微米木纤维医用颈椎夹板相容性构成分析

张 杨，马 岩

（东北林业大学 林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨 150040）

微米木纤维医用颈椎夹板相容性构成分析

张 杨，马 岩

（东北林业大学 林业与木工机械工程技术中心，黑龙江 哈尔滨 150040）

阐述了微米木纤维作为一种木材加工材料，具有一定生物医用材料的特性。分析了微米木纤维颈椎夹板在医用上的相容性。通过对小兴安岭红松制备木纤维试样的SEM照片观察，发现木纤维材料的多孔结构与人体皮肤有很好的相容性，可提高颈椎夹板的弹性和韧性。在相容性控制上，根据不同密度的木纤维在一定气流作用下产生的压力，可计算出材料的透气率；而对木纤维材料标准重量的计算，可使颈椎夹板的重量满足医用的使用要求。实验得出：根据试样的微观组织分析以及参数的计算，在微米木纤维颈椎夹板模压时控制其模压密度，以达到其与人体皮肤的相容性。

微米木纤维；颈椎夹板；相容性构成；计算

1 介绍

生物材料是近代生物工程学、生物机械学、生物材料学的重点研究方向[1-4]。本文研究的新材料是：“微米木纤维生物弹性材料”，简称：BMIM（biomedical micron fiber inosculate materials），BMIM属于生物医用材料的一个分支，主要应用在医学和其它与人有直接接触方面应用的新型木质材料，是医学、汽车、飞机等和人有密切联系行业的高性能材料[5-8]。微米木纤维生物医用材料是以木质材料为基材，利用木材工业新型纤维加工技术，获得微米厚度、长度远远超过传统人造板纤维单元长度的微米长纤维，通过模压制成满足医学要求的特定形状、性能指标的新材料[9-11]。这种由微米级木纤维制成的医疗用具超出了传统木材的概念，对于皮肤而言是一种具有良好的透气性、相容性、高压缩比、高弹性模量的生物医用材料。微米木纤维颈椎夹板是新一代医用材料的典型代表，用其处理颈椎骨折或其它相似疾病的症状，可发挥出极为优越的材料性能[12-16]。

2 实 验

实验选取小兴安岭红松木材材料为基体，经过刨切制备出平均厚度为52 mm的微米木纤维，考虑到颈椎夹板的尺寸，刨削完成以后，需将纤维经打碎机打碎，打碎后长度在15～30 mm之间。经胶液搅拌并模压成微米木纤维板，将其切割成10 mm×10 mm的试样，用浓度5%的生理盐水冲洗试样表面，采用高锰酸钾固定液固定，然后用扫描电镜（SEM）分析材料内部微观组织。如图1所示，木纤维模压后的板材成单向多孔结构，孔的形状有多边形和长方形，孔穴一般平均宽度范围5～12 mm。这种孔穴的分布可以提高颈椎夹板的弹性和韧性，并这些数值与人体皮肤的孔穴密度接近，与人体达到了一定的通透性与相容性，并可以很好地吸附人体排出的汗液。

图1 微米木纤维微观组织Fig.1 Microstructure of micron wood fi ber

将木纤维胶合后，通过胶液的渗透，木纤维的内部结构发生了变化，各纤维组织按无绪状结合在一起，如图2所示。由于制备时木纤维在颈托中是随机分布的，所以木纤维内部的单向多孔结构也在颈托中沿各个方向分布，多孔结构呈现空间立体化，这使得制备的夹板在各个方向既保持一定的强度，又具有很高的韧性，从而提高了这种复杂结构夹板使用中的强度与舒适度要求[17-19]。

图2 微米木纤维胶合后断面微观组织Fig.2 Cross-sectional microstructure of micron wood fi ber after gluing

3 结果与讨论

3.1 相容性分析

以木纤维为基材模压夹板是因为植物本身具备与皮肤表面相类似的细胞结构。微米木纤维在热压以后为夹板提供均匀的孔穴，这些孔穴在夹板周围形成透气的微孔，完全类似人的皮肤。模压后的夹板表面存微观孔穴和宏观孔穴，其中微观孔穴是由木材细胞构成的；而宏观孔穴是微米木纤维胶粘后所形成的。细胞的吸附功能是由木材细胞为主的微观孔穴实现，在这两种细胞孔穴的吸附作用下，潮气、汗渍、脓液、伤口分泌物等都会被细胞管胞吸附，形成细胞饱和溶液，浸入在细胞内部。当外部出现大量汗液污渍时，夹板宏观孔穴可以迅速的将这些液体吸附在宏观孔穴内，从而使微米木纤维夹板与皮肤达到一定的相容性。在夹板内部呈纤维状分布的胶合微米木纤维，其间夹杂有相当数量的纤维细胞，这些纤维细胞构成了人造的过滤网，这种细胞网状结构可吸附皮肤所排出的各种分泌物质，并且满足了材料微观力学的各向异性，如图3所示。

