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在過去的5至10年中，在假體生產(chǎn)中使用碳纖維復(fù)合材料和輕金屬合金無疑成為技術(shù)上的最大飛躍?，F(xiàn)代假肢設(shè)備可幫助數(shù)以萬計的人至少部分補償其缺失的肢體并過上高質(zhì)量的生活。而對于一些從事體育活動的客戶而言，甚至可以打破記錄。

為什么碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料在假肢生產(chǎn)中如此成功？什么是決定因素：材料的吸引力、價格、簡單的制造工藝或材料科學(xué)的技術(shù)優(yōu)勢？為了回答這個問題，我們必須專注于所需的假體規(guī)格以及碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的性能。

現(xiàn)代成型技術(shù)

現(xiàn)代假肢的關(guān)鍵特征是可以根據(jù)個人身高、體重和肌肉結(jié)構(gòu)進行定制。使用涉及機械加工的制造過程不可能為假體提供所需的形狀。因此，所使用的材料必須適合于模制制造技術(shù)。碳纖維復(fù)合材料的最大優(yōu)勢在于，它們可以生產(chǎn)具有薄壁和復(fù)合曲線的深層部件。通過使用對開模與樹脂傳遞模塑法和預(yù)浸料法相結(jié)合，可以生產(chǎn)任何種類的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。

隨零部件變化的機械性能

假體有望完全復(fù)制其替代的自然器官的功能。數(shù)千年來的發(fā)展已將人類的肌肉和骨骼轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂懈咦枇?重量比和不同區(qū)域不同特性的完美結(jié)構(gòu)。當(dāng)我們檢查骨骼時，我們看到不同的區(qū)域并不相同，它具有不同的膠原蛋白、羥磷灰石和孔隙率。這種現(xiàn)象在醫(yī)學(xué)上被稱為沃爾夫定律，顯示出骨骼在高應(yīng)力區(qū)域（例如尖端）的密度和強度較高，而低應(yīng)力區(qū)域的密度和強度較低。脛骨尖端的密度和抗壓強度提高了50％。由于花在零重力上的時間很長，宇航員的骨骼變得虛弱。

隨著復(fù)合材料的模制方法的最新發(fā)展，有可能在部件的不同區(qū)域獲得不同水平的強度和模量，特別是使用樹脂傳遞模塑法和現(xiàn)代纖維鋪網(wǎng)（絲束放置）方法，可以高精度地獲得不同部分的壁厚變化。因此，可以根據(jù)沃爾夫定律在模擬自然的不同區(qū)域生產(chǎn)具有不同強度的組件，可以高精度獲得不同壁厚的組件。

高比強度

在溫血動物中，肌肉和肌腱有助于人體運動，而骨骼和關(guān)節(jié)則是負(fù)累。目前，由醫(yī)療機構(gòu)批準(zhǔn)并在實踐中常規(guī)使用的假肢可接管骨骼的功能。具有內(nèi)部電源的主動修復(fù)術(shù)仍處于發(fā)展階段。替代骨骼的假體必須具有與天然骨骼相似的機械強度。當(dāng)前可用的碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料容易產(chǎn)生700 MPa的拉伸強度和70 GPa的彈性模量。連同其1.6 g/mL的密度一起考慮，該材料的非常高的比強度變得更加明顯。

除了其抗張強度外，高抗壓強度和斷裂韌性還有助于提高這種材料的品質(zhì)。假肢的生產(chǎn)還有其他候選材料，如常規(guī)的木材、玻璃纖維/聚酯復(fù)合材料、玻璃和碳纖維/熱塑性復(fù)合材料、金屬及其合金或陶瓷也可用于假肢。就絕對強度、模量和斷裂韌性而言，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料最類似于天然骨骼。

理想的重量分布

上述碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的比強度是如此之高，以至于可以制造出具有與自然腿相同強度但同時又輕60％的假體。最初生產(chǎn)的碳纖維假體確實非常輕。由于采用了這種新材料，整個腿部假肢的重量只有2至3公斤。但是，一個人的腿重80公斤，重約13到14公斤。70年代的實驗表明，這些超輕假體根本不實用。干擾人體的最佳體重分布產(chǎn)生差的結(jié)果。

