新型納米復合材料支具在下肢關節損傷康復中的應用

蔣朋翔 董哲

摘 要：針對玄武巖纖維具有比納米碳纖維更高的耐熱性、優異的延展性和更低的成本，可以作為增強材料的替代品。通過實驗分析方法研究玄武巖纖維和納米碳纖維復合醫用支具材料的力學性能，采用真空輔助樹脂傳遞模塑（VARTM）技術制備了7種具有不同混合比和堆疊順序的復合醫用支具材料，并分別在拉伸和彎曲載荷下進行測試。結果表明：纖維的堆疊順序對下肢支具強度和彎曲模量有明顯影響，但對拉伸模量影響較小，且在混合比為26.77%納米碳纖維和38.80%玄武巖纖維混合比下具有較好的力學性能。當使用醫用支具6 d時，患者恢復率為92%，可有效治療下肢關節運動損傷。

關鍵詞：運動損傷；納米纖維；醫用支具

中圖分類號：TQ342+.742

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5922（2023）07-0085-05

Study on the application of nano fiber brace for rehabilitation of lower limb joint injury

JIANG Pengxiang，DONG Zhe

（Central Medical Branch of PLA General Hospital，Beijing 100120，China

）

Abstract：Basalt fiber has higher heat resistance，excellent ductility and lower cost than carbon nanofiber，and it can serve as a substitute for reinforcement materials.In this research，the mechanical properties of basalt fiber and nano carbon fiber reinforced medical brace materials were studied by experimental analysis methods.Seven kinds of composite medical brace materials with different mixing ratios and stacking sequences were prepared by vacuum assisted resin transfer molding （VARTM），and tested under tensile and bending loads respectively.The test results showed that the stacking order of fibers had obvious influence on the strength and bending modulus of lower limb brace，but had little influence on the tensile modulus.And the mechanical properties exhibited the best performance at the mixing ratio of 26.77% carbon nanofibers and 38.80% basalt fibers.When the patient used the medical brace for 6 days，the recovery rate was 92%，which could effectively treat the lower limb joint sports injury.

Key words：sports injury;nanofibers;hospital braces

玄武巖纖維作為一種強度較高的增強材料［1］，因其優異的物理和力學性能而受到越來越多的關注，例如良好的高耐熱性，強耐化學性和低吸水性。且玄武巖纖維與有機材料環氧樹脂之間形成的界面性能效果較好［2］。同時醫用支具在彎曲條件下，上層將處于壓縮狀態，下層將處于不同程度的拉伸狀態，這引入了層間剪切，可能導致整個支具分層，且彎曲載荷下失效模式要復雜得多［3-4］。因此，多種破壞模式對混合復合醫用支具材料承載力的影響難以明確。采用真空輔助樹脂轉移模塑（VARTM）技術制備具有不同醫用支具結構試樣［5］，通過拉伸和彎曲試驗，分別研究了玄武巖纖維和納米碳纖維混合比和堆疊順序對玄武巖纖維和納米碳纖維環氧樹脂復合材料力學性能的影響。并研究某醫院收治的100例下肢關節扭傷患者，使用納米纖維支具恢復率情況。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

使用威海光威復合材料公司提供的納米碳纖維（T300，3K Tow，w-3011）和四川航天拓新玄武巖工業公司提供的玄武巖纖維（BR180-112）用作復合支具材料中的增強材料，其分別為198、188 g/m2。由安埃爾斯沃思粘合劑公司提供的EP0LAM 5015有機材料環氧樹脂和EP0LAM5014固化劑組成，環氧樹脂與固化劑的相應體積分數為3∶1。

1.2 復合支具材料制造

（1）將玄武巖纖維及納米碳纖維材料按照合適的尺寸切割，然后放置在平面模具上。（2）將用于移除支具的離型膜和用于快速流動的有機材料環氧樹脂分別放置在相應的位置。（3）用密封膠帶將醫用支具模具與真空袋密封，并打開真空泵以形成負壓。（4）在0.1 MPa的恒定負壓下注射樹脂直到支具預制層充分滲透。（5）將復合醫用支具在大氣壓下形成一定厚度，在室內環境溫度下固化27 h，然后進行切割試驗。

通過上述VARTM工藝獲得了7種不同的支具。如表1所示，制備了5種不同類型的復合支具材料，包括C、CB1、CB2、CB5、B（結構相同，但混合比例不同）和3種不同類型的復合支具材料，包括CB2、CB3、CB4（相同的混合比，但結構配置不同），以研究纖維混合比和堆疊順序對玄武巖纖維和納米碳纖維增強復合支具材料力學性能的影響。表2為每種支具相應的物理性能。

