新型纳米复合材料支具在下肢关节损伤康复中的应用

蒋朋翔 董哲

摘 要：针对玄武岩纤维具有比纳米碳纤维更高的耐热性、优异的延展性和更低的成本，可以作为增强材料的替代品。通过实验分析方法研究玄武岩纤维和纳米碳纤维复合医用支具材料的力学性能，采用真空辅助树脂传递模塑（VARTM）技术制备了7种具有不同混合比和堆叠顺序的复合医用支具材料，并分别在拉伸和弯曲载荷下进行测试。结果表明：纤维的堆叠顺序对下肢支具强度和弯曲模量有明显影响，但对拉伸模量影响较小，且在混合比为26.77%纳米碳纤维和38.80%玄武岩纤维混合比下具有较好的力学性能。当使用医用支具6 d时，患者恢复率为92%，可有效治疗下肢关节运动损伤。

关键词：运动损伤；纳米纤维；医用支具

中图分类号：TQ342+.742

文献标志码：A

文章编号：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

玄武岩纤维作为一种强度较高的增强材料［1］，因其优异的物理和力学性能而受到越来越多的关注，例如良好的高耐热性，强耐化学性和低吸水性。且玄武岩纤维与有机材料环氧树脂之间形成的界面性能效果较好［2］。同时医用支具在弯曲条件下，上层将处于压缩状态，下层将处于不同程度的拉伸状态，这引入了层间剪切，可能导致整个支具分层，且弯曲载荷下失效模式要复杂得多［3-4］。因此，多种破坏模式对混合复合医用支具材料承载力的影响难以明确。采用真空辅助树脂转移模塑（VARTM）技术制备具有不同医用支具结构试样［5］，通过拉伸和弯曲试验，分别研究了玄武岩纤维和纳米碳纤维混合比和堆叠顺序对玄武岩纤维和纳米碳纤维环氧树脂复合材料力学性能的影响。并研究某医院收治的100例下肢关节扭伤患者，使用纳米纤维支具恢复率情况。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

使用威海光威复合材料公司提供的纳米碳纤维（T300，3K Tow，w-3011）和四川航天拓新玄武岩工业公司提供的玄武岩纤维（BR180-112）用作复合支具材料中的增强材料，其分别为198、188 g/m2。由安埃尔斯沃思粘合剂公司提供的EP0LAM 5015有机材料环氧树脂和EP0LAM5014固化剂组成，环氧树脂与固化剂的相应体积分数为3∶1。

1.2 复合支具材料制造

（1）将玄武岩纤维及纳米碳纤维材料按照合适的尺寸切割，然后放置在平面模具上。（2）将用于移除支具的离型膜和用于快速流动的有机材料环氧树脂分别放置在相应的位置。（3）用密封胶带将医用支具模具与真空袋密封，并打开真空泵以形成负压。（4）在0.1 MPa的恒定负压下注射树脂直到支具预制层充分渗透。（5）将复合医用支具在大气压下形成一定厚度，在室内环境温度下固化27 h，然后进行切割试验。

通过上述VARTM工艺获得了7种不同的支具。如表1所示，制备了5种不同类型的复合支具材料，包括C、CB1、CB2、CB5、B（结构相同，但混合比例不同）和3种不同类型的复合支具材料，包括CB2、CB3、CB4（相同的混合比，但结构配置不同），以研究纤维混合比和堆叠顺序对玄武岩纤维和纳米碳纤维增强复合支具材料力學性能的影响。表2为每种支具相应的物理性能。

1.3 拉伸试验

医用支具拉伸试样的尺寸为（1.9±0.2）×25×250 mm。拉伸测试利用INSTRSON-5985仪器在室温下配备150 kN的称重传感器，以3 mm/min的准静态加载速率进行。对每种试样下的5个重复试样进行测试，直到最终失效，在此期间记录所有力和位移数据。

与其他测量方法相比，数字图像（DIC）技术在位移和应变数据的非接触式和全场测量中具有极大优势［6］。在DIC系统中，通过配备50 mm焦距镜头及2 448×2 050像素长焦镜头观察支具试样的平面。然后，将支具表面的图像（变形前和变形后的图像）记录，并作为数字图像存储在计算机中。相机的采样率设置为每秒一幅图像，以描述准静态拉伸试验期间的应变演变［7-8］。所有测量结果的后处理分析均使用DIC专业软件（德国ARAMIS）进行，本研究采用DIC技术测量复合医用支具材料试样的全局应变。

