碳纖維人體外骨骼解決了當前人體外骨骼用鋁合金、鈦合金、工程塑料的一些問題點，因此迎來了空前廣泛的應用。

碳纖維正在成為醫(yī)療用人體外骨骼的重要材料

在康復醫(yī)療領(lǐng)域，人體外骨骼正成為改變截癱、偏癱及老年行動障礙患者生活的核心產(chǎn)品。一直以來的金屬材料都有或多或少的問題困擾著剛需的人們，如鋁合金框架外骨骼普遍超20kg，脊髓損傷患者需耗費5年護理成本（約70萬元）才能購得一臺設備，而鈦合金植入部件長期釋放金屬離子引發(fā)炎癥的案例頻發(fā)……面對全球2.49億老齡人口及千萬級神經(jīng)損傷患者的剛性需求，引入碳纖維人體外骨骼解決傳統(tǒng)材料的問題，改善越來越多人的生活質(zhì)量。

一、傳統(tǒng)材料的幾大痛點，抑制著人體外骨骼的應用

1. 重量 

   鋁合金骨架雖具備基礎(chǔ)強度，但密度高達2.7g/cm3，直接導致康復外骨骼重量普遍達20kg?；颊呤褂弥蓄~外能耗增加30%，嚴重制約持續(xù)使用時間。雖然鈦合金比鋼輕，但與碳纖維相比仍然較重，這可能會導致用戶疲勞，尤其是對于需要長時間佩戴外骨骼的患者而言。

2.疲勞和耐久性：

鋁在反復的應力和應變下會隨著時間的推移而降解，導致疲勞失效。對于需要長期使用的外骨骼來說，這是一個至關(guān)重要的問題。

3.設計靈活性有限：

鋁難以塑造成復雜的形狀，這限制了其在人體工程學設計中對用戶舒適性和可穿戴性的要求。

4.成本：

鈦合金比鋁合金昂貴得多，因此不太適合大規(guī)模生產(chǎn)，尤其是在對成本敏感的醫(yī)療市場。

5. 生物相容性隱患

   鈦合金植入件長期使用后釋放鈦、鋁、釩離子，誘發(fā)局部組織炎癥——這正是美國FDA對鈦合金人工骨骼強制要求表面涂層（如羥基磷灰石噴涂）的主因，但涂層開裂風險仍達12%。

6. 人體外骨骼強度：

工程塑料則不具備支撐重載或為外骨骼提供穩(wěn)定性所需的機械強度。

耐久性差：塑料磨損較快，尤其是在暴露于壓力、高溫和潮濕環(huán)境中時，長期來看可能導致部件損壞。而且承載能力有限：與金屬不同，工程塑料無法承受高負荷，因此不適合制造需要更高剛度和支撐力的結(jié)構(gòu)部件。

二、碳纖維人體外骨骼帶來的優(yōu)勢

1. 輕量 

   碳纖維材料密度僅1.6g/cm3（比鋁輕40%，比鈦輕64%），使下肢外骨骼成功減重至12kg以內(nèi)。由碳纖維制成的外骨骼既足夠堅固，能夠承受使用過程中的壓力，又足夠輕便，可以減輕用戶的疲勞。這對于通常需要長時間佩戴的醫(yī)療康復設備至關(guān)重要。

2. 耐腐蝕和耐環(huán)境性

   與金屬不同，碳纖維在暴露于濕氣、汗水或其他環(huán)境因素時不會腐蝕或降解。這種耐腐蝕性使其特別適用于經(jīng)常暴露于各種外部環(huán)境（例如濕度或高溫）的醫(yī)療外骨骼。

3. 耐久性和抗疲勞性

碳纖維的抗疲勞性使其成為需要頻繁使用的外骨骼的理想選擇。與鋁合金不同，碳纖維不會隨著時間的推移而遭受同等程度的磨損。其耐用性確保外骨骼能夠更長時間地保持功能。

3. 力學性能與人體工程學的設計靈活性

   通過鋪層優(yōu)化，可設計某方向的性能，此不同于金屬的各向同性，同時工藝設計時采用0°/45°/90°三軸向交織鋪層，R區(qū)灌注納米改性環(huán)氧樹脂（提升韌性30%）。碳纖維可以輕松塑造成復雜的形狀，從而可以定制外骨骼，確保更符合人體工程學的貼合性。對于患者而言，舒適度至關(guān)重要。此外，碳纖維的靈活性使制造商能夠在外骨骼中集成其他功能，例如傳感器或輕型電機，而不會損害其結(jié)構(gòu)完整性。

4. 綜合成本可控性

   盡管碳纖維原材料成本高于鋁材，但是有以下幾點可以優(yōu)化成本

1）模塊化設計使碳纖維部件模具復用率達80%（如左右腿對稱件），綜合量產(chǎn)成本降低30%。

2）關(guān)節(jié)模塊標準化設計（降低50%裝配工時）

3）在制造工藝上采用T700級/3K編織混合鋪層，

4）用PFM工藝替代熱壓罐工藝，嚴格控溫曲線：升溫階段≤2℃/min，保溫階段130℃±5℃。層間孔隙率＞1.5%將導致強度衰減7%。

以上等等都最終優(yōu)化成本，碳纖維人體外骨骼能讓更多的消費者能改善生活質(zhì)量。

簡而言之，碳纖維外骨骼在重量、耐用性、耐環(huán)境性、設計靈活性和抗疲勞性方面比傳統(tǒng)材料帶來了顯著改進。雖然碳纖維原材料的成本仍然高于鋁，但優(yōu)化的制造工藝和模塊化設計有助于降低總體生產(chǎn)成本，使其更容易獲得。通過解決鋁合金和鈦合金等傳統(tǒng)材料帶來的挑戰(zhàn)，碳纖維為未來的醫(yī)療康復設備提供了可行的解決方案，使全球數(shù)百萬患者受益。

隨著人口老齡化和神經(jīng)損傷人數(shù)不斷增加，全球?qū)ν夤趋赖男枨蟪掷m(xù)增長，將碳纖維引入康復市場代表著改善有需要的患者生活質(zhì)量的突破。采用碳纖維作為材料選擇不僅是一項創(chuàng)新，而且是推進醫(yī)療保健技術(shù)的重要一步。

江蘇優(yōu)培德復合材料團隊深耕碳纖維等復材行業(yè)近20年，以專業(yè)的經(jīng)驗為客戶提供定制化的樣件開發(fā)及量產(chǎn)服務，前期有設計可行性需求的可直接聯(lián)系技術(shù)或商務電話13968211586或13914203709.