康复辅具是帮助患者恢复运动功能、矫正肢体形态、减轻疼痛与改善生活质量的重要医疗器具。传统康复辅具多依赖石膏取模、手工修型或金属/塑料板材热成型，存在制作周期长、贴合度有限、重量较大、力学性能与个体需求不匹配等问题。西安交通大学围绕连续纤维增强复合材料康复辅具的形性协同设计与3D打印展开研究，为康复辅具从经验制作走向数字化、精准化、高性能化提供了新路径。
一、为什么选择连续纤维增强复合材料
连续纤维增强复合材料由连续碳纤维、玻璃纤维或芳纶纤维与热塑性/热固性树脂复合而成，具有高比强度、高比刚度、可设计性强、耐疲劳和轻量化等优势。与短纤维或纯树脂3D打印材料相比，连续纤维能够沿受力方向连续承载，显著提升辅具的承载能力和刚度。对于踝足矫形器、脊柱矫形器、假肢接受腔、外骨骼连接件和运动护具等康复辅具而言，既需要足够强度支撑人体载荷，又需要尽量轻便、透气、贴合皮肤，连续纤维增强复合材料正好提供了理想材料基础。
二、形性协同设计：让形状与性能一体化
所谓形性协同设计，是指将康复辅具的几何形状、拓扑构型、纤维路径与力学性能、穿戴舒适性、疲劳寿命等统一纳入设计框架。传统设计往往先确定外形，再校核强度，材料与结构相互割裂；而形性协同设计强调“形”与“性”同步优化。
具体而言，首先通过3D扫描获取患者肢体表面数据，建立个性化几何模型；随后结合生物力学分析，确定辅具在不同姿势和运动状态下的受力区域；再利用拓扑优化、尺寸优化和纤维路径优化，使材料分布与主应力方向一致。例如，在承力区域增加连续纤维密度或调整纤维走向，在非承力区域减少材料以实现轻量化。通过多尺度建模与有限元仿真，设计者可以预测辅具的刚度、强度、层间性能和疲劳行为，从而在打印前完成性能验证。
三、3D打印：从数字模型到个性化辅具
连续纤维增强复合材料3D打印通常采用熔融沉积成型与连续纤维共挤技术，将连续纤维束与热塑性树脂同步挤出，按预设路径逐层堆积。该技术无需模具，适合小批量、个性化、复杂曲面制造。对于康复辅具，3D打印可实现以下优势：
- 个性化贴合：基于患者解剖数据直接打印，提高接触面匹配度，减少压疮和不适。
- 轻量化承力：通过连续纤维路径规划，把高强度纤维布置在关键受力路径上，减少冗余材料。
- 快速迭代：设计模型修改后可直接重新打印，便于临床试戴与调整。
- 功能集成：可在结构中嵌入铰链、绑带孔、传感器槽或透气通道，实现结构-功能一体化。
在打印过程中，路径规划尤为关键。打印路径不仅决定制造可行性，还直接影响纤维连续性、层间结合和最终力学性能。西交大相关研究强调，将纤维路径优化与结构拓扑优化耦合，使打印路径既满足工艺约束，又贴近最优受力方向，从而提升辅具的承载效率。
四、典型应用场景
连续纤维增强复合材料康复辅具可应用于多个方向。例如，踝足矫形器需要在小腿与足部之间传递载荷，连续纤维可沿小腿后侧与足底承力路径铺放，实现轻量而坚固的支撑；脊柱矫形器需要贴合躯干并控制弯曲，通过变刚度设计可在不同区域提供差异化约束；假肢接受腔则需要承受残肢与假肢之间的复杂载荷，连续纤维增强复合材料有助于提高强度、减轻重量并改善佩戴舒适性；外骨骼与康复机器人连接件也可借助该技术实现高刚度、低重量和个性化匹配。
五、挑战与展望
尽管前景广阔，连续纤维增强复合材料康复辅具仍面临若干挑战。材料方面，纤维与树脂界面结合、孔隙率、层间强度和各向异性失效需要进一步控制；工艺方面，打印速度、路径连续性、悬垂与支撑结构、后处理质量仍影响成品一致性；临床方面，辅具需要满足生物相容性、皮肤接触安全、清洁消毒、疲劳耐久和医疗器械认证要求。个性化设计对软件、设备和专业人员提出了更高要求。
随着人工智能、数字孪生、在线监测和多材料打印技术发展，康复辅具有望实现设计-仿真-打印-试戴-反馈的闭环制造。西安交通大学在连续纤维增强复合材料康复辅具形性协同设计与3D打印方面的探索，体现了医工交叉、材料-结构-工艺一体化的研究趋势，也为个性化康复辅具的临床应用和产业转化提供了重要思路。
