復(fù)合材料一些的應(yīng)用

1、.,復(fù)合材料在現(xiàn)代骨科醫(yī)學(xué)和假肢裝置的使用,謝朝軍 張 真 劉 震,.,主講內(nèi)容,1.概述 2.硬組織的應(yīng)用 3 軟組織的應(yīng)用 4 組織工程應(yīng)用 5 在職業(yè)體育中特殊假肢的應(yīng)用 6 商業(yè)假肢 7.仿生傳感器，執(zhí)行器和人造肌肉 8.未來(lái)的方向 9. 結(jié)論,.,1.概述,復(fù)合材料的發(fā)展進(jìn)步使當(dāng)代骨科醫(yī)學(xué)和假肢的設(shè)計(jì)有了很大改善。復(fù)合材料是由兩個(gè)或兩個(gè)以上組分復(fù)合的功能材料，每種都有不同的性質(zhì)，并且它們可以相互結(jié)合得很好。通過(guò)裁剪，生物材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)可以被反映得更準(zhǔn)確。目前，纖維增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料已廣泛地用于骨科醫(yī)學(xué)。大多數(shù)上下肢假肢都是用高分子基復(fù)合材料制得。由于其優(yōu)異的比強(qiáng)度性能和較好的生物

2、相容性，這些材料得以很好的應(yīng)用。,.,對(duì)于生物材料來(lái)講，相容性是直接關(guān)系到人工肢體控制舒適與否的重要因素，例如，植入體與主組織堅(jiān)硬度的失配，可以導(dǎo)致劇烈的壓力屏蔽。 一種材料的生物相容性是指植入體在生物系統(tǒng)行為能力的適應(yīng)性。植入物和組織的界面會(huì)有一種材料的化學(xué)、生物、物理適宜性和剛度、強(qiáng)度和最佳負(fù)載傳輸?shù)确矫媪W(xué)性能的相容性（結(jié)構(gòu)相容性）。保持材料在機(jī)體環(huán)境中承受壓力的能力，從而實(shí)現(xiàn)材料的最佳性能。不僅僅是生物相容性會(huì)影響，很多其他方面也要考慮在內(nèi)（比如手術(shù)技術(shù)和病人健康狀況）。,.,為了成功地設(shè)計(jì)出不同類型的植入物，我們需要對(duì)其有很好的了解。骨骼是一種天然的復(fù)合材料，是由膠原纖維和散布于其間

3、的羥磷灰石復(fù)合而成。羥磷灰石有高彈性模量（100GPa），皮質(zhì)層的彈性模量降到1020GPa。 與通常用于骨固定的金屬相比是一個(gè)相對(duì)低的彈性模量。Ti和不銹鋼的彈性模量大約分別在118GPa、206GPa。 金屬、陶瓷、復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)塑料的剛度、強(qiáng)度和斷裂韌性如圖1（a-c）所示，明顯地看到，對(duì)高分子基復(fù)合材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟眉艨梢苑瞎趋赖男再|(zhì)，因此是一種重要潛在的替換材料。另外，我們還必須考慮相容性，實(shí)用性和成本等。,.,.,考慮到諸如行走、跑步、伸展、跳躍等日?；顒?dòng)，必須考慮環(huán)境對(duì)假肢的影響。假肢與骨骼直接接觸需要低彈性模量來(lái)獲得結(jié)構(gòu)兼容，高的強(qiáng)度來(lái)確保其實(shí)用性和耐久性。纖維增強(qiáng)高分子復(fù)

4、合材料能夠有效地實(shí)現(xiàn)低彈性模量和高強(qiáng)度。此外，抗腐蝕和抗疲勞性能得到極大的改善。,.,理論上，生物材料可分為：生物惰性材料（第一代）、生物活性和可降解材料（第二代）、分子級(jí)特定細(xì)胞反應(yīng)的材料（第三代），復(fù)合材料被認(rèn)為是在第三代生物材料形成生物降解腳手架和主要組織的發(fā)展。,.,2.硬組織的應(yīng)用,纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在硬組織上的應(yīng)用包括：頭骨重建，骨折修復(fù)，全膝、腳踝、臀和其他關(guān)節(jié)的替換以及牙科。 2.1骨折修復(fù) 骨折修復(fù)有兩類：外固定和內(nèi)固定。 外固定通過(guò)夾板固定、支撐或相似的固定系統(tǒng)使骨骼碎片保持對(duì)齊。傳統(tǒng)的鑄造材料基本是用CaSO4和緯編纖維植物或玻璃纖維和聚酯纖維來(lái)增強(qiáng)的。,.,與不銹鋼同等物

