納米SiO₂改性樹脂打印材料制備及在骨折固定中的應用

摘 要：為提高胸腰椎骨折術后固定支具的韌性，采用3D打印技術，以聚乳酸（PLA）樹脂和聚己二酸對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）樹脂為共混樹脂體系，添加納米二氧化硅和連續型碳纖維，制備一種全樹脂打印材料，并探討其在胸腰椎骨折術后護理中的應用效果。結果表明，PLA樹脂和PBAT樹脂的優選質量比為92∶8，納米二氧化硅優選添加量為1%，此時制備的全樹脂打印材料拉伸強度為38.7 MPa、彎曲強度為84.5 MPa、沖擊強度為182.2 kJ·m -2 。除此之外，在胸腰椎骨折術后臨床護理中，使用全樹脂打印材料固定支具的研究組患者脊柱后凸角和疼痛情況均得到明顯改善，優于對照組。因此，本研究制備的全樹脂打印材料綜合性能良好，可為胸腰椎骨折固定提供臨床參考。

關鍵詞：胸腰椎骨折；樹脂；納米二氧化硅；沖擊強度；脊柱后凸角

中圖分類號：TQ323 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2025）03-0130-04

Preparation of nano-SiO 2 modified resin printing materialsand their effectiveness in fracture fixation

WANG Yalin，JI Fuli，ZHAO Longdi，WEI Zhenyu，ZHAO Weihong

（Weichang Manchu Mongol Autonomous County Hospital， Chengde 068450，Hebei China）

Abstract：In order to improve the treatment effect of thoracolumbar vertebral fractures and reduce patient pain，3Dprinting was used，using poly（lactic acid）（PLA）resin and poly（butylene adipate-co-terephthalate）（PBAT）resinas a blend resin system，adding nano silica and continuous carbon fiber to produce a whole resin printing material，and its application effect in postoperative care of thoracolumbar vertebral fractures was explored. The results showthat the optimal mass ratio of PLA resin and PBAT resin is 92∶8，and the optimal amount of nano silica added is1%. At this time，the tensile strength of the all resin printing material is 38.7 MPa，the bending strength is 84.5 MPa，and the impact strength is 182.2 kJ·m -2 . In addition，in the postoperative clinical care of thoracolumbar fractures，the study group of patients who used all resin printed materials to fix the support showed significant improvement inspinal kyphosis and pain，which was better than the control group. Therefore，the comprehensive performance of theall resin printing material in this study is good，which can provide clinical reference for the fixation of thoracolum?bar fractures.

Key words：thoracic and lumbar vertebral fractures；resin；nano-SiO 2 ；impact strength；spinal kyphosis angle

胸腰椎骨折是一種常見的人體脊柱損傷疾病。在目前的胸腰椎骨折治療方式中，切開復位手術可以達到內固定傷椎、糾正胸腰椎畸形等目的 [1-2] 。除了手術治療外，還要利用一些非手術療法來減輕患者疼痛、恢復傷椎高度等 [3-4] 。但不管是手術治療還是非手術治療，胸腰椎骨折護理時傳統外固定支具的應用都尤為重要，可以起到矯形治療、保持傷椎高度等作用。因此，關于傳統外固定支具的研究成為一個熱點。蔣朋翔等 [5] 利用高延展性、低成本的玄武巖纖維代替納米碳纖維，結合真空輔助樹脂傳遞模塑技術，制備復合醫用支具材料。蔡學峰等 [6] 使用三維（3D）打印外固定支具和手法復位的方式，治療單純性胸腰椎壓縮性骨折。仲鋒鋒等 [7] 針對胸腰椎壓縮骨折，采用了可調式脊柱外固定器結合過伸復位法。研究表明，在15°～20°的過伸固定高度條件下，這種治療方法不僅可以減緩患者疼痛度、維持椎體高度，還能提高治療依從性、提高患者固定舒適度。由此可見，外固定支具材料在各種骨折治療中極為重要。

