復合材料一些的應(yīng)用

1、復合材料在現(xiàn)代骨科醫(yī)學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.未來的方向 9. 結(jié)論1.概述 復合材料的發(fā)展進步使當代骨科醫(yī)學和假肢的設(shè)計有了很大改善。復合材料是由兩個或兩個以上組分復合的功能材料，每種都有不同的性質(zhì)，并且它們可以相互結(jié)合得很好。通過裁剪，生物材料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)可以被反映得更準確。目前，纖維增強的聚合物復合材料已廣泛地用于骨科醫(yī)學。大多數(shù)上下肢假肢都是用高分子基復合材料制得。由于其優(yōu)異的比強度性能和較好的生物相容性，這些材料得以很

2、好的應(yīng)用。 對于生物材料來講，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，植入體與主組織堅硬度的失配，可以導致劇烈的壓力屏蔽。 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有一種材料的化學、生物、物理適宜性和剛度、強度和最佳負載傳輸?shù)确矫媪W性能的相容性（結(jié)構(gòu)相容性）。保持材料在機體環(huán)境中承受壓力的能力，從而實現(xiàn)材料的最佳性能。不僅僅是生物相容性會影響，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)計出不同類型的植入物，我們需要對其有很好的了解。骨骼是一種天然的復合材料，是由膠原纖維和散布于其間的羥磷灰石復合而成。羥磷灰石有

3、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相對低的彈性模量。ti和不銹鋼的彈性模量大約分別在118gpa、206gpa。 金屬、陶瓷、復合材料和纖維增強塑料的剛度、強度和斷裂韌性如圖1（a-c）所示，明顯地看到，對高分子基復合材料進行適當?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，實用性和成本等。 考慮到諸如行走、跑步、伸展、跳躍等日?；顒樱仨毧紤]環(huán)境對假肢的影響。假肢與骨骼直接接觸需要低彈性模量來獲得結(jié)構(gòu)兼容，高的強度來確保其實用性和耐久性。纖維增強高分子復合材料能夠有效地實現(xiàn)低彈性模量和高強度

4、。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）、分子級特定細胞反應(yīng)的材料（第三代），復合材料被認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 纖維增強復合材料在硬組織上的應(yīng)用包括：頭骨重建，骨折修復，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 骨折修復有兩類：外固定和內(nèi)固定。 外固定通過夾板固定、支撐或相似的固定系統(tǒng)使骨骼碎片保持對齊。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增強的。 與不銹鋼同等物相比，碳纖維正長石材料使病人心率和耗氧量減少10%，重

5、量減少29%。另外，由于碳纖維增強塑料的低密度，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)的多種聚合物復合材料。這一類復合材料可進一步分為：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 復合材料在全膝關(guān)節(jié)替代中的應(yīng)用相當困難的，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、高強度，高彈性模量，高斷裂韌性，較強的抗疲勞性，維持力學可靠性和在載荷作用下抗變形性； b、體內(nèi)生物相容性和耐蝕性 ； c、在長期低阻力的條件下，實現(xiàn)支持耐

6、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，有利于身體的潤滑。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，假肢松動和骨誘導直接影響骨重塑。研究發(fā)現(xiàn)：聚合物復合材料是一種潛在的替代材料。 多 種 計 算 方 法 已 應(yīng) 用 于 對 c f / pa 1 2 ，cf/pa12/hap等新興的復合材料的性能進行研究，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牙科應(yīng)用 在牙科的應(yīng)用上，包括正畸矯正線、支撐架和

7、牙帖等，銀汞合金、金、al2o3、zr2o3等傳統(tǒng)修復材料已經(jīng)基本被復合樹脂所取代。在保有原來的修復功能和美觀外，而且使病人的手術(shù)過程耗時少，手術(shù)創(chuàng)傷少。缺點主要體現(xiàn)在它的使用壽命及導熱性能差導致味覺改變。3 軟組織的應(yīng)用 研究證明纖維增強復合材料很難應(yīng)用到軟組織。包括皮膚，神經(jīng)，肌肉，韌帶和血管移植，它們在受到一種生理負載時不服從胡克定律。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)的纖維在軟組織工程和先進骨組織工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，傳統(tǒng)上，對存在缺