图3 胶合后纤维细胞网状结构Fig.3 Fiber cell mesh structure after gluing

初步形成后的微观和宏观孔穴组织，其最外层明显可见的是宏观孔穴。微观和宏观孔穴在形态上彼此之间差异并不明显，它们互相包容和融合。夹板在使用一段时间以后，材料微观细胞数目明显下降，在纤维外形成一种薄而连续的粘状物质包膜，阻碍了微观孔穴的吸附作用，此时吸附的液态物质在细胞管胞内可以滞存很长时间。这种纤维包膜较为疏松且较薄，采用热水清洗或者用蒸汽吸附都可以消除，外面的包膜组织主要由密集平行排列的胶原纤维组成（如图4所示），胶原纤维细胞组织丰富，且成分复杂。

图4 微观孔穴外的包膜组织Fig.4 Coated organization of outside the micro cavity

3.2 颈椎夹板透气率的计算

通过SEM扫描电镜照片分析出木纤维重构BMIM的密度和密度变化率是可行的。在微观力学的研究基础上可以将研究上升到细胞学研究的水平，目前木材横断面细胞结构的数学模型研究和微米木纤维定向重组理论研究都证明了这一点[20-23]。而皮肤毛囊孔近似于不规则的、不同大小的圆形分布在皮肤上，它是毛囊和皮脂腺的共同开口，具有特定的生理功能。

通过调整木纤维模压密度，可以把BMIM的密度、材料表面孔穴特征制作成接近皮肤表面毛囊孔的分布形式，以及利用皮肤和木质材料的天然亲和性，有利于木纤维颈椎夹板更好的吸收皮肤所排出的汗液，从而提高夹板透气性能，来达到模拟与皮肤相容性的效果，透气率计算如公式（1）：

式中：K 为透气率，m3/m2·KPa·h；Q 为气体流量，m3/h；ΔP为气体透过多孔材料产生的压力，KPa；A为试样测试区域的面积，m2。

根据上述计算公式，初步收集数据显示，通过木材微米加工技术研制夹板密度在0.33～0.41 g/cm3之间时，皮肤细胞的透气率约30%～40%为最佳，此时夹板与皮肤表面的相容性最好。本次以皮肤细胞的透气率为计算指标，分析了最适合皮肤汗毛孔分布时的木纤维密度，如表2所示。

表1 一组透气率的实验数据Table1 A set of ventilation rate of experimental data

3.3 微米木纤维颈椎夹板的相容性控制

制备木纤维时可用长刨花切削机切削出平均厚度为52 mm的微米木纤维，这个厚度的木纤维非常柔软，微米厚度与长度远远超过传统人造板纤维单元的长度。如图5所示。

图5 微米木纤维丝状Fig.5 Micron wood fi ber fi laments

对于强度而言，BMIM应具有足够的支撑力，固定过程中不至于弯曲、劈裂和折断，可以保证受保护部位的安全。而在满足强度要求的前提下（生物医学材料一般强度要求不是太高），对于不额外增加肢体的重量，并且不影响人的功能活动，就必须降低夹板的质量。经过控制木纤维材料的标准质量，可使其相容性达到最佳。木纤维材料标准重量计算，如公式（2）所示：

式（2）中：Gs为材料的标准重量；Ga为材料的实际重量；Ws为公定回潮率；W2为实际回潮率。

实验室制造的BMIM小试的实验台改进以后，可以完成BMIM颈椎夹板的全部实验要求，压出密度在0.33～0.41 g/cm3范围内的MOE达到1 825 Mpa以上，握钉力在810N以上，MOR为12.31 Mpa以上。这些实验方法突破国内外纤维板和结构型人造材形成的传统试验模式，充分说明了微米实验技术推广的应用价值。如图6所示，由实验设备模压成型的微米木纤维颈椎夹板毛坯。

4 结 论

（1）制备的微米木纤维模压试样表面具有一定的孔穴存在。微米木纤维的随机分布，使得木纤维内部的单向多孔结构也在颈托中沿各个方向分布，多孔结构呈现空间立体化，从而使颈椎夹板在各个方向既保持一定的强度，又具有很高的韧性。

（2）微米木纤维内部的微观孔穴与胶合后木纤维所形成的宏观孔穴都具有有效的吸附功能。经过一段时间后，在夹板外表面会形成一层胶原包膜，这种包膜组织是由密集平行排列的胶原纤维组成。

（3）微米木纤维的多孔结构可提高人体皮肤表面的透气效果，通过公式计算出微米木纤维表面的透气率，从而控制颈椎夹板模压时的密度，来达到材料与人体的相容性。计算得出微米木纤维夹板密度在0.33～0.41 g/cm3之间时，人体皮肤细胞的透气率约30%～40%为最佳。

（4）实验室制造的实验台改进以后，可以压出密度在0.33～0.41 g/cm3范围内的MOE达到1 825 Mpa以上，握钉力在810 N以上，MOR为12.31 Mpa以上的微米木纤维夹板试样。

图6 微米木纤维颈椎夹板毛坯Fig.6 Micron wood fi ber cervical plate blank

[1] 马 岩.纳微米科学与技术及在木材工业的应用前景展望[J].林业科学,2001,37(8):109-113.

