第四節(jié)　矯形器的主要材料

一、矯形器常用金屬材料

矯形器械常用的金屬材料包括碳素鋼、合金鋼、鋁合金、鈦合金以及鎂合金等，這些金屬材料一般都作為主要的受力構(gòu)件。

（一）碳素鋼、合金鋼

1.碳素鋼（簡稱碳鋼）

碳素鋼是指含碳量低于2.11%的鐵碳合金。實際使用的碳素鋼其含碳量低于1.5%，其中還含有少量硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)元素。

2.合金鋼

合金鋼是指鋼中除含硅和錳作為合金元素或脫氧元素外，還含有其他合金元素（如鉻、鎳、鉬、釩、鈦、銅、鎢、鋁、鈷、鈮、鋯和其他元素等），有的還含有某些非金屬元素（如硼、氮等）的鋼。醫(yī)學領(lǐng)域應(yīng)用較多的為不銹鋼。

（二）鋁合金

鋁合金是指在純鋁中加入其他的合金元素，如硅、銅、鎂、錳等。根據(jù)鋁合金的成分及生產(chǎn)工藝特點，可將鋁合金分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩類。形變鋁合金還可按照其主要性能特點分為防銹鋁、硬鋁、超硬鋁及鍛鋁等。

（三）鈦合金

鈦合金是以鈦為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。

（四）鎂合金

鎂是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料，其密度小（1.74g/cm3），僅為鋁的2/3，鋼的1/4。

二、矯形器常用非金屬材料

許多非金屬材料用于矯形器械的制作，如一般熱塑材料、低溫熱塑材料、皮革材料、碳纖復(fù)合材料等。

（一）一般熱塑材料

在矯形器領(lǐng)域，熱塑性材料的應(yīng)用十分廣泛，可以做各種矯形器，而且種類也比較多，主要有聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）、改性聚酯（polyethylene terephthalate glycolate，PETG）、碳酸酯以及透明高溫塑料等，分別用于不同的方面。

1.PE

乙烯單體經(jīng)聚合得到PE。采用不同聚合工藝得到的PE的性能也不同。高壓法得到的PE分子支鏈較多而且長。結(jié)晶度、密度和強度較低。但柔韌性較好。因此稱為低密度聚乙烯（low density polyethylene，LDPE），低密度聚乙烯半透明，耐低溫，抗腐蝕，易加工，其硬度、加工性能均優(yōu)于普通聚乙烯板材。與LDPE相反，低壓法得到的PE支鏈較少而且短，結(jié)晶度、密度和強度較高，稱為高密度聚乙烯（high density polyethylene，HDPE）。

PE，特別是HDPE，由于有良好的加工性能、較低的密度以及優(yōu)良的韌性，因而是矯形技術(shù)領(lǐng)域很多產(chǎn)品的首選材料。衛(wèi)計委近年制定的有關(guān)康復(fù)醫(yī)學科設(shè)置與建設(shè)的條例中，康復(fù)醫(yī)學科作為三級醫(yī)院的一般科室，在作業(yè)治療中，畸形矯形的治療工作主要是聚乙烯熱塑矯形器的應(yīng)用和制作。PE可以用來制作各種矯形器，如脊柱矯形器、上肢矯形器、下肢矯形器，以及假肢的臨時接受腔等。

另外，PE泡沫塑料還廣泛用于小腿假肢中內(nèi)襯套的制作，由于其加熱后可以直接套在修磨好的石膏陽型上成型，所以可為殘肢提供一個減振面，使患者穿著更舒適。

2.PP

PP是以丙烯單體為主要組分聚合而成的，無毒、無味、熱變形性能好，在135℃的蒸汽中消毒不被破壞，機械性能好，耐腐蝕，常見的酸、堿有機溶劑對它幾乎不起作用PP的熔點、強度、剛性以及抗彎曲疲勞強度都比PE高，但其脆性特別是低溫脆性比PE大得多。

按照參加聚合的單體組成，PP分為均聚級和共聚級兩種。均聚級聚丙烯（polypropylene 2 homopolymer，PP2H）由單一丙烯單體聚合而成，具有較高的結(jié)晶度，較高的機械強度和耐熱性。共聚級聚丙烯（polypropylene 2 copolymer，PP2C）是在聚合時摻入少量乙烯單體共聚合而成。雖然共聚級聚丙烯的強度與剛性不如均聚級聚丙烯，但可使PP脆性大的缺點得到很大改善，建議在溫度較低的環(huán)境中使用PP2C。

PP由于具有更大的柔韌性，故可用于制作假肢接受腔以及各種矯形器，特別是長期穿戴行走的下肢矯形器。患者穿戴矯形器行走時，矯形器的踝部和前足部位不停地受到彎曲載荷的作用，PP的抗彎曲疲勞強度比PE高很多，因此，用PP制作的下肢矯形器使用壽命比PE下肢矯形器的長。

由于PP的熔體黏度對溫度的變化比較敏感，因此加熱PP時應(yīng)將溫度嚴格控制在185℃左右。PP的導(dǎo)熱系數(shù)只有PE的1/4，打磨加工時產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)出來，碎屑易黏附在打磨頭上，因此在打磨加工時應(yīng)選用低轉(zhuǎn)速，并在粗磨時選用金屬打磨頭，以利于散熱。