1.3 拉伸試驗

醫用支具拉伸試樣的尺寸為（1.9±0.2）×25×250 mm。拉伸測試利用INSTRSON-5985儀器在室溫下配備150 kN的稱重傳感器，以3 mm/min的準靜態加載速率進行。對每種試樣下的5個重復試樣進行測試，直到最終失效，在此期間記錄所有力和位移數據。

與其他測量方法相比，數字圖像（DIC）技術在位移和應變數據的非接觸式和全場測量中具有極大優勢［6］。在DIC系統中，通過配備50 mm焦距鏡頭及2 448×2 050像素長焦鏡頭觀察支具試樣的平面。然后，將支具表面的圖像（變形前和變形后的圖像）記錄，并作為數字圖像存儲在計算機中。相機的采樣率設置為每秒一幅圖像，以描述準靜態拉伸試驗期間的應變演變［7-8］。所有測量結果的后處理分析均使用DIC專業軟件（德國ARAMIS）進行，本研究采用DIC技術測量復合醫用支具材料試樣的全局應變。

1.4 彎曲測試

彎曲試驗通過準靜態加載率為1 mm/min的三點彎曲試驗進行。每種類型的彎曲試樣包括5個重復試樣，其尺寸一致為（12.7×90） mm，通過使用Zwick/Roell儀器將其放置在三點彎曲夾具的中心。加載臂的直徑為6 mm，跨度與厚度之比為32∶1。

2 結果與討論

2.1 纖維混合比對支具的影響

醫用支具荷載-位移曲線和拉伸破壞形態如圖1所示。

由圖1可以看出，C類型復合醫用支具材料（僅碳纖維）在拉伸載荷下直接斷裂成3段，呈現脆性斷裂模式。相比之下，B類型復合醫用支具材料（僅玄武巖纖維）的斷裂擴展不如C類型復合醫用支具材料脆，因此表現出更好的完整性和延展性，且在患者下肢關節佩戴后，可以提高患者的行動能力［10］。此外，從復合醫用支具材料的破壞形態可以觀察到各種斷裂模式。這些斷裂模式主要是玄武巖纖維和納米碳纖維界面處的基體開裂、纖維斷裂和分層，這是由于不同層（例如納米碳纖維層–玄武巖纖維層）之間的界面粘附力比相同層（即納米碳纖維層-納米碳纖維層）弱。一般而言，玄武巖纖維插入納米碳纖維復合材料會改變其破壞模式并增加斷裂模式，呈現出從脆性斷裂向韌性斷裂轉變的情況。

此外，對于CB2（碳∶玄武巖=25.52%∶40.65%）和CB5（碳∶玄武巖=11.78%∶58.62%），在從峰值力急劇線性下降后，仍可以觀察到荷載恢復。主要原因為，納米碳纖維外層最初可能因其低伸長率而失效，而玄武巖纖維內層也可以承受荷載，直到達到玄武巖纖維的極限應變［11-12］。同時可觀察到，CB1（碳∶玄武巖=40.31%∶21.25%），與C類型復合材料相似，表現出顯著的載荷下降，表明納米碳纖維含量高可能導致支具突然發生脆性斷裂，且易發生患者在運動時，支具破壞。

2.2 纖維堆疊序列對支具的影響

表3總結了這3種類型的復合醫用支具材料拉伸性能，如拉伸強度、拉伸模量和破壞應變，相應的曲線繪制在圖2中。

從表3可以看出，3種類型支具都具有大致相同的拉伸模量，不受纖維堆疊順序的影響，主要因為纖維在這個階段沒有出現拉伸破壞和損傷。但這3種復合醫用支具材料的拉伸強度和破壞應變表現出相當大的差異。CB3的拉伸強度和破壞應變分別比CB2高8.7%和11.2%。CB4與CB3的差異最大，在這3種類型中具有最高的抗拉強度和最高的破壞應變（也比CB2高26.1%和17.8%）。且醫用支具抗拉強度和破壞應變可以通過橋接效應來解釋，其中玄武巖纖維在橋接斷裂的納米碳纖維層中起著關鍵作用。而低伸長率納米碳纖維將首先在復合醫用支具材料中斷裂［13］，應力集中將出現在斷裂的納米碳纖維周圍，然后加速支具裂紋的演變，但周圍的高延伸率玄武巖纖維層可以充當斷裂的低延伸率纖維層之間的連接點，以保持其完整性，防止裂紋擴展并減輕應力集中，從而對增強醫用支具承載能力表現出積極作用。

從圖2中可以觀察到，當低伸長率納米碳纖維斷裂時，CB2和CB3的曲線都表現出顯著的載荷下降，但當高伸長率玄武巖纖維承擔所有載荷時，載荷出現恢復情況。但CB4的曲線沒有與CB2和CB3的曲線具有相似的上升階段。相反，在達到峰值載荷后會出現線性下降，這意味著CB4的結構可以表現出更好的增強性能，并相對于其他兩個醫用支具獲得最高的拉伸性能，因此CB4是應用在復合醫用支具材料中最優的選擇。