[2] 尹玉姬,李 方,叶 芬,等.生物医用材料[J].化工进展,2001,(02):6-9.

[3] 成俊卿,等.木材学[M].北京:中国林业出版社,1985,468-469.

[4] 战 丽,杨春梅.马 岩,微纳米和微米木纤维理论研究的现状与工业化前景[J].林业机械与木工设备, 2003,31(5):4-6.

[5] 殷小春,任鸿烈.对改善木塑复合材料表面相容性因素探讨[J].塑料. 2002,31(4):25-28

[6] 夏忠珍. 木塑复合材料的界面相容性及吸水性能研究[D].南京:南京航天航空大学,2009.

[7] 马 岩.重组木力学模型及刚度参数分析方法探讨[J].东北林业大学学报,1995,23(4):107-111.

[8] 张 杨,马 岩,杨春梅.薄木层积材颈椎夹板构造机制及其弹性模量计算[J]. 林业科学.2013,49(8),103-107.

[9] 揣成智,李 树,蔺艳琴. 聚丙烯/接枝木纤维复合材料相容性及性能的研究[J].中国塑料.2004,14(5):23-28

[10] Xi Tingfei: ‘The current situation and developmental trend of biomedical materals’, Thematic Forum(Material & manufacture),2006,12,(5),1-4.

[11] 杨春梅. 微米木纤维的形成机理及模拟加工[D].哈尔滨:东北林业大学,2003.

[12] 张 杨,马 岩.薄木层积材颈椎夹板加工理论及其参数驱动的形状仿真[J].中南林业科技大学学报.2013,33(10),151-156.

[13] Diao, X., T. Furuno and T.Uehara: ‘Analysis of cell arrangement in soft wood susing two-dimensional fast Fourier transformation’,Mokuzaishi, 1996, 42,(7),634-641.

[14] 马 岩.微米木纤维定向重组细胞纤维含量的定量求解理论研究[J].生物数学学报,2002,17(3):353-357.

[15] Maekawa,T.,M.Fujita and H.Saiki: ‘Characterization of cell arrangement by polar coordinate analysis of power spectral patterns’, J.soc.Mater.sci.Jpn,1993,42,(473),126-131.

[16] 杨春梅,吕 宏,马 岩.纤维微米切削理论与微米木纤维形成机理研究[J].林业机械与木工设备,2008,36(5):23-24.

[17] 马 岩.利用微米木纤维定向重组技术形成超高强度纤维板的细胞裂解理论研究[J].林业科学,2003,39(3):111-115.

[18] 马 岩.重组木微观力学模型及刚度参数分析方法探讨[J].东北林业大学学报,1995,23(4):107-111.

[19] Uagi Watanabe and Misato: ‘Tangential Young’s Modulus of Coniferous Early Wood Investigated using Cell models’,Holzforschung, 1999,53(2),209-214.

[20] Callum A.S.Hill and Dennis Jones: ‘Dimensional changes in Corsican Pine sapwood due to chemical modif i cation with Linear chain anhydrides’, Holzforschung, 1999, 53,(3),267-271.

[21] 战 丽,齐英杰,马 岩,等. 重组木复合刨花板截面弹性模量求解方法的研究[J].医学生物材料加工机械, 2002(4):8-11.

[22] 张 杨,马 岩.微米长刨花骨伤固定夹板造型设计[J]. 西部林业科学.2012,41(4),60-64.

[23] 王永奇,等.颈托的研制及应用[J].中华放射学杂志,2001,35(2): 102.

Consistency composition analysis of micron wood fi ber medical cervical splint

ZHANG Yang, MA Yan
(Forestry and Woodworking Machinery Engineering Centre, Northeast Forestry University, Harbin 150040, Heilongjiang, China)

The micron wood fi ber, as a wood processing material, has certain characteristics of biomedical materials. The compatibility of micron wood fi ber cervical splint on the medical was analyzed. Through the observation of SEM photographs of Xiaoxing’anling pine wood fi ber sample, it was found that the porous structure of the wood fi ber materials have a good compatibility to human skin,and can improve the fl exibility and toughness of the cervical splint. On the compatibility control, air permeability of the material can be calculated depending on the pressure generated by the wood fi bers of different density under the action of the air fl ow. By the calculation of the standard weight for wood fi ber material, cervical splint can meet the medical use on weight requirements. The results of the experiments show that according to the analysis of sample microstructure and the calculation of the parameters, the compatibility with the human skin can be achieved by controlling the density when molding the micron wood fi ber cervical splint.

micron wood fi ber; cervical splint; consistency composition; calculation

S788.1

A

1673-923X(2014)12-0151-04

2013-11-18

中央高校基金（DL13AB03）；国家自然科学基金（31170517）

张 杨（1981-），男，黑龙江哈尔滨人，博士研究生，讲师，主要研究方向：木质复合材料学；Email：zynefu1981@gmail.com

[本文编校：吴 彬]