5、相比，碳纖維正長(zhǎng)石材料使病人心率和耗氧量減少10%，重量減少29%。另外，由于碳纖維增強(qiáng)塑料的低密度，使其走路更加靈活，步態(tài)和速度都有所改善。,.,內(nèi)固定必須使用金屬板、螺絲、針和線這樣的植入物將骨碎片固定到位，為了固定牢靠，經(jīng)常會(huì)用到金屬板和螺絲，包括熱固性材料在內(nèi)的多種聚合物復(fù)合材料。這一類復(fù)合材料可進(jìn)一步分為：非可再吸收、部分可再吸收和完全吸收的部分。,.,2.2全膝關(guān)節(jié)替代 復(fù)合材料在全膝關(guān)節(jié)替代中的應(yīng)用相當(dāng)困難的，主要是由于兩種組分間的結(jié)合性很差。研究表明，作為關(guān)節(jié)表面材料性能總結(jié)如下： A、高強(qiáng)度，高彈性模量，高斷裂韌性，較強(qiáng)的抗疲勞性，維持力學(xué)可靠性和在載荷作用下抗變形性； B、

6、體內(nèi)生物相容性和耐蝕性 ； C、在長(zhǎng)期低阻力的條件下，實(shí)現(xiàn)支持耐磨性能的高硬度和優(yōu)質(zhì)表面； D、在軸承表面/滑膜液界面濕潤(rùn)，有利于身體的潤(rùn)滑。,.,2.3全髖關(guān)節(jié)置換技術(shù) 全髖關(guān)節(jié)置換術(shù)是關(guān)節(jié)置換中最普遍的，目前，臨床使用的髖關(guān)節(jié)植入物主要是金屬。然而，假肢松動(dòng)和骨誘導(dǎo)直接影響骨重塑。研究發(fā)現(xiàn)：聚合物復(fù)合材料是一種潛在的替代材料。,.,多種計(jì)算方法已應(yīng)用于對(duì)CF/PA12，CF/PA12/HAP等新興的復(fù)合材料的性能進(jìn)行研究，他們的骨密度的分布如圖。與金屬的材料相比較，新材料更能夠適應(yīng)骨重構(gòu)，骨節(jié)的骨密度可能會(huì)提高20-40%，而骨結(jié)的密度減少10-20%，壓力的屏蔽破裂減少。,.,2.4牙科

7、應(yīng)用 在牙科的應(yīng)用上，包括正畸矯正線、支撐架和牙帖等，銀汞合金、金、Al2O3、Zr2O3等傳統(tǒng)修復(fù)材料已經(jīng)基本被復(fù)合樹(shù)脂所取代。在保有原來(lái)的修復(fù)功能和美觀外，而且使病人的手術(shù)過(guò)程耗時(shí)少，手術(shù)創(chuàng)傷少。缺點(diǎn)主要體現(xiàn)在它的使用壽命及導(dǎo)熱性能差導(dǎo)致味覺(jué)改變。,.,3 軟組織的應(yīng)用,研究證明纖維增強(qiáng)復(fù)合材料很難應(yīng)用到軟組織。包括皮膚，神經(jīng)，肌肉，韌帶和血管移植，它們?cè)谑艿揭环N生理負(fù)載時(shí)不服從胡克定律。其應(yīng)力應(yīng)變表現(xiàn)為非線性的“J”形曲線，復(fù)合材料一般取代的是高分子的系統(tǒng)，如多糖蛋白。 目前，研究采用包括自組裝、相分離、熔噴和模板合成等技術(shù)用復(fù)合材料模仿軟組織。,.,4 組織工程應(yīng)用,腳手架狀結(jié)構(gòu)的纖維

