「复合材料前沿」复合材料如何重塑骨科医疗的未来？

摘要：使其成为可能并赋予他速度的人造腿（刀片）是由碳纤维增强聚合物（CFRP）制成的。12 年过去了，碳纤维增强聚合物（CFRP）假肢现在已成为各种国际体育赛事的常见事物。

记得封面图片中央的男人吗？他是奥斯卡·皮斯托瑞斯 ，也被称为 “刀锋战士”，并且是 2012 年夏季奥运会上第一位双腿截肢的参赛者。

使其成为可能并赋予他速度的人造腿（刀片）是由碳纤维增强聚合物（CFRP）制成的。12 年过去了，碳纤维增强聚合物（CFRP）假肢现在已成为各种国际体育赛事的常见事物。

复合材料在现代骨科医学中越来越受欢迎，并用于矫形器和假肢制造。根据 Stratview Research 的数据，骨科复合材料市场将在 2024 年达到 2.86 亿美元 。（见图 1）

图1：全球骨科复合材料市场预测（2025-2030）

人类骨骼本身就是复合材料，由硬质和软质材料组成：钙和胶原蛋白。根据美国国立卫生研究院（NIH）的数据，骨骼是继血液之后第二常见的移植组织，全球每年有超过 200 万次移植手术。骨科手术可能引发免疫系统，因此任何植入材料都必须像天然组织一样有效。

传统材料如镍、铬、钴和陶瓷，在人体环境中会迅速降解，从而带来感染风险。事实上，骨科植入物中最常用的材料——Titanium （钛）也容易引起过敏反应，在某些情况下，钛合金过敏反应还导致了髋关节假体植入失败、心脏起搏器植入等问题。这类失败往往需要再次手术。

为了应对金属材料带来的挑战，具有优异强度和生物相容性、能够在所需愈合时间内安全且逐渐降解的复合材料正在骨科行业中使用。复合材料的引入为骨科行业带来了新的突破，解决了各种挑战。让我们进一步探讨。

骨科植入物的发展

毋庸置疑，骨折的存在与人类历史一样悠久，而骨科实践的使用可以追溯到古代文明。荷马在公元前 800 年的《奥德赛》中提到：“ 在埃及，男人的医学技能比人类中的任何人都高超 ”。

一些埃及的骨骼遗骸、木乃伊尸体及其绘画描绘了当时实践的一些古代骨科技术。木材、亚麻或甚至皮革被用来固定骨折，但缺乏最佳愈合所需的定制贴合。

在 19 世纪 ，石膏被引入作为一种有潜力减少感染风险的材料。这种材料在 1850 年的克里米亚战争中也被用于治疗大量伤亡。

20 世纪中期是进步的时期，金属材料的引入—— 不锈钢和钴铬合金 （随后在 1940 年代引入了钛（Ti）和钛合金 ）——首次在骨科应用中引入。

然而，第一个使用不锈钢成功的替代性关节假体是 1960 年代由约翰·查恩利爵士制成的全髋关节假体 。这些创新为现代骨科植入物奠定了基础。

从 20 世纪末至今，人类正见证先进骨科材料的诞生。复合材料的开发已经革新了骨科行业，提供了定制的机械性能和增强的生物相容性，模拟了自然骨的弹性和刚度。（见图 2）

创新的成像技术、计算机辅助设计和不同的制造技术，如增材制造等，正在实现高度定制和精确的植入物。

图2：骨科材料的发展

在各种骨科应用中，下肢假肢占复合材料的 >70% 的使用量。

碳纤维在骨科中的兴起

碳纤维（CF）正在骨科手术这个充满活力的领域中成为变革者。根据目标应用的材料性能要求，玻璃纤维、碳纤维、聚酯、聚酰胺、PEEK、环氧树脂等不同类型的复合材料被组合使用。其中，CFRP 以其独特的轻质高强性能组合，正在以最快的速度增长。

在医疗领域，科学家和工程师通常使用不同类型的树脂与碳纤维，最常见的是环氧树脂和聚醚醚酮（PEEK）。从支架和夹板到假肢，CFRP 已经彻底改变了骨科应用，提高了患者的活动能力、舒适度和生活质量。

碳纤维为何成为骨科材料的首选？

除了轻质和减少对周围组织和骨骼的应力外，碳纤维还具有许多特性，使其成为骨科应用的理想选择。让我们来看看其中一些特性：

生物相容性 & 化学惰性：碳纤维在体外研究中不会产生细胞毒性，在室温下具有优异的防潮和耐化学性，与金属相比，可降低组织反应的风险。碳纤维的弹性模量接近骨骼，这使其优于其他材料。碳纤维的估计弹性模量为 3.5 吉帕斯卡 (GPa)，皮质骨的弹性模量为 12–20 GPa，松质骨 1 GPa。相比之下，不锈钢的弹性模量为 230 GPa，钛的范围为 106–155 GPa。相似的弹性模量有助于减轻骨-植入物界面处的应力集中。

定制化： 使用复合材料可以实现定制假肢，以匹配个人的身高、体重和肌肉结构，而使用机加工制造工艺则无法实现这一点。通过结合分模、树脂传递模塑和预浸料方法，可以生产出复杂的结构。

