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March 3, 2020
設計更好的植入物：骨骼比鋼鐵堅固嗎？
我認為大自然是世界上最古老也最棒的工程師。幾千年來，它不斷更替我們的設計，讓我們的零件變得更輕巧、更堅固、高度最佳化，近乎完美。
因此，人類工程師開始運用模擬學，學習大自然的經驗。
然而，有些人可能認為，骨骼不可能優於日常用品的材料。您大概會懷疑：
骨骼比鋼鐵堅固嗎？
骨骼比混凝土堅固嗎？
事實上，這需要看情況。
幾千年來，大自然一直在優化我們的骨骼結構。
骨骼通常具有類似於混凝土的彈性模數，但壓縮強度是其 10 倍。
跟不鏽鋼比較的話，骨骼具有類似的抗壓強度，但重量輕三倍。
那麼，當骨頭嚴重受損以至於人類工程師需要介入時，會發生什麼事？事實證明，當我們試圖替換大自然的作品時，大自然的精妙之處就更加明顯。
為什麼骨骼如此堅固？
雖然植入物是許多人的必需品，但隨著時間消磨，其平均使用壽命無法與骨骼相比。例如膝關節大約 60 到 80 年才會磨損，然而人工關節能維持四分之一的壽命就很不錯了。
通常一個膝蓋可以使用 60 到 80 年，而人造膝關節可以使用 15 到 20 年。
工程師需設計使人工關節設計能承受很重的負荷。在日常活動，例如走路或跳躍，一般的骨骼架構可能須承受 4 到 20 倍的人體重量。這些負荷包括以下形式：
- 壓迫
- 扭轉
- 切力
- 張力
骨骼是如何應付各種力量？背後的原理為其複合材料微結構。骨骼的成分為膠原纖維，該纖維由密集的填充物和周圍硬化的礦物質所組成。此外還包含：
- 血管
- 活細胞
- 蛋白質
- 水分
同樣，複合材料已成為材料設計和選擇的重要部分。然而，骨骼可以適應和改變其環境，是工程師難以模仿的特性。因此，工程師同時使用材料選擇和設計來更替植入物，直到產品符合預期。
工程師仍在尋找骨骼材質的替代品
由於工程師無法複製骨骼可以做到的一切，因此醫療器械設計針對特定使用案利進行了最佳化。
例如，當病患需要移植骨骼時，工程師會把重點放在比對剩餘骨骼的化學成分與微結構。有一個不錯的選擇是磷酸鈣，因為它可以刺激骨骼生長、促進癒合並有助於整合移植材料。
骨組織
關節置換更是有挑戰。在這種情況下，工程師需要找到與周圍骨骼效能相符的材料。這些材料特性將根據病患的年齡、性別、體重、生活方式等而有所不同。工程師還需要確保材料具有正確的耐腐蝕性和生物相容性。
使用材料選擇工具，工程師可以比對適當的材料與病患及其醫療狀況。或者，工程師也能使用材料智慧軟體來協助設計新材料，使其效能優於目前市場上的材料。
若想深入了解，請觀看網路研討會：材料智慧：從選擇到管理。
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