改變?nèi)梭w的重量分布會使坐下、彎曲或舉起等活動變得更加困難。這表明，與其說假體的總重量，不如說重要的是重量分布和產(chǎn)生的角動量。特別是對于下肢假肢，在膝蓋區(qū)域附近的輕型部件上增加鉛錘的重量有助于關(guān)節(jié)的運動。

研究還發(fā)現(xiàn)手臂假肢的重量必須與肌肉在其整個生命周期中習(xí)慣移動的重量大致相同。在碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中，通過將一個重物附著到假體中最合適的位置，將該重物散布或集中在一個點上來進行微調(diào)非常簡單，這使得這種材料在假體制造中非常成功。

衛(wèi)生、安全

假體中使用的任何材料，除了要具有高強度外，還必須易于清潔、不吸濕、耐腐蝕、耐細(xì)菌和真菌感染、耐紫外線、對汗液和鹽分不敏感。經(jīng)過固化和洗滌后，環(huán)氧樹脂不會刺激人體皮膚，并且不會引起過敏。皮膚意外接觸假體不會造成任何傷害。碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料具有所有所需的性能。

彈性性能

在肌肉和肌腱中發(fā)現(xiàn)的稱為髓磷脂和彈性蛋白的蛋白質(zhì)的一個重要特征是，它們在穩(wěn)定狀態(tài)下就像彈簧一樣起作用。幾千年來，彈性蛋白是肌腱的主要組成部分，已演變成完美的“胡克式固體”。在施加的應(yīng)力和所產(chǎn)生的應(yīng)變之間呈現(xiàn)線性關(guān)系的材料稱為“霍克固體”。這種材料的例子包括鋼彈簧或橡皮筋。袋鼠跟腱中的彈性蛋白就像一個完美的彈簧，使動物能夠以相對較少的能量長距離奔跑。每次袋鼠撞到地面時，都會發(fā)生彈性碰撞，幾乎所有動能都會轉(zhuǎn)化為勢能。因此，下一跳躍僅需要少量的附加能量。

步行或跑步時，人類會利用相同的動能/勢能轉(zhuǎn)換。在玻璃纖維、芳綸和碳纖維復(fù)合材料的三點彎曲測試開始時觀察到的線性區(qū)域（胡克固體的特征）在碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料中最為明顯。在這三種不同的復(fù)合材料中，碳纖維復(fù)合材料在變形較小的情況下最符合胡克定律。這也是碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成為假肢選擇材料的主要原因。

疲勞強度

假體材料的另一個要求是疲勞強度。顯然，假體所承受的負(fù)載并不保持恒定，而是隨著每個步驟而變化，隨著設(shè)備不斷彎曲并恢復(fù)其原始形狀。每種已知材料在重復(fù)彎曲一定次數(shù)的循環(huán)后都會失去部分強度，最終導(dǎo)致組件損壞。自然，對于假體裝置來說，逐漸降低強度和縮短使用壽命是不可接受的。

從60年代開始，鋁假肢的使用壽命僅為1年。聚合物基體的破裂、纖維斷裂、分層以及基體/纖維界面處的分離是復(fù)合材料在反復(fù)彎曲時觀察到的四種不同的破壞模式。纖維/基體界面處的分離對組件的壽命影響最大。下圖的曲線顯示了不同材料疲勞導(dǎo)致的強度損失程度。在此圖表中可以看到，碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料在經(jīng)歷了極高的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后仍具有很高的殘余強度。在機翼、風(fēng)力渦輪機葉片和一級方程式賽車中均大量使用碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料，表明這種材料具有極高的疲勞強度。

綜上所述，在選擇用于制造假體的材料時，碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料成為眾多材料中脫穎而出的首選材料，主要原因在于其抗拉強度和抗壓強度、模量、抗沖擊性、耐疲勞性、比重、易于制造、衛(wèi)生和美學(xué)因素。得益于碳纖維復(fù)合材料假肢，全世界成千上萬的人生活得更好、更充實。