复合材料ppt教学ppt课件

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1、复合材料在现代骨科医学和假肢装置的应用谢朝军张真刘震内容1.概述2.硬组织的应用3软组织的应用4组织工程应用5在职业体育中特殊假肢的应用6商业假肢7.仿生传感器，执行器和人造肌肉8.未来的方向9.结论1.概述上下假肢骨科医学纤维增强聚合物复合材料生物植入材料：生物相容性例如，植入体与主组织坚硬度的失配，可以导致剧烈的压力屏蔽。生物相容性：植入体在生物系统行为能力的适应性。界面相容性：植入物和组织的界面的化学、生物、物理适宜性结构相容性：刚度、强度和最佳负载传输等骨骼是一种天然的复合材料，是由胶原纤维和散布于其间的羟磷灰石复合而成。羟磷灰石有高弹性模量（100

2、GPa），皮质层的弹性模量降到10~20GPa。与通常用于骨固定的金属相比是一个相对低的弹性模量。Ti和不锈钢的弹性模量大约分别在118GPa、206GPa。金属、陶瓷、复合材料和纤维增强塑料的刚度、强度和断裂韧性如图1（a-c）所示，明显地看到，对高分子基复合材料进行适当的裁剪可以符合骨骼的性质，因此是一种重要潜在的替换材料。另外，我们还必须考虑相容性，实用性和成本等。考虑到诸如行走、跑步、伸展、跳跃等日常活动，必须考虑环境对假肢的影响。假肢与骨骼直接接触需要低弹性模量来获得结构兼容，高的强度来确保其实用性和耐久性。纤维增强高分子复合材料能够有效地实现低弹

3、性模量和高强度。此外，抗腐蚀和抗疲劳性能得到极大的改善。理论上，生物材料可分为：生物惰性材料（第一代）、生物活性和可降解材料（第二代）、分子级特定细胞反应的材料（第三代），复合材料被认为是在第三代生物材料形成生物降解脚手架和主要组织的发展。2.硬组织的应用纤维增强复合材料在硬组织上的应用包括：头骨重建，骨折修复，全膝、脚踝、臀和其他关节的替换以及牙科。2.1骨折修复骨折修复有两类：外固定和内固定。外固定通过夹板固定、支撑或相似的固定系统使骨骼碎片保持对齐。传统的铸造材料基本是用CaSO4和纬编纤维植物或玻璃纤维和聚酯纤维来增强的。与不锈钢同等物相比，碳纤维正

4、长石材料使病人心率和耗氧量减少10%，重量减少29%。另外，由于碳纤维增强塑料的低密度，使其走路更加灵活，步态和速度都有所改善。内固定必须使用金属板、螺丝、针和线这样的植入物将骨碎片固定到位，为了固定牢靠，经常会用到金属板和螺丝，包括热固性材料在内的多种聚合物复合材料。这一类复合材料可进一步分为：非可再吸收、部分可再吸收和完全吸收的部分。2.2全膝关节替代复合材料在全膝关节替代中的应用相当困难的，主要是由于两种组分间的结合性很差。研究表明，作为关节表面材料性能总结如下：A、高强度，高弹性模量，高断裂韧性，较强的抗疲劳性，维持力学可靠性和在载荷作用下抗变形性；

5、B、体内生物相容性和耐蚀性；C、在长期低阻力的条件下，实现支持耐磨性能的高硬度和优质表面；D、在轴承表面/滑膜液界面湿润，有利于身体的润滑。2.3全髋关节置换技术全髋关节置换术是关节置换中最普遍的，目前，临床使用的髋关节植入物主要是金属。然而，假肢松动和骨诱导直接影响骨重塑。研究发现：聚合物复合材料是一种潜在的替代材料。多种计算方法已应用于对CF/PA12，CF/PA12/HAP等新兴的复合材料的性能进行研究，他们的骨密度的分布如图。与金属的材料相比较，新材料更能够适应骨重构，骨节的骨密度可能会提高20-40%，而骨结的密度减少10-20%，压力的屏蔽破裂减

6、少。2.4牙科应用在牙科的应用上，包括正畸矫正线、支撑架和牙帖等，银汞合金、金、Al2O3、Zr2O3等传统修复材料已经基本被复合树脂所取代。在保有原来的修复功能和美观外，而且使病人的手术过程耗时少，手术创伤少。缺点主要体现在它的使用寿命及导热性能差导致味觉改变。3软组织的应用研究证明纤维增强复合材料很难应用到软组织。包括皮肤，神经，肌肉，韧带和血管移植，它们在受到一种生理负载时不服从胡克定律。其应力应变表现为非线性的“J”形曲线，复合材料一般取代的是高分子的系统，如多糖蛋白。目前，研究采用包括自组装、相分离、熔喷和模板合成等技术用复合材料模仿软组织。4组织

7、工程应用脚手架状结构的纤维在软组织工程和先进骨组织工程领域应用广泛，传统上，对存在缺陷的骨头通过如自体移植、异体移植、血管移植，骨髓移植等方法。考虑到生物相容性，目前，采用骨诱导、骨引导连续刺激骨形成与自然组织机械兼容较好的支架结构。支架材料可能进一步作用于植入骨细胞和其他器官。支架材料能够实现药物传递，局部释放生长素和抗生素，加强骨生长。现代骨组织工程优点：在任何特定时期供体组织量得到减少，可在体外进行骨骼细胞设计。移植失败率和二次手术都将明显的降低。假肢间质干细胞的早期治疗，感染率减轻，病变组织可能会治愈。因此，终身治疗的必要性也会减少。抗酒石酸磷酸酶苏

8、木对比染色的显微照片（a）商业羟基磷灰石，（b）PG