3.PETG

聚對苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）是常見的一種聚酯樹脂，多用于制造纖維、薄膜以及工程塑料等。這種樹脂有一定的結(jié)晶性，由于結(jié)晶的存在，降低了制品的透明性。對樹脂進行改性，使其喪失結(jié)晶性，可使得到的制品有較好的透明性。可將PET用環(huán)己二醇改性得到非結(jié)晶性的PETG。PETG具有較好的透明性，近幾年來被越來越多地用于矯形領(lǐng)域，主要是制作試驗用透明矯形器力學界面受力分析以及燒傷患者的壓力治療面具等。表1-4-1為矯形領(lǐng)域常用熱塑板材性能比較。

4.碳酸酯

Lexan是一種新型的透明熱塑板材，由于其高剛性，高沖擊強度，透明性好，可以對肢體直接觀察，可用于制作校驗式臨時矯形器等。

5.透明高溫塑料

高溫塑料具有獨特的可彎性和透明性，它通常用于對疑難患者進行試穿檢查的校驗矯形器設(shè)計上。

使用熱塑板材制作矯形器產(chǎn)品時，應(yīng)根據(jù)不同的板材選用適當?shù)募訜釡囟龋缂訜酘DPE板材一般在180℃左右；加熱PP板材一般在185℃左右；加熱PETG板材一般在160℃左右；此外，加熱應(yīng)均勻，成型時不要有穿堂風，否則板材會很快降溫，降低可塑性，縮短可塑型時間，成型效果受到影響。

（二）低溫熱塑材料

如前所述，塑料板材在矯形器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但使用普通塑料板材制作矯形器必須經(jīng)過取石膏陰型、灌石膏陰型、修整石膏陽型、熱塑成型、制品修整與成品制作等工序，十分繁雜。應(yīng)用低溫熱塑材料則可以直接在患者身上成型，經(jīng)過修整之后就可直接使用，大大減少了工序，縮短了時間。

低溫熱塑材料是軟化溫度比較低，在55～75℃人體皮膚可以承受的溫度范圍進行塑型的塑料。低溫熱塑板材的性質(zhì)是隨溫度的變化而變化，在正常室溫（20～30℃）的情況下，板材處于固態(tài)，質(zhì)地堅硬。如果把板材放入55～80℃的環(huán)境中，2～3分鐘后被激活，變得柔軟可塑，并且可以直接在患肢上塑型。這是它區(qū)別于其他材料的重要特性。加熱板材的工具有恒溫水槽、熱烘槍、平板加熱器等。在臨床上通常選用恒溫水槽。

目前主要的低溫熱塑材料有聚己內(nèi)酯（polycaprolactone，PCL）和反式聚異戊二烯（transpolyisoprene，TPI）。

1.PCL

PCL是ε-己內(nèi)酯在催化劑的作用下，通過開環(huán)聚合方式合成的一種半結(jié)晶的聚合物，結(jié)晶熔點約60℃，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為-60℃，其力學性能與聚烯烴相當，拉伸強度13～30MPa，斷裂伸長率300%～600%。

2.TPI

天然橡膠是順式的聚異戊二烯，TPI的化學組成和天然橡膠是完全相同的，僅構(gòu)型與天然橡膠不同。反式結(jié)構(gòu)的聚異戊二烯分子鏈的規(guī)整性好，易規(guī)則堆積而結(jié)晶，但結(jié)晶聚集狀態(tài)使其在室溫附近的溫度區(qū)間內(nèi)失去了彈性，能夠當作塑料使用。TPI的熔點較低，約64℃，一旦受熱至熔點以上，便軟化呈現(xiàn)黏流態(tài)。

由于PCL、TPI熔點較低，可應(yīng)用于人體等溫度要求比較低的場合，通過加熱軟化后可直接在人體上成型制作矯形器，經(jīng)過修整之后就可直接使用，大大減少了工序，縮短了時間。使用低溫熱塑板材制作矯形器時，一般事先根據(jù)矯形器的形狀、大小先做紙樣，然后根據(jù)紙樣下料，下料時可以用曲線鋸、剪刀剪裁，裁剪好的板材可放入熱水中或者使用熱風槍加熱，只要軟化即可，溫度不要太高，否則成型時易導(dǎo)致燙傷。成型時最好在患者需要成型的部位套上襪套以起到保護作用。成型之后，可以從人體上取下來趁其尚未完全冷卻用剪刀將矯形器的邊緣修剪整齊。

（三）皮革材料

皮革是動物皮，經(jīng)去肉、脫脂、脫毛、軟化、加脂、鞣制、染色等物理、化學加工過程，所得到的符合人們使用目的要求的產(chǎn)品。皮革的表面有一種特殊的粒面層，具有自然的粒紋和光澤，外觀好，手感舒適；具有天然材料特有的性能：較高的機械強度，一定的彈性和可塑性，易于保養(yǎng)，耐熱濕穩(wěn)定性好、耐腐蝕，優(yōu)良的透氣（汽）、吸濕（汗）、排濕性能。可以長期保存，可立體加工，容易染色，不起靜電。皮革的缺點是潮濕時會伸張，干燥時會收縮，易長霉，需要保養(yǎng)。

（四）碳纖復(fù)合材料

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）是以碳纖維（織物）或碳化硅等陶瓷纖維（織物）為增強體，以碳為基體的復(fù)合材料的總稱。碳纖維是由有機纖維如黏膠纖維、聚丙烯腈纖維或瀝青基纖維在保護氣氛下熱處理碳化成為含碳量90%～100%的纖維。

（喻洪流）