第四节　矫形器的主要材料

一、矫形器常用金属材料

矫形器械常用的金属材料包括碳素钢、合金钢、铝合金、钛合金以及镁合金等，这些金属材料一般都作为主要的受力构件。

（一）碳素钢、合金钢

1.碳素钢（简称碳钢）

碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。实际使用的碳素钢其含碳量低于1.5%，其中还含有少量硅、锰、磷、硫等杂质元素。

2.合金钢

合金钢是指钢中除含硅和锰作为合金元素或脱氧元素外，还含有其他合金元素（如铬、镍、钼、钒、钛、铜、钨、铝、钴、铌、锆和其他元素等），有的还含有某些非金属元素（如硼、氮等）的钢。医学领域应用较多的为不锈钢。

（二）铝合金

铝合金是指在纯铝中加入其他的合金元素，如硅、铜、镁、锰等。根据铝合金的成分及生产工艺特点，可将铝合金分为形变铝合金和铸造铝合金两类。形变铝合金还可按照其主要性能特点分为防锈铝、硬铝、超硬铝及锻铝等。

（三）钛合金

钛合金是以钛为基础加入其他元素组成的合金。

（四）镁合金

镁是最轻的金属结构材料，其密度小（1.74g/cm3），仅为铝的2/3，钢的1/4。

二、矫形器常用非金属材料

许多非金属材料用于矫形器械的制作，如一般热塑材料、低温热塑材料、皮革材料、碳纤复合材料等。

（一）一般热塑材料

在矫形器领域，热塑性材料的应用十分广泛，可以做各种矫形器，而且种类也比较多，主要有聚乙烯（polyethylene，PE）、聚丙烯（polypropylene，PP）、改性聚酯（polyethylene terephthalate glycolate，PETG）、碳酸酯以及透明高温塑料等，分别用于不同的方面。

1.PE

乙烯单体经聚合得到PE。采用不同聚合工艺得到的PE的性能也不同。高压法得到的PE分子支链较多而且长。结晶度、密度和强度较低。但柔韧性较好。因此称为低密度聚乙烯（low density polyethylene，LDPE），低密度聚乙烯半透明，耐低温，抗腐蚀，易加工，其硬度、加工性能均优于普通聚乙烯板材。与LDPE相反，低压法得到的PE支链较少而且短，结晶度、密度和强度较高，称为高密度聚乙烯（high density polyethylene，HDPE）。

PE，特别是HDPE，由于有良好的加工性能、较低的密度以及优良的韧性，因而是矫形技术领域很多产品的首选材料。卫计委近年制定的有关康复医学科设置与建设的条例中，康复医学科作为三级医院的一般科室，在作业治疗中，畸形矫形的治疗工作主要是聚乙烯热塑矫形器的应用和制作。PE可以用来制作各种矫形器，如脊柱矫形器、上肢矫形器、下肢矫形器，以及假肢的临时接受腔等。

另外，PE泡沫塑料还广泛用于小腿假肢中内衬套的制作，由于其加热后可以直接套在修磨好的石膏阳型上成型，所以可为残肢提供一个减振面，使患者穿着更舒适。

2.PP

PP是以丙烯单体为主要组分聚合而成的，无毒、无味、热变形性能好，在135℃的蒸汽中消毒不被破坏，机械性能好，耐腐蚀，常见的酸、碱有机溶剂对它几乎不起作用PP的熔点、强度、刚性以及抗弯曲疲劳强度都比PE高，但其脆性特别是低温脆性比PE大得多。

按照参加聚合的单体组成，PP分为均聚级和共聚级两种。均聚级聚丙烯（polypropylene 2 homopolymer，PP2H）由单一丙烯单体聚合而成，具有较高的结晶度，较高的机械强度和耐热性。共聚级聚丙烯（polypropylene 2 copolymer，PP2C）是在聚合时掺入少量乙烯单体共聚合而成。虽然共聚级聚丙烯的强度与刚性不如均聚级聚丙烯，但可使PP脆性大的缺点得到很大改善，建议在温度较低的环境中使用PP2C。

PP由于具有更大的柔韧性，故可用于制作假肢接受腔以及各种矫形器，特别是长期穿戴行走的下肢矫形器。患者穿戴矫形器行走时，矫形器的踝部和前足部位不停地受到弯曲载荷的作用，PP的抗弯曲疲劳强度比PE高很多，因此，用PP制作的下肢矫形器使用寿命比PE下肢矫形器的长。

由于PP的熔体黏度对温度的变化比较敏感，因此加热PP时应将温度严格控制在185℃左右。PP的导热系数只有PE的1/4，打磨加工时产生的热量不易散发出来，碎屑易黏附在打磨头上，因此在打磨加工时应选用低转速，并在粗磨时选用金属打磨头，以利于散热。

