【专业讲堂】碳纤维/环氧树脂复合材料：骨科假肢的理想材料
在过去的5至10年中，在假体生产中使用碳纤维复合材料和轻金属合金无疑成为技术上的最大飞跃。现代假肢设备可帮助数以万计的人至少部分补偿其缺失的肢体并过上高质量的生活。而对于一些从事体育活动的客户而言，甚至可以打破记录。
为什么碳纤维/环氧复合材料在假肢生产中如此成功？什么是决定因素：材料的吸引力、价格、简单的制造工艺或材料科学的技术优势？为了回答这个问题，我们必须专注于所需的假体规格以及碳纤维/环氧树脂复合材料的性能。
现代成型技术
现代假肢的关键特征是可以根据个人身高、体重和肌肉结构进行定制。使用涉及机械加工的制造过程不可能为假体提供所需的形状。因此，所使用的材料必须适合于模制制造技术。碳纤维复合材料的最大优势在于，它们可以生产具有薄壁和复合曲线的深层部件。通过使用对开模与树脂传递模塑法和预浸料法相结合，可以生产任何种类的复杂结构。
随零部件变化的机械性能
假体有望完全复制其替代的自然器官的功能。数千年来的发展已将人类的肌肉和骨骼转变为具有高阻力/重量比和不同区域不同特性的完美结构。当我们检查骨骼时，我们看到不同的区域并不相同，它具有不同的胶原蛋白、羟磷灰石和孔隙率。这种现象在医学上被称为沃尔夫定律，显示出骨骼在高应力区域（例如尖端）的密度和强度较高，而低应力区域的密度和强度较低。胫骨尖端的密度和抗压强度提高了50％。由于花在零重力上的时间很长，宇航员的骨骼变得虚弱。
随着复合材料的模制方法的最新发展，有可能在部件的不同区域获得不同水平的强度和模量，特别是使用树脂传递模塑法和现代纤维铺网（丝束放置）方法，可以高精度地获得不同部分的壁厚变化。因此，可以根据沃尔夫定律在模拟自然的不同区域生产具有不同强度的组件，可以高精度获得不同壁厚的组件。
高比强度
在温血动物中，肌肉和肌腱有助于人体运动，而骨骼和关节则是负累。目前，由医疗机构批准并在实践中常规使用的假肢可接管骨骼的功能。具有内部电源的主动修复术仍处于发展阶段。替代骨骼的假体必须具有与天然骨骼相似的机械强度。当前可用的碳纤维/环氧树脂复合材料容易产生700 MPa的拉伸强度和70 GPa的弹性模量。连同其1.6 g/mL的密度一起考虑，该材料的非常高的比强度变得更加明显。
除了其抗张强度外，高抗压强度和断裂韧性还有助于提高这种材料的品质。假肢的生产还有其他候选材料，如常规的木材、玻璃纤维/聚酯复合材料、玻璃和碳纤维/热塑性复合材料、金属及其合金或陶瓷也可用于假肢。就绝对强度、模量和断裂韧性而言，碳纤维/环氧树脂复合材料最类似于天然骨骼。
理想的重量分布
上述碳纤维/环氧树脂复合材料的比强度是如此之高，以至于可以制造出具有与自然腿相同强度但同时又轻60％的假体。最初生产的碳纤维假体确实非常轻。由于采用了这种新材料，整个腿部假肢的重量只有2至3公斤。但是，一个人的腿重80公斤，重约13到14公斤。70年代的实验表明，这些超轻假体根本不实用。干扰人体的最佳体重分布产生差的结果。
改变人体的重量分布会使坐下、弯曲或举起等活动变得更加困难。这表明，与其说假体的总重量，不如说重要的是重量分布和产生的角动量。特别是对于下肢假肢，在膝盖区域附近的轻型部件上增加铅锤的重量有助于关节的运动。
研究还发现手臂假肢的重量必须与肌肉在其整个生命周期中习惯移动的重量大致相同。在碳纤维/环氧树脂复合材料中，通过将一个重物附着到假体中最合适的位置，将该重物散布或集中在一个点上来进行微调非常简单，这使得这种材料在假体制造中非常成功。
假体中使用的任何材料，除了要具有高强度外，还必须易于清洁、不吸湿、耐腐蚀、耐细菌和真菌感染、耐紫外线、对汗液和盐分不敏感。经过固化和洗涤后，环氧树脂不会刺激人体皮肤，并且不会引起过敏。皮肤意外接触假体不会造成任何伤害。碳纤维/环氧树脂复合材料具有所有所需的性能。
在肌肉和肌腱中发现的称为髓磷脂和弹性蛋白的蛋白质的一个重要特征是，它们在稳定状态下就像弹簧一样起作用。几千年来，弹性蛋白是肌腱的主要组成部分，已演变成完美的“胡克式固体”。在施加的应力和所产生的应变之间呈现线性关系的材料称为“霍克固体”。这种材料的例子包括钢弹簧或橡皮筋。袋鼠跟腱中的弹性蛋白就像一个完美的弹簧，使动物能够以相对较少的能量长距离奔跑。每次袋鼠撞到地面时，都会发生弹性碰撞，几乎所有动能都会转化为势能。因此，下一跳跃仅需要少量的附加能量。
步行或跑步时，人类会利用相同的动能/势能转换。在玻璃纤维、芳纶和碳纤维复合材料的三点弯曲测试开始时观察到的线性区域（胡克固体的特征）在碳纤维/环氧树脂复合材料中最为明显。在这三种不同的复合材料中，碳纤维复合材料在变形较小的情况下最符合胡克定律。这也是碳纤维/环氧树脂复合材料成为假肢选择材料的主要原因。
假体材料的另一个要求是疲劳强度。显然，假体所承受的负载并不保持恒定，而是随着每个步骤而变化，随着设备不断弯曲并恢复其原始形状。每种已知材料在重复弯曲一定次数的循环后都会失去部分强度，最终导致组件损坏。自然，对于假体装置来说，逐渐降低强度和缩短使用寿命是不可接受的。
从60年代开始，铝假肢的使用寿命仅为1年。聚合物基体的破裂、纤维断裂、分层以及基体/纤维界面处的分离是复合材料在反复弯曲时观察到的四种不同的破坏模式。纤维/基体界面处的分离对组件的寿命影响最大。下图的曲线显示了不同材料疲劳导致的强度损失程度。在此图表中可以看到，碳纤维/环氧复合材料在经历了极高的应力循环次数后仍具有很高的残余强度。在机翼、风力涡轮机叶片和一级方程式赛车中均大量使用碳纤维/环氧复合材料，表明这种材料具有极高的疲劳强度。
综上所述，在选择用于制造假体的材料时，碳纤维/环氧树脂复合材料成为众多材料中脱颖而出的首选材料，主要原因在于其抗拉强度和抗压强度、模量、抗冲击性、耐疲劳性、比重、易于制造、卫生和美学因素。得益于碳纤维复合材料假肢，全世界成千上万的人生活得更好、更充实。