2.3 斷裂特性

為了確定彎曲試驗后醫用支具失效試樣的損傷機制，在復合醫用支架材料的斷裂橫截面表面上拍攝SEM圖像。圖3為失效樣品正面的斷裂形態。

從圖3（a）可以看出，純納米碳纖維失效模式，主要包括纖維斷裂和橫向裂紋，且在拉伸側和壓縮側都存在裂紋。CB2復合材料失效的SEM圖像如圖3（c）所示，其中可以在壓縮和拉伸側觀察到纖維斷裂。這可以歸因于納米碳纖維在外層的脆性。在納米碳纖維和玄武巖纖維的界面中也可以看到明顯的分層，這可能是由于這些不同材料層之間的不相容性［14-15］。對于CB3和CB4復合醫用支架材料，其中玄武巖纖維層分布在最外層，分別在圖3（d）中觀察到壓縮側的分層和扭折帶。扭折帶的存在表明，在最外層插入玄武巖纖維可以使納米碳纖維復合醫用支具材料的破壞模式從非扭折帶模式轉變為扭折帶模式。

2.4 納米纖維支具安全性能及實際應用研究

在納米纖維支具材料安全性研究中，設置了6組實驗，測量VARTM技術制備的玄武巖纖維和納米碳纖維支具材料在500、510、520、530、540和550 N壓力下的接頭和抗壓性。

在納米材料應用方面，將某醫院收治的100例下肢關節扭傷患者分為5組，每組實驗者分為20人。將玄武巖纖維和納米碳纖維支具應用于患者下肢關節時，共設定1、2、3、4、5和6 d觀察患者恢復率；納米纖維材料支具在不同壓力時的壓縮性能如表4所示。

納米纖維材料的性能通常由納米材料的分子結構決定。一般來說，碳的結構穩定性高于其他類似元素。在納米材料領域，碳元素是主導因素。從表中數據可以看出，納米纖維支具材料的壓縮性能在一定程度上隨著壓力值的變化而逐漸變化。當壓力值達到一個點時，納米纖維支具材料的壓縮率達到最高。然后，表現出出下降趨勢。當壓力為540 N時，納米纖維支具材料的壓縮性能最優為96%。當壓力為500 N時，測得的安全性能最大值為50%。納米纖維支具材料本身的安全性能沒有變化，實驗中測得的值代表一定壓力下的實際安全率。隨著壓力值的不斷變化，當壓力為540 N時達到最高位置，即此時下肢關節支具的安全性最好。

在納米材料應用方面，不同時間下扭傷下肢患者的康復情況如表5所示。

在運動康復過程中，隨著天數的不斷變化，患者的恢復情況逐漸提高，其中一個必然因素就是患者自身的自愈。但由于表5中患者的康復情況改善較快，明顯高于正常水平，因此下肢關節固定裝置在其中發揮了重要作用。并且隨著時間的流逝，患者的康復率逐漸上升并趨于穩定狀態。同時可觀察到在一定天數時，第6組的整體恢復相對較低。造成這種情況的大多數原因是由于患者的不同情況，但隨著時間的推移，整體恢復呈上升趨勢。因此，實驗過程中采集的標本符合實驗要求。第4組患者首日恢復效果低于第1組，但使用下肢關節固定裝置后，患者恢復情況超過第1組。結果表明，以納米材料為主要動力的關節固定裝置在患者使用中顯示出良好的趨勢。固定裝置使用6 d時，患者康復率最好，為92%。其中，固定裝置相當于輔助治療，防止患者再次受傷［16-17］。第1組患者的康復率普遍較低，但當時間發生變化時，康復率呈現上升狀態。第6組患者的康復率在一定天數內較高。

3 結語

（1）采用B、CB1、CB2、CB5、C等5種不同復合材料支具研究混合比的影響。結果表明，CB5的抗彎強度最低，較B復合材料低24.5%。抗拉強度沒有顯著的正效應；

（2）與純納米碳纖維復合醫用支具材料相比，混合復合支具材料表現出更漸進的破壞模式。玄武巖纖維層的插入不僅具有增韌效果，而且可以防止裂紋快速擴展；

（3）纖維堆疊順序對支具拉伸模量的影響較小，但對支具彎曲模量的影響明顯。CB2支具結構產生最大的彎曲模量;CB4因其橋接效應而具有最大的抗拉強度。醫用支具彎曲應力在整個厚度上的分布明顯受到纖維堆疊的影響；

（4）在納米材料實際應用方面，將某醫院100例下肢扭傷患者分為5組。將醫用支具應用于患者下肢關節，并觀察患者恢復率。當醫用支具使用6 d時，患者恢復率為92%。

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