1.4 弯曲测试

弯曲试验通过准静态加载率为1 mm/min的三点弯曲试验进行。每种类型的弯曲试样包括5个重复试样，其尺寸一致为（12.7×90） mm，通过使用Zwick/Roell仪器将其放置在三点弯曲夹具的中心。加载臂的直径为6 mm，跨度与厚度之比为32∶1。

2 结果与讨论

2.1 纤维混合比对支具的影响

医用支具荷载-位移曲线和拉伸破坏形态如图1所示。

由图1可以看出，C类型复合医用支具材料（仅碳纤维）在拉伸载荷下直接断裂成3段，呈现脆性断裂模式。相比之下，B类型复合医用支具材料（仅玄武岩纤维）的断裂扩展不如C类型复合医用支具材料脆，因此表现出更好的完整性和延展性，且在患者下肢关节佩戴后，可以提高患者的行动能力［10］。此外，从复合医用支具材料的破坏形态可以观察到各种断裂模式。这些断裂模式主要是玄武岩纤维和纳米碳纤维界面处的基体开裂、纤维断裂和分层，这是由于不同层（例如纳米碳纤维层–玄武岩纤维层）之间的界面粘附力比相同层（即纳米碳纤维层-纳米碳纤维层）弱。一般而言，玄武岩纤维插入纳米碳纤维复合材料会改变其破坏模式并增加断裂模式，呈现出从脆性断裂向韧性断裂转变的情况。

此外，对于CB2（碳∶玄武岩=25.52%∶40.65%）和CB5（碳∶玄武岩=11.78%∶58.62%），在从峰值力急剧线性下降后，仍可以观察到荷载恢复。主要原因为，纳米碳纤维外层最初可能因其低伸长率而失效，而玄武岩纤维内层也可以承受荷载，直到达到玄武岩纤维的极限应变［11-12］。同时可观察到，CB1（碳∶玄武岩=40.31%∶21.25%），与C类型复合材料相似，表现出显著的载荷下降，表明纳米碳纤维含量高可能导致支具突然发生脆性断裂，且易发生患者在运动时，支具破坏。

2.2 纤维堆叠序列对支具的影响

表3总结了这3种类型的复合医用支具材料拉伸性能，如拉伸强度、拉伸模量和破坏应变，相应的曲线绘制在图2中。

从表3可以看出，3种类型支具都具有大致相同的拉伸模量，不受纤维堆叠顺序的影响，主要因为纤维在这个阶段没有出现拉伸破坏和损伤。但这3种复合医用支具材料的拉伸强度和破坏应变表现出相当大的差异。CB3的拉伸强度和破坏应变分别比CB2高8.7%和11.2%。CB4与CB3的差异最大，在这3种类型中具有最高的抗拉强度和最高的破坏应变（也比CB2高26.1%和17.8%）。且医用支具抗拉强度和破坏应变可以通过桥接效应来解释，其中玄武岩纤维在桥接断裂的纳米碳纤维层中起着关键作用。而低伸长率纳米碳纤维将首先在复合医用支具材料中断裂［13］，应力集中将出现在断裂的纳米碳纤维周围，然后加速支具裂纹的演变，但周围的高延伸率玄武岩纤维层可以充当断裂的低延伸率纤维层之间的连接点，以保持其完整性，防止裂纹扩展并减轻应力集中，从而对增强医用支具承载能力表现出积极作用。

从图2中可以观察到，当低伸长率纳米碳纤维断裂时，CB2和CB3的曲线都表现出显著的载荷下降，但当高伸长率玄武岩纤维承担所有载荷时，载荷出现恢复情况。但CB4的曲线没有与CB2和CB3的曲线具有相似的上升阶段。相反，在达到峰值载荷后会出现线性下降，这意味着CB4的结构可以表现出更好的增强性能，并相对于其他两个医用支具获得最高的拉伸性能，因此CB4是应用在复合医用支具材料中最优的选择。