針對胸腰椎骨折固定，本研究研制了一種性能良好的全樹脂打印材料，并探討其在胸腰椎骨折術后護理中的應用效果。

1 試驗部分

1.1 材料與設備

主要材料：連續型碳纖維（工業純，上海力碩復合材料科技有限公司）；納米二氧化硅（SiO 2 ，工業純，靈壽縣正旭礦產產品加工廠）；聚乳酸（PLA）樹脂（工業純，上海一倫塑化有限公司）；聚己二酸對苯二甲酸丁二醇酯（PBAT）樹脂（工業純，湖北成豐化工有限公司）；ATBC增塑劑（工業純，濟南祥豐偉業化工有限公司）。

主要設備：GX-8011-A型伺服萬能試驗機（東莞市高鑫檢測設備有限公司）；CH-260型3D打印機（深圳市創想三維科技股份有限公司）；LZJ-JL-01型沖擊試驗機（東莞笠智精電子科技有限公司）；BM65型雙螺桿擠出機（南京寶歐銘橡塑機械有限公司）；DSH-5.0型高速混合機（江蘇大金干燥科技有限公司）。

1.2 全樹脂打印材料制備

以PLA樹脂和PBAT樹脂作為共混樹脂體系，添加適量納米二氧化硅，制作3D打印樹脂線材。

然后將這種3D打印樹脂線材與連續型碳纖維以單擠入口單噴頭的方式進行3D打印，最終獲得全樹脂打印材料。在制備過程中，進行了共混樹脂體系配比和納米二氧化硅添加量的優化，具體如后文所述。

1.2.1 3D打印樹脂線材的優選制備

（1）使用干燥機以恒溫60 ℃對PLA樹脂以及PBAT樹脂進行干燥2 h；

（2）稱量適量干燥后的PLA樹脂，添加8% PBAT樹脂與少量ATBC增塑劑進行預混，再添加1%納米二氧化硅 [8-9] 。并利用高速混合機，將以上材料混合均勻；

（3）使用雙螺桿擠出機將混合后的原材料進行熔融共混，再切粒、烘干，得到全樹脂打印材料顆粒；

（4）將全樹脂打印材料顆粒添加到雙螺桿擠出機中，設置擠出機一區溫度170 ℃、二區溫度180 ℃、三區溫度190 ℃、四區溫度180 ℃，以20 mm/s轉速擠出3D打印樹脂線材；

1.2.2 全樹脂打印材料3D打印成型

將3D打印樹脂線材與連續型碳纖維以單擠入口單噴頭的方式進行3D打印，制成全樹脂打印材料試樣，用于后續試驗。3D打印成型參數如表1所示 [10-11] 。

2 結果與分析

2.1 共混樹脂體系優化

首先對共混樹脂體系中的PBAT樹脂添加量進行優化，測試不同PBAT樹脂添加量的全樹脂打印材料試樣的拉伸強度與沖擊強度，如圖1所示。由圖1可知，隨著共混樹脂體系中PBAT樹脂的增加，試樣的拉伸強度下降，而沖擊強度上升。通過這些現象可知，PBAT樹脂的添加，可以增強PLA/PBAT共混樹脂體系的沖擊性能，但是使材料體系拉伸性能下降。因此，為獲得韌性良好的全樹脂打印材料，共混樹脂體系中的PBAT樹脂應當少量添加，PBAT樹脂添加量優選為樹脂總質量的8%。

2.2 性能測試分析

2.2.1 拉伸強度分析

圖2為在不同納米二氧化硅添加量條件下，全樹脂打印材料試樣的拉伸強度。當全樹脂打印材料中添加的納米二氧化硅逐漸增多時，試樣拉伸強度呈先升后降趨勢。雖然納米二氧化硅對PLA復合材料體系有一定的增強增韌效果，但是其添加量過多時，由于材料體系中的納米二氧化硅顆粒與各種樹脂顆粒體積相差較大，納米二氧化硅會出現團聚現象 [12-14] ，進而導致3D打印熔融擠出的全樹脂打印材料成型試樣上存在較多缺陷。因此，材料強度性能會降低。綜上，在0.5%～1.5%添加量范圍內，納米二氧化硅可以提高全樹脂打印材料拉伸強度。添加1%納米二氧化硅的全樹脂打印材料拉伸性能最佳。