8、在軟組織工程和先進(jìn)骨組織工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，傳統(tǒng)上，對(duì)存在缺陷的骨頭通過(guò)如自體移植、異體移植、血管移植，骨髓移植等方法?？紤]到生物相容性，目前，采用骨誘導(dǎo)、骨引導(dǎo)連續(xù)刺激骨形成與自然組織機(jī)械兼容較好的支架結(jié)構(gòu)。支架材料可能進(jìn)一步作用于植入骨細(xì)胞和其他器官。支架材料能夠?qū)崿F(xiàn)藥物傳遞，局部釋放生長(zhǎng)素和抗生素，加強(qiáng)骨生長(zhǎng)。,.,現(xiàn)代骨組織工程優(yōu)點(diǎn)： 在任何特定時(shí)期供體組織量得到減少，可在體外進(jìn)行骨骼細(xì)胞設(shè)計(jì)。 移植失敗率和二次手術(shù)都將明顯的降低。 假肢間質(zhì)干細(xì)胞的早期治療，感染率減輕，病變組織可能會(huì)治愈。因此，終身治療的必要性也會(huì)減少。,.,抗酒石酸磷酸酶蘇木對(duì)比染色的顯微照片（a）商業(yè)羥基磷灰石，（

9、b）PGA/ B-TCP（1:1），（c）PGA/ B-TCP（1:3）分別為術(shù)后14，30，和90天。圖像放大200倍，插圖放大600倍。紅色：破骨細(xì)胞;藍(lán)色：細(xì)胞核; NB：新骨，M：材料；黑色比例尺度200微米;紅色比例尺度：50微米。比較表明骨礦化，再生和生物降解的能力，組織再生都滿足要求。,.,最近，納米生物活性玻璃尤其在骨軟、脆骨和牙本質(zhì)再生方面引起了大量的關(guān)注 ，它是復(fù)合了可生物降解聚合物和納米生物活性玻璃顆?；蚶w維，滿足適當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ亢蛷?qiáng)度同時(shí)，在納米尺寸可靈活設(shè)計(jì)，是骨組織工程材料應(yīng)用的主要競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。,.,掃描電子顯微鏡圖像（A - C）不同的放大倍率的靜電亞微米的生物活性玻

10、璃70S30C纖維（D）為單根光纖,.,在SBF中浸泡的PHBV/ BMBG復(fù)合支架SEM圖。（a）浸泡前的多孔結(jié)構(gòu)（b）浸泡前孔隙墻的局部放大形貌（c）浸泡8小時(shí)的腳手架（D）24 h浸泡的多孔網(wǎng)絡(luò)。,.,5 應(yīng)用在職業(yè)體育中的特殊假肢,碳纖維復(fù)合材料是一種重量非常輕的材料，且在高強(qiáng)度下仍可保持很好的靈活性，可以在假肢里嵌入能量返回系統(tǒng)。 1981年首次在西雅圖應(yīng)用， 截肢/修復(fù)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)取決于對(duì)病人身高、體重和活動(dòng)頻率，設(shè)計(jì)能量?jī)?chǔ)存并返回腳時(shí)必須考慮系統(tǒng)固有頻率。理想條件下，即沒(méi)有能量的損失，碳纖維復(fù)合材料作為腳可能很好的滿足胡克定律。在實(shí)際情景下應(yīng)考慮摩擦及能量損失。,.,Brgge

11、mann等人測(cè)的彈性伸縮足的動(dòng)態(tài)遲滯圖，他們計(jì)算出其能源回收率約為95。這個(gè)值取決于模型的準(zhǔn)確性，由于是理想化條件，因此其值可能偏高。,.,彈性伸縮腳設(shè)計(jì)原理，由飛利浦于1985年開(kāi)發(fā)的。1988年殘奧會(huì)后，不久就出現(xiàn)在職業(yè)體育比賽中。此后各種各樣的模型已開(kāi)發(fā)，以更好地滿足被截肢者的各種需求。,.,諾蘭通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明，碳纖維復(fù)合材料沖刺假肢的設(shè)計(jì)可以使用數(shù)學(xué)表達(dá)式為腳的形狀和剛度與速度的關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化。 2008年，當(dāng)雙下肢截肢者Oscar Pistorius要求在奧運(yùn)會(huì)和殘奧會(huì)上比賽，這說(shuō)明目前設(shè)計(jì)的復(fù)合假肢甚至可以超越人類的肢體。但有研究表明盡管下假肢的設(shè)計(jì)有巨大的進(jìn)步，生物力學(xué)不對(duì)稱性仍然會(huì)