高强度比与抗疲劳强度 : CF-Epoxy 复合材料易于产生 700 MPa 的拉伸强度和 70 GPa 的弹性模量 。结合其 1.6 g/mL 的密度 ，该材料展现出非常高的比强度。CF-PEEK 复合材料展示了其承受高应变加载的能力，高达一百万次加载循环，且无失败迹象。无论是骨折用的支架还是假肢，CFRP 材料都提供了所需的强度和结构完整性，以确保最佳性能和寿命。射线透射性 : 碳纤维植入物在磁共振成像（MRI）和计算机断层扫描（CT）中具有极小的散射或伪影，这提供了比钛合金植入物更好的成像优势。这允许改善术后骨愈合、局部疾病复发或进展的监测，并提高放射治疗计划的准确性。力学性能的变化： 骨骼的不同区域具有不同的性能，其胶原蛋白、羟基磷灰石和孔隙率各不相同。例如，胫骨的尖端密度和抗压强度高 50%。随着模具成型方法和现代纤维铺设方法的进步，可以在不同部位以高精度获得不同等级的强度、模量和不同壁厚。

假肢在骨科复合材料中的主导地位

复合材料主要用于以下领域：

植入物—— 关节置换、牙科钻头和牙套、夹板、骨折固定装置如板、螺丝等。

假肢—— 人工手臂、下肢假肢等。

矫形器—— 特殊的鞋或脚跟插入物。

在各种骨科应用中， 下肢假肢占复合材料使用量的>70%。全球截肢者对假肢的需求正在上升。

全球每年有超过 1 百万的肢体截肢 ，每 30 秒就有一例。 截肢发生的原因有很多。衰老和骨骼退化、事故、血管和外周动脉疾病、创伤、癌症等是一些常见的原因。 糖尿病——截肢的一个重要原因 ，影响着全球数百万人口。

2021 年，根据国际糖尿病联合会（IDF），全球有 5.37 亿成年人患有糖尿病，年龄在 20 至 79 岁之间。预计这一数字将显著上升，估计到 2030 年将影响 6.43 亿成年人，到 2045 年将达约 7.83 亿，相当于近八分之一个人。这些预测突显了全球糖尿病流行率令人担忧的趋势，以及其相关的健康风险，包括截肢。

在讨论截肢时，也需要注意的是，最常需要假肢的截肢类型是 - 跨胫假肢 - 即 膝下假肢 ，这占所有假肢的 超过 50%，不同来源均有说明。

鉴于 膝下假肢占假肢的大多数 ，重点便转向选择能够有效支撑全身重量，同时提供最大舒适度并实现移动的材料。 碳纤维复合材料仍然是首选 ，这是由于对下肢假肢的高需求，其提供的强度超过传统金属和塑料材料，同时重量更轻。

材料进步与残奥会运动员数量增长10倍

残疾人体育赛事是对超越身体障碍的人类力量的庆祝。为了实现更高的速度和敏捷性，长期以来一直使用骨科复合材料。

残奥会见证了参与人数的惊人增长。从 1960 年的 23 个国家的 400 名运动员到 2024 年的 135 个国家的超过 4400 名运动员 ，这一数字证明了残奥运动员的兴趣日益浓厚和竞争水平不断提高。这种增长也体现在支持残奥运动员的材料演变中，从过去的木材和钢铁到现在的碳纤维和其他复合材料。

公司正积极使用复合材料，为残疾人运动员带来巨大的性能提升。 奇博格在东丽碳魔方的帮助下，正在开发尖端的假肢刀，目标是跑得比健全人更快。

本田公司声称已开发出世界上首款全碳车身赛轮椅，并与八代工业共同开发了‘ 技美 ’型号。八代本田太阳赛轮椅是他们的旗舰型号，使用了碳纤维增强塑料，并采用最优化的层设计，制造出超轻量的碳轮。

安德鲁·米切尔的超长距离赛轮椅概念使用碳纤维外壳和泡沫核心作为底盘，以最大化轮椅对残疾人运动员的效率。该概念还结合了铝，铝也是一种轻质材料，具有优异的强度重量比，用于额外的负载分布。

正骨复合材料与工业4.0的强化

在过去十年中，假肢领域经历了复兴。如今假肢在功能和适应性方面取得了巨大的飞跃，远超其前身。骨科行业并没有落后于采用颠覆性工业 4.0 技术的步伐，包括 3D 打印、人工智能（AI）和机器人技术。

虽然仍处于初期阶段，但该行业正在以令人印象深刻的步伐将创新解决方案带给患者，以使患者感到舒适，而复合材料凭借其轻量化和高强度等有前景的特性，是其中的关键推动者。

Ps. Psyonic 的触觉感应假手就是一个这样的例子。这只人造肢体利用仿生技术，指尖配备压力传感器，采用聚合物 3D 打印和碳纤维复合材料外壳，以实现轻量化、高强度和高科技功能。该假手重量为 490 克 ，比普通人类的手轻 20%，这得益于适配肢体的碳纤维复合材料套筒。该套筒由假肢临床医生根据个体患者定制。假手安装在套筒中。假手部件由 Psyonic 团队内部制造，包括硅胶成型、电子元件、工装制造、复合材料加工、聚合物 3D 打印和组装。

下一步是公司 Atom Limbs，它将人工智能融入其下一代仿生手臂。Atom Limbs 使用先进的传感器和机器学习来解释大脑产生的电信号，从而实现假肢的移动和操控。这款人工手臂是非侵入式的，在肘部、手腕和单个手指上都具有完整的人体动作范围，并能向佩戴者提供握力触觉反馈。

现在一些前沿假肢正进入直接神经接口领域，有更多令人兴奋的发展。这些设备作为人与机器之间的桥梁，可以提供直观的控制，让佩戴者能通过假肢感受到感觉。