2.2.2 彎曲強度分析

圖3為在不同納米二氧化硅添加量條件下，全樹脂打印材料試樣的彎曲強度。當全樹脂打印材料中添加的納米二氧化硅逐漸增多時，試樣彎曲強度先升后降，與拉伸強度變化一致。而當納米二氧化硅的添加量超過1%時，試樣彎曲強度反而開始下降。添加2%納米二氧化硅的試樣彎曲強度已經下降到64.7MPa。這主要歸因于過多二氧化硅在全樹脂打印材料中的團聚作用導致的材料性能下降。通過這些變化可得，為獲得彎曲性能良好的全樹脂打印材料，納米二氧化硅添加量宜為1%。

2.3 臨床應用效果觀察

隨機選取于2022年12月～2024年2月期間，在我院進行胸腰椎骨折治療的患者84例，并對這些患者進行隨機分組，對照組和研究組各42例。各組患者的骨折部位、年齡以及性別無統計學差異。納入標準：①患者年齡在18～70歲范圍內；②患者均屬于單節段胸腰椎壓縮性骨折；③患者胸腰椎骨折受傷時間均在2周以內；④患者及家屬均知曉并自愿參與此次研究。排除標準：①患者被診斷為病理性或骨質疏松性骨折；②患者合并嚴重基礎病或其他嚴重損傷；③患者是孕婦或哺乳期婦女 [15-17] 。

選用質量比為92∶8的PLA樹脂和PBAT樹脂作為共混樹脂體系，添加1%納米二氧化硅，制成3D打印樹脂線材。根據影像學參數，使用3D打印單擠入口單噴頭工藝，將這種線材與連續型碳纖維制作成胸腰椎骨折術后固定支具。研究組患者在術后護理中使用本研究中制備的固定支具，對照組患者則使用普通固定支具。

通過如下2個指標評判本文制備的全樹脂打印材料的臨床應用效果。脊柱后凸角（Cobb角）：在胸腰椎骨折術后，對患者進行固定支具護理。在護理一定時間后，根據患者在治療前后的CT檢查情況以及胸腰椎X線片，測量Cobb角 [18-19] 。疼痛情況：使用疼痛視覺模擬評分法（VAS），對術后護理一定時間的患者疼痛情況進行評價。VAS評分越高則代表患者疼痛感越強。

由表2可知，與治療前相比，各組患者術后護理3個月的Cobb角均有一定改善。其中，研究者患者術后護理3個月的Cobb角更小，改善程度更大，且兩組患者術后護理3個月的Cobb角比較時， p＜0.05 。由表3可知，與對照組患者相比，研究者患者的疼痛感明顯更小，且2組疼痛情況比較時， p＜0.05 。這些數據表明，利用本研究中的全樹脂打印材料制備的胸腰椎骨折固定支具，在臨床護理中固定效果良好，舒適性更強，可為胸腰椎骨折術后臨床護理提供參考。

3 結論

（1）以PAL樹脂和PBAT樹脂作為共混樹脂體系。當共混樹脂體系中PBAT樹脂添加量增加時，材料拉伸強度降低，沖擊強度提高。優選PBAT樹脂添加量為8%。

（2）當納米二氧化硅添加量增多時，材料拉伸強度、彎曲強度和沖擊韌性均先升后降。添加1%納米二氧化硅的材料力學性能最佳。

（3）在胸腰椎骨折術后護理中，使用全樹脂打印材料的研究者患者在術后護理3個月的Cobb角明顯改善，疼痛情況也得到改善，均優于對照組，表明這種全樹脂打印材料制成的固定支具臨床應用效果良好。

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（責任編輯：張玉平）