新型MWCNTs/PLA/Orthocryl复合材料的力学性能与有限元分析在儿童脑瘫踝足矫形器中的应用研究

本研究针对传统踝足矫形器(AFO)材料在儿童脑瘫(CP)治疗中强度、柔韧性和能量吸收难以平衡的问题，开发了基于Orthocryl树脂、多壁碳纳米管(MWCNTs)和聚乳酸(PLA)的纳米复合材料。通过真空层压技术制备四种配方（纯Orthocryl、0.5% MWCNTs、0.5% MWCNTs/1.0% PLA、0.5% MWCNTs/1.5% PLA），实验表明0.5% MWCNTs使拉伸强度提升12.5%（59.4 MPa），弯曲强度提高59.3%（82.93 MPa），冲击阻力增加22%（34.3 kJ/m2）。有限元分析(FEA)验证了复合材料在生理负荷下的安全性，为儿童CP患者提供了轻量化、高耐久性的AFO解决方案。

　　

儿童脑瘫患者的步态异常问题亟待解决

脑性瘫痪(CP)作为儿童最常见的运动障碍，全球影响着约1700万患者，其中低收入国家因围产期护理不足导致发病率更高。这类患者常伴随足下垂(DF)症状，表现为行走时足部抬升困难，传统踝足矫形器(AFO)使用的聚丙烯(PP)等材料存在刚度不足、耐久性差等问题。更先进的碳纤维材料虽能提升性能，却面临成本高、脆性大等挑战。如何开发兼具机械强度、柔韧性和生物相容性的新型AFO材料，成为儿科康复工程的重要课题。

纳米复合材料的突破性设计

研究人员通过真空层压技术创新性地将多壁碳纳米管(MWCNTs)和可降解聚乳酸(PLA)整合入Orthocryl树脂基质，构建了四种复合材料体系。通过万能试验机进行拉伸/弯曲/冲击测试，结合傅里叶变换红外光谱(FT-IR)和场发射扫描电镜(FE-SEM)分析材料组成与形貌，并采用ANSYS软件进行有限元分析(FEA)模拟步态负荷。

关键技术方法

• 真空层压工艺：采用4层Perlons+2层碳纤维+4层Perlons的标准叠层结构

• 溶剂辅助分散：MWCNTs在二氯甲烷(DCM)中与PLA共混（1400 rpm）

• 力学表征：按ASTM D638（拉伸）、ASTM D790（弯曲）、ASTM D6110（冲击）标准测试

• 有限元建模：2.5 mm网格尺寸的Tet10单元，模拟34N踝部载荷

力学性能的显著提升

实验数据显示，0.5% MWCNTs使Orthocryl的拉伸强度从52.79 MPa提升至59.4 MPa，弯曲强度从52.08 MPa跃升至82.93 MPa。FE-SEM证实碳纳米管在基质中均匀分布（图8），FT-IR光谱1695 cm^-1处的特征峰验证了MWCNTs的成功整合（图7）。值得注意的是，添加1.5% PLA的复合材料冲击能量达到43.4 kJ/m2，比纯Orthocryl提高54%，展现出优异的能量吸收能力。

有限元验证临床适用性

FEA模拟显示（图11），0.5% MWCNTs复合材料变形量最低（4.17 mm），安全系数达3.2；而0.5% MWCNTs/1.5% PLA组合虽变形量最大（10.95 mm），但1.12的安全系数仍满足临床要求。旋转刚度分析表明，纯Orthocryl为18.04×10⁶ N·mm/rad，而PLA复合材料降至6.98×10⁶ N·mm/rad，这种可控的刚度调节对适应儿童步态周期至关重要。

临床转化价值与展望

该研究首次证实MWCNTs/PLA协同增强Orthocryl的可行性，0.5% MWCNTs配方在保持AFO结构完整性的同时，其59%的弯曲强度提升远超既往Abaca纤维/环氧树脂复合材料（62 MPa）。PLA的引入虽降低强度但显著提高延展性，Pearson分析揭示拉伸强度与冲击阻力呈负相关(r=-0.798)，为材料选择提供量化依据。未来需开展动态步态分析和临床验证，但现有成果已为个性化儿科矫形器开发奠定材料基础，尤其对改善低资源地区CP患者的移动能力具有重要实践意义。