2.3 断裂特性

为了确定弯曲试验后医用支具失效试样的损伤机制，在复合医用支架材料的断裂横截面表面上拍摄SEM图像。图3为失效样品正面的断裂形态。

从图3（a）可以看出，纯纳米碳纤维失效模式，主要包括纤维断裂和横向裂纹，且在拉伸侧和压缩侧都存在裂纹。CB2复合材料失效的SEM图像如图3（c）所示，其中可以在压缩和拉伸侧观察到纤维断裂。这可以归因于纳米碳纤维在外層的脆性。在纳米碳纤维和玄武岩纤维的界面中也可以看到明显的分层，这可能是由于这些不同材料层之间的不相容性［14-15］。对于CB3和CB4复合医用支架材料，其中玄武岩纤维层分布在最外层，分别在图3（d）中观察到压缩侧的分层和扭折带。扭折带的存在表明，在最外层插入玄武岩纤维可以使纳米碳纤维复合医用支具材料的破坏模式从非扭折带模式转变为扭折带模式。

2.4 纳米纤维支具安全性能及实际应用研究

在纳米纤维支具材料安全性研究中，设置了6组实验，测量VARTM技术制备的玄武岩纤维和纳米碳纤维支具材料在500、510、520、530、540和550 N压力下的接头和抗压性。

在纳米材料应用方面，将某医院收治的100例下肢关节扭伤患者分为5组，每组实验者分为20人。将玄武岩纤维和纳米碳纤维支具应用于患者下肢关节时，共设定1、2、3、4、5和6 d观察患者恢复率；纳米纤维材料支具在不同压力时的压缩性能如表4所示。

纳米纤维材料的性能通常由纳米材料的分子结构决定。一般来说，碳的结构稳定性高于其他类似元素。在纳米材料领域，碳元素是主导因素。从表中数据可以看出，纳米纤维支具材料的压缩性能在一定程度上随着压力值的变化而逐渐变化。当压力值达到一个点时，纳米纤维支具材料的压缩率达到最高。然后，表现出出下降趋势。当压力为540 N时，纳米纤维支具材料的压缩性能最优为96%。当压力为500 N时，测得的安全性能最大值为50%。纳米纤维支具材料本身的安全性能没有变化，实验中测得的值代表一定压力下的实际安全率。随着压力值的不断变化，当压力为540 N时达到最高位置，即此时下肢关节支具的安全性最好。

在纳米材料应用方面，不同时间下扭伤下肢患者的康复情况如表5所示。

在运动康复过程中，随着天数的不断变化，患者的恢复情况逐渐提高，其中一个必然因素就是患者自身的自愈。但由于表5中患者的康复情况改善较快，明显高于正常水平，因此下肢关节固定装置在其中发挥了重要作用。并且隨着时间的流逝，患者的康复率逐渐上升并趋于稳定状态。同时可观察到在一定天数时，第6组的整体恢复相对较低。造成这种情况的大多数原因是由于患者的不同情况，但随着时间的推移，整体恢复呈上升趋势。因此，实验过程中采集的标本符合实验要求。第4组患者首日恢复效果低于第1组，但使用下肢关节固定装置后，患者恢复情况超过第1组。结果表明，以纳米材料为主要动力的关节固定装置在患者使用中显示出良好的趋势。固定装置使用6 d时，患者康复率最好，为92%。其中，固定装置相当于辅助治疗，防止患者再次受伤［16-17］。第1组患者的康复率普遍较低，但当时间发生变化时，康复率呈现上升状态。第6组患者的康复率在一定天数内较高。

3 结语

（1）采用B、CB1、CB2、CB5、C等5种不同复合材料支具研究混合比的影响。结果表明，CB5的抗弯强度最低，较B复合材料低24.5%。抗拉强度没有显著的正效应；

（2）与纯纳米碳纤维复合医用支具材料相比，混合复合支具材料表现出更渐进的破坏模式。玄武岩纤维层的插入不仅具有增韧效果，而且可以防止裂纹快速扩展；

（3）纤维堆叠顺序对支具拉伸模量的影响较小，但对支具弯曲模量的影响明显。CB2支具结构产生最大的弯曲模量;CB4因其桥接效应而具有最大的抗拉强度。医用支具弯曲应力在整个厚度上的分布明显受到纤维堆叠的影响；

（4）在纳米材料实际应用方面，将某医院100例下肢扭伤患者分为5组。将医用支具应用于患者下肢关节，并观察患者恢复率。当医用支具使用6 d时，患者恢复率为92%。

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