12、導(dǎo)致下假肢在步行和跑步表現(xiàn)為劣勢(shì)。,.,6 商業(yè)假肢,對(duì)于缺乏足夠經(jīng)濟(jì)的截肢者來(lái)講，昂貴的碳纖維/環(huán)氧假肢是不可行的，而聚丙烯塑料和玻璃纖維/高密度聚乙烯（GF/HDPE）類由于犧牲其舒適性、機(jī)械性能和制造的可靠性而較為便宜。 針織懸浮紫外固化樹(shù)脂的芳綸纖維制成的面料有發(fā)展同時(shí)，為高消費(fèi)人群設(shè)計(jì)的假肢的研究也取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，有助于各級(jí)體育比賽和娛樂(lè)功能的假肢的發(fā)展。,.,7.仿生傳感器，執(zhí)行器和人造肌肉,仿生執(zhí)行器和聚合物基傳感器領(lǐng)域還不成熟，然而電活性聚合物在假肢部件以及植入反饋系統(tǒng)和醫(yī)藥生物芯片卻越來(lái)越流行。最近，各種導(dǎo)電高分子材料中，離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料（IPMCs）受到極大的關(guān)注，

13、他們結(jié)合遙感和驅(qū)動(dòng)能力及突出的柔軟性、靈活性、重量輕，具有優(yōu)良的生物相容性，大彎曲變形，低功耗和高頻率運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)。此外，在潮濕環(huán)境表現(xiàn)仍不錯(cuò)。,.,離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)中應(yīng)用 包括人工心室、括約肌和眼部肌肉，人工平滑肌，矯正人眼折射率，蠕動(dòng)泵，大小便失禁輔助裝置等領(lǐng)域。有人已開(kāi)發(fā)植入式、電控心臟壓縮設(shè)備的IPMCs，研究調(diào)查了IPMCs在現(xiàn)代感官反饋系統(tǒng)的應(yīng)用，特別是在上假肢具有潛在應(yīng)用。此外，IPMCs履行需設(shè)計(jì)為輕量級(jí)材料，能夠進(jìn)行大的彎曲變形，增強(qiáng)其實(shí)用性。,.,離子聚合物金屬?gòu)?fù)合材料面臨的挑戰(zhàn) 制作精度和定位帶寬的限制，高工作頻率下產(chǎn)生松弛和非線性變化的行為。 對(duì)應(yīng)力/應(yīng)變

14、的變化，以及在不同的溫度，壓力，濕度等環(huán)境下其熱、機(jī)械和化學(xué)性能方面的后續(xù)不穩(wěn)定性有待進(jìn)一步的研究提高。,.,8.未來(lái)的方向,目前多孔復(fù)合材料的研究發(fā)現(xiàn)其在組織工程中有廣泛的應(yīng)用，這種海綿狀結(jié)構(gòu)使人的簡(jiǎn)質(zhì)干細(xì)胞生長(zhǎng)成腳手架，減少假肢的松動(dòng)和應(yīng)力的影響，及減輕重量。 某些應(yīng)用于骨組織的多孔材料雖然表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性，但其機(jī)械性能有待改善，通常通過(guò)引進(jìn)纖維材料。在大多數(shù)情況下，纖維增強(qiáng)比顆粒的結(jié)合得更好。,.,另一個(gè)集中研究的領(lǐng)域是沉積在金屬植入物的功能性涂層材料，金屬植入物因良好的機(jī)械性能和低成本仍廣泛應(yīng)用。 最近一項(xiàng)研究：基于海藻酸鈉纖維復(fù)合膜植入有利于青光眼手術(shù)的研究，在體外條件下，Stodolak等人發(fā)現(xiàn)新開(kāi)發(fā)的膜有較高的強(qiáng)度和彈性，但是，他們是否適合青光眼的治療尚未通過(guò)體內(nèi)試驗(yàn)被證實(shí)。 通過(guò)納米工程學(xué)與材料加工技術(shù)創(chuàng)新性接合，可以克服一些它們固有弱點(diǎn)，并對(duì)材料性