3.PETG

聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）是常见的一种聚酯树脂，多用于制造纤维、薄膜以及工程塑料等。这种树脂有一定的结晶性，由于结晶的存在，降低了制品的透明性。对树脂进行改性，使其丧失结晶性，可使得到的制品有较好的透明性。可将PET用环己二醇改性得到非结晶性的PETG。PETG具有较好的透明性，近几年来被越来越多地用于矫形领域，主要是制作试验用透明矫形器力学界面受力分析以及烧伤患者的压力治疗面具等。表1-4-1为矫形领域常用热塑板材性能比较。

4.碳酸酯

Lexan是一种新型的透明热塑板材，由于其高刚性，高冲击强度，透明性好，可以对肢体直接观察，可用于制作校验式临时矫形器等。

5.透明高温塑料

高温塑料具有独特的可弯性和透明性，它通常用于对疑难患者进行试穿检查的校验矫形器设计上。

使用热塑板材制作矫形器产品时，应根据不同的板材选用适当的加热温度，如加热HDPE板材一般在180℃左右；加热PP板材一般在185℃左右；加热PETG板材一般在160℃左右；此外，加热应均匀，成型时不要有穿堂风，否则板材会很快降温，降低可塑性，缩短可塑型时间，成型效果受到影响。

（二）低温热塑材料

如前所述，塑料板材在矫形器领域得到广泛应用，但使用普通塑料板材制作矫形器必须经过取石膏阴型、灌石膏阴型、修整石膏阳型、热塑成型、制品修整与成品制作等工序，十分繁杂。应用低温热塑材料则可以直接在患者身上成型，经过修整之后就可直接使用，大大减少了工序，缩短了时间。

低温热塑材料是软化温度比较低，在55～75℃人体皮肤可以承受的温度范围进行塑型的塑料。低温热塑板材的性质是随温度的变化而变化，在正常室温（20～30℃）的情况下，板材处于固态，质地坚硬。如果把板材放入55～80℃的环境中，2～3分钟后被激活，变得柔软可塑，并且可以直接在患肢上塑型。这是它区别于其他材料的重要特性。加热板材的工具有恒温水槽、热烘枪、平板加热器等。在临床上通常选用恒温水槽。

目前主要的低温热塑材料有聚己内酯（polycaprolactone，PCL）和反式聚异戊二烯（transpolyisoprene，TPI）。

1.PCL

PCL是ε-己内酯在催化剂的作用下，通过开环聚合方式合成的一种半结晶的聚合物，结晶熔点约60℃，玻璃化转变温度为-60℃，其力学性能与聚烯烃相当，拉伸强度13～30MPa，断裂伸长率300%～600%。

2.TPI

天然橡胶是顺式的聚异戊二烯，TPI的化学组成和天然橡胶是完全相同的，仅构型与天然橡胶不同。反式结构的聚异戊二烯分子链的规整性好，易规则堆积而结晶，但结晶聚集状态使其在室温附近的温度区间内失去了弹性，能够当作塑料使用。TPI的熔点较低，约64℃，一旦受热至熔点以上，便软化呈现黏流态。

由于PCL、TPI熔点较低，可应用于人体等温度要求比较低的场合，通过加热软化后可直接在人体上成型制作矫形器，经过修整之后就可直接使用，大大减少了工序，缩短了时间。使用低温热塑板材制作矫形器时，一般事先根据矫形器的形状、大小先做纸样，然后根据纸样下料，下料时可以用曲线锯、剪刀剪裁，裁剪好的板材可放入热水中或者使用热风枪加热，只要软化即可，温度不要太高，否则成型时易导致烫伤。成型时最好在患者需要成型的部位套上袜套以起到保护作用。成型之后，可以从人体上取下来趁其尚未完全冷却用剪刀将矫形器的边缘修剪整齐。

（三）皮革材料

皮革是动物皮，经去肉、脱脂、脱毛、软化、加脂、鞣制、染色等物理、化学加工过程，所得到的符合人们使用目的要求的产品。皮革的表面有一种特殊的粒面层，具有自然的粒纹和光泽，外观好，手感舒适；具有天然材料特有的性能：较高的机械强度，一定的弹性和可塑性，易于保养，耐热湿稳定性好、耐腐蚀，优良的透气（汽）、吸湿（汗）、排湿性能。可以长期保存，可立体加工，容易染色，不起静电。皮革的缺点是潮湿时会伸张，干燥时会收缩，易长霉，需要保养。

（四）碳纤复合材料

碳纤维复合材料（CFRP）是以碳纤维（织物）或碳化硅等陶瓷纤维（织物）为增强体，以碳为基体的复合材料的总称。碳纤维是由有机纤维如黏胶纤维、聚丙烯腈纤维或沥青基纤维在保护气氛下热处理碳化成为含碳量90%～100%的纤维。

（喻洪流）