碳纤维在假肢技术中的应用

1国内外假肢科技创新发展概况和最新发展趋势
世界发达国家均十分重视协助下肢残疾人残肢假肢功能开发和生活辅助设备的研发。

国外有公司在上世纪90年代就已经开发出有微处理器和电机带动的人工腿，可以根据患者需要来调节步伐大小以及频率。

目前，美国已经开发出可用思维控制的假肢，研究人员利用了大脑通过神经系统向肢体发出信号的功能开发了“思想控制的智能假肢”，科学家下一步的研究方向是信号反馈：把“感觉”从仿生臂手指端传回胸部神经，再传回大脑，从而让安装者有触物感。

而后，日本大阪大学利用安装在运动麻痹患者脑部表面的电极，成功读取患者的脑电波，推测出其意图，从而使作为假肢的机器人动了起来。

这一成果有望促进开发出帮助相关疾病患者运动和表达意图的装置，其意图实现准确率可达60%至90%。

过去研制和生产的假肢，由于受技术条件的限制，性能欠佳，截肢者装上这类假肢后，步态极不自然，行走相当吃力。

为了提高假肢的实用性能，人们利用了一切可以利用的当代科学技术来制造性能更好的假肢，采用更先进的技术和材料，使之具备更完善的性能。

下肢假肢主要围绕提高稳定性保证安全，柔韧性改善步态，轻巧性减少能耗发展的，现在的假肢技术更加完善，各种产品更加丰富。

碳纤维复合材料用于储能假脚，放/储能比高达95%以上的，因其重量轻、行走舒适而广受欢迎。

在使用时，当假肢承重后会因弹性材料变形而储存部分能量，而在后蹬时则将能量放出，这样有助于患者行走。

碳纤维的抗拉强度超过了钢，将碳纤维编织成碳布，在假肢中用作接受腔的增强材料，制成很薄其重量轻的接受腔。

将碳纤维制
巻
成预浸料，利用铁芯制方法和模压成型工艺制作假肢的支撑构件和支撑杆，实现假肢的高强和轻量化，代表了当代假肢在轻量化技术上的先进水平。

利用碳纤维优良的医学以及物理化学特性，开发出具有国内先进水平的假肢，使截肢者能以极为接近正常人的自然步态行走。

主要内容有:
1.1碳纤维接受腔
①残肢与接受腔全面接触，残肢在接受腔内的承重部位合理，承重面积大，残肢控制假肢的能力好。

②接受腔壁薄且重量轻。

由于碳纤维材料比强度高、抗疲劳特性好的优点，用更轻的材料能够制得更高的强度、更长使用寿命的接受腔。

③工艺的可实现性。

假肢接受腔采用碳纤维复合材料真空成型，工艺技术科学合理。

真空成型工艺较简单，可实施性强，对于薄壁制品同样有很好的束紧作用。

④假肢穿戴方便，外观美观，近乎于健肢。

⑤假肢接受腔更卫生，内衬套可清洁，可更换。

1.2碳纤维支撑构件
使用高强高模的碳纤维替代金属材料制作假肢支撑杆和支撑构件，减轻假肢重量。

1.3储能脚
储能脚就像一个经久耐用的弹簧，能够在足跟着地期提供缓冲，并可以释放储存的能量，将假脚推进到站立中期，之后又进一步推进到脚趾离地期，这种弹簧还能在足趾离地期提供推动力，使假肢通过摆动期，之后又开始作用于下一个步态周期。

储能脚的这种舒适性以及响应性能是提升假脚使用者活力的重要部分，无论是行走在不平整的道路上或是在楼梯上或是在斜坡上，甚至是跑步。

2碳纤维假肢研究关键技术
2.1残肢与接受腔全面接触
为了实现残端接触与承重，一方面残端要有很好的软组织覆盖，另一方面接受腔的形状要与残端非常吻合适配。

这对截肢技术和假肢装配技术都提出了更高的要求。

2.2生物力学与复合材料结构设计以及成型工艺的选择
复合材料的力学性能与其铺层结构和实现工艺相差很大。

制成的假肢须满足肢残患者对力学性能的要求，对承载负荷比较大的地方需进行适当补强，而对没有力学性能要求的部位则可以适当减少材料的用量，使之符合假肢轻量化的要求。

3研究试验方法
①有限元分析法：结合生物力学，采用有限元分析法对各主要承重部位进行力学分析，设计出这些部位合理的铺层结构；
②实验分析法：按照结构制成假肢后再进行包括力学测试等多项测试，不断优化结构以期达到强度、刚度、舒适性以及其他各方面指标。

4技术路线以及成型工艺流程
碳纤维具有重量轻、比强度高、比模量高，耐高温，耐腐蚀，抗辐射、耐疲劳特性好的优点，碳纤维复合材料具有可设计性和易成型性，从而使设计的结构有更高的结构效率。

将碳纤维制成编织布或者预浸布，采用真空导流成型工艺制作假肢接受腔、模压成型工艺巻
和铁芯制工艺制作碳纤维储能脚和碳纤维构件，按照裁剪、卷料、成型、加工、胶合、补磨、涂装等生产过程实现碳纤维在医学上的成功应用。

将碳纤维高新技术材料运用在假肢中，针对下肢截肢者康复训练和自由活动等训练而设计，并能对这一群体在独立生活中起到辅助作用。

本项目拟实现假肢外形美观、轻量化、并可更换内衬套、易于被残肢控制的特点，帮助下肢截肢者独立进行定向活动的训练，大大提高康复训练效率和降低人工成本。

本项目涉及生物力学、人体解剖学原理，复合材料工艺学、材料力学、有限元仿真分析等科技，属于公共健康的残疾人及病后功能康复关键技术应用研究。

利用碳纤维优良的医学特性，开发出具有国内先进水平的假肢，使截肢者能以极为接近正常人的自然步态行走，这对帮助他们重新回归社会主流、像正常人一样生活、学习和工作，对减轻社会负担，对促进我国康复医学工程技术的发展无疑具有极其重要的意义。

碳纤维在假肢技术中的应用
顾良娥周恒香
连云港神鹰碳纤维自行车有限责任公司江苏连云港222062
摘要:由于疾病、工伤、交通事故、工程作业及意外伤害将成百上千万下肢截肢者带给了社会，特别是近年来，随着工业、交通事业的迅速发展和日益频发的地质灾害，这一数字正以惊人的速度增加。

目前，我国下肢残疾者更是高达600万人，这些截肢者由于失去了人类
最基本的行走功能，生活上难以自理，客观上被安置在脱离社会主流的一些特定角落，致使他们在身心方面都充满着常人体会不到的痛苦。

因此，为这些截肢者安装假肢就成了恢复其行走功能的唯一手段。

关键词:假肢技术；碳纤维；康复训练
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