8、陷的骨頭通過如自體移植、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、骨引導連續(xù)刺激骨形成與自然組織機械兼容較好的支架結(jié)構(gòu)。支架材料可能進一步作用于植入骨細胞和其他器官。支架材料能夠?qū)崿F(xiàn)藥物傳遞，局部釋放生長素和抗生素，加強骨生長?，F(xiàn)代骨組織工程優(yōu)點： 在任何特定時期供體組織量得到減少，可在體外進行骨骼細胞設(shè)計。 移植失敗率和二次手術(shù)都將明顯的降低。 假肢間質(zhì)干細胞的早期治療，感染率減輕，病變組織可能會治愈。因此，終身治療的必要性也會減少。 抗酒石酸磷酸酶蘇木對比染色的顯微照片（a）商業(yè)羥基磷灰石，（b）pga/ b-tcp（1:1），（c）pga/ b-tcp（1:

9、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：破骨細胞;藍色：細胞核; 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?shù)膹椥阅Ａ亢蛷姸韧瑫r，在納米尺寸可靈活設(shè)計，是骨組織工程材料應(yīng)用的主要競爭對手。 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璃70s30c纖維（d）為單根光纖 在sbf中浸泡的phbv/ bmbg復合

10、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 碳纖維復合材料是一種重量非常輕的材料，且在高強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/修復系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)取決于對病人身高、體重和活動頻率，設(shè)計能量儲存并返回腳時必須考慮系統(tǒng)固有頻率。理想條件下，即沒有能量的損失，碳纖維復合材料作為腳可能很好的滿足胡克定律。在實際情景下應(yīng)考慮摩擦及能量損失。 brggemann等人測的彈性伸縮足的動態(tài)遲滯圖，他們計算出其能源回收率約為95。這個值取決于模型的

11、準確性，由于是理想化條件，因此其值可能偏高。 彈性伸縮腳設(shè)計原理，由飛利浦于1985年開發(fā)的。1988年殘奧會后，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發(fā)，以更好地滿足被截肢者的各種需求。 諾蘭通過實驗表明，碳纖維復合材料沖刺假肢的設(shè)計可以使用數(shù)學表達式為腳的形狀和剛度與速度的關(guān)系進行優(yōu)化。 2008年，當雙下肢截肢者oscar pistorius要求在奧運會和殘奧會上比賽，這說明目前設(shè)計的復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)計有巨大的進步，生物力學不對稱性仍然會導致下假肢在步行和跑步表現(xiàn)為劣勢。6 商業(yè)假肢 對于缺乏足夠經(jīng)濟的截肢者來講，昂貴的碳纖維/環(huán)氧假

12、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、機械性能和制造的可靠性而較為便宜。 針織懸浮紫外固化樹脂的芳綸纖維制成的面料有發(fā)展同時，為高消費人群設(shè)計的假肢的研究也取得了長足的發(fā)展，有助于各級體育比賽和娛樂功能的假肢的發(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)藥生物芯片卻越來越流行。最近，各種導電高分子材料中，離子聚合物金屬復合材料（ipmcs）受到極大的關(guān)注，他們結(jié)合遙感和驅(qū)動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，低功耗和高頻率運行等優(yōu)

13、點。此外，在潮濕環(huán)境表現(xiàn)仍不錯。離子聚合物金屬復合材料在生物醫(yī)學中應(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，蠕動泵，大小便失禁輔助裝置等領(lǐng)域。有人已開發(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)計為輕量級材料，能夠進行大的彎曲變形，增強其實用性。離子聚合物金屬復合材料面臨的挑戰(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。 對應(yīng)力/應(yīng)變的變化，以及在不同的溫度，壓力，濕度等環(huán)境下其熱、機械和化學性能方面的后續(xù)不穩(wěn)定性有待進一步的研究提高。8.未來的方向 目

14、前多孔復合材料的研究發(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)使人的簡質(zhì)干細胞生長成腳手架，減少假肢的松動和應(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，但其機械性能有待改善，通常通過引進纖維材料。在大多數(shù)情況下，纖維增強比顆粒的結(jié)合得更好。 另一個集中研究的領(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械性能和低成本仍廣泛應(yīng)用。 最近一項研究：基于海藻酸鈉纖維復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)新開發(fā)的膜有較高的強度和彈性，但是，他們是否適合青光眼的治療尚未通過體內(nèi)試驗被證實。 通過納米工程學與材料加工技術(shù)創(chuàng)新性接合，可以克服一些它們固有弱點，并