost. Blažilnik pete ima notranjo mrežasto strukturo, ki zagotavlja udobje pri vsakodnevni uporabi stopala. Mrežaste strukture ni mogoče izdelati s tradicionalnimi proizvodnimi metodami. Blažilniki ne samo absorbirajo udarce, temveč zagotavljajo tudi oprijem med hojo.
Mrežasta struktura petnih blazinic absorbira udarce.
Tradicionalne proteze iz ogljikovih vlaken uporabljajo pokrove za oprijem, zaščito stopala pred mokrim okoljem in zapolnjevanje čevlja. Oblikovanje NOVA Foot omogoča zapolnitev čevljev brez potrebe po pokrovu. Poleg tega materiali, uporabljeni za izdelavo NOVA Foot, ne potrebujejo zaščite pred vodo, TPU 90A Powder blažilniki pa zagotavljajo oprijem.
Povprečna proteza iz ogljikovih vlaken za odrasle tehta od 400 do 600 gramov, dodatni estetski pokrov pa okoli 200 gramov. Nasprotno, NOVA Foot tehta 550 gramov in ne potrebuje estetskega pokrova, kar jo naredi lažjo od proteze iz ogljikovih vlaken.
Poleg delov, tiskanih s SLS, se SLA deli uporabljajo za pritrditev vzmeti. Ta vzmetna držala morajo imeti zelo gladko površino, saj drsijo, poleg tega pa morajo biti izjemno natančna, da se prilegajo delom iz Nylon 12 Powder z minimalnim zračnostjo. Držala za vzmeti so natisnjena iz Tough 2000 Resin, material podoben ABS, ki zagotavlja močne in trpežne dele za dolgotrajno uporabo.
Testiranje NOVA Foot
Prvotno testiranje se izvaja s Metodo končnih elementov (MKE, ang. FEA) v SOLIDWORKS-u. Ko je zasnova preizkušena, se natisne za fizično testiranje. Za preverjanje mehanskega gibanja pri različnih aktivnostih se uporabljajo stroji, ki preizkušajo vzdržljivost stopala pri ponavljajočih se obremenitvah. S prototipiranjem s popolnoma enako proizvodno metodo, kot se uporablja pri dejanski izdelavi, testi natančno pokažejo, kako se bo NOVA Foot obnesel v realni uporabi.
Uporabniki morajo vzmeti v NOVA Foot zamenjati vsako leto, da ohranijo polno funkcionalnost, medtem ko se pričakuje, da bodo deli iz Nylon 12 Powder zaradi stiskanja zdržali več kot tri leta.
Po internem testiranju Protosystem sodeluje z ortopedskimi strokovnjaki in centri za testiranje v resničnih pogojih. Pred uradno predstavitvijo je bil NOVA Foot preizkušen pri prostovoljnih pacientih v telovadnici za amputirance ter pri vsakodnevni uporabi. Protosystem je ugotovil, da so uporabniki navdušeni nad gladkim in učinkovitim gibanjem NOVA Foot med hojo po klančini. Prav tako so pacienti poročali, da NOVA Foot med hojo vrača veliko energije, kar jim nudi podporo pri vsakem koraku.
Zahvaljujoč 3D-tiskanju lahko pacienti med uporabo NOVA Foot podajo povratne informacije, spremembe in prilagoditve pa je mogoče izvesti brez prekinitve proizvodnje. Na primer, amputiranec je potreboval dodatno podporo pri fazi stika pete s tlemi in večje blaženje udarcev. Marco Garano je lahko prilagodil model v nekaj urah, spremenil zgornji del stopala in pritrditev stopala za večjo podporo in boljše absorbiranje udarcev. Po izvedbi sprememb traja tiskanje stopala pet ur, kar omogoča prilagoditev v enem dnevu.
Po letu raziskav in različnih prototipih je bil NOVA Foot predstavljen v začetku marca 2025. Do danes so pacienti, ki so ga preizkusili, protezo zelo cenili zaradi njenih edinstvenih lastnosti.