脊柱側彎矯形仿生材料特性分析及應用效果觀察

摘要：脊柱側彎是一種臨床常見脊柱畸形疾病，發病群體主要為青少年等。為提高脊柱側彎治療效果，本試驗以玄武巖纖維和熱塑性聚氨酯材料制備了一種熱塑性樹脂材料，并以此制成仿生支具材料，研究其應用效果。結果表示，優選玄武巖纖維長度為9 mm，添加量為9%，此時熱塑性樹脂材料拉伸強度和缺口沖擊強度分別為28.04 MPa、16.24 kJ/m2。以優選條件制成的仿生支具材料在脊柱側彎矯形治療中治療后VAS評分0.85±0.92分，Cobb角為12.37±3.51，治療有效率93.33%，。該仿生支具材料臨床應用效果良好，可為脊柱側彎矯形臨床治療提供一定參考。

關鍵詞：脊柱側彎；熱塑性聚氨酯；拉伸強度；缺口沖擊強度；臨床應用

中圖分類號：TQ 325.1+2文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2025）04-0079-04

Analysis of biomimetic materials for spinal scoliosis correction and their application effects observation

LU Jianmin1，HUANG Danxia1，LIN Yufen1，CHEN Fuqiang2

（1.Department of Clinical Medicine，Quanzhou Medical College，Quanzhou 362011，Fujian China；

2.People’s Hospital Affiliated of Quanzhou Medical College，Quanzhou 362011，Fujian China）

Abstract：Scoliosis is a common clinical spinal deformity disease，mainly affecting adolescents.To improve the treatment effect of scoliosis，this experiment prepared a thermoplastic resin material using basalt fiber and thermo?plastic polyurethane materials，and used it to make a biomimetic brace material to study its application effect.The experimental results show that the preferred length of basalt fiber is 9 mm and the addition amount is 9%.At this time，the tensile strength and notch impact strength of the thermoplastic resin material are 28.04 MPa and 16.24 kJ/m2，respectively.The biomimetic support material made under optimized conditions had a VAS score of 0.85±0.92 and a Cobb angle of 12.37±3.51 after treatment in scoliosis correction，with a treatment effectiveness rate of 93.33%.The clinical application effect of this biomimetic support material is good，which can provide certain reference for the clinical treatment of scoliosis correction.

Key words：scoliosis of the spine;thermoplastic polyurethane；tensile strength；notch impact strength；clinical ap?plication

在臨床醫學中，脊柱側彎是一種常見的脊柱形態異常疾病[1-2]。這種疾病目前的發病率隨著人們的生活壓力增加、不良習慣等逐年增加。在病因上，這種疾病尚無定論，但可以歸結于遺傳基因變異、生物因子異常等因素的共同作用[3-4]。本課題組通過篩查結果表明泉州市初中生脊柱側彎患病率高達3.76%，該病的發生與有脊椎側凸家族史、參加對抗性體育活動和側臥位睡姿有密切關聯。對于脊柱側彎疾病來說，其發病率較高的群體主要為青少年，這會嚴重影響到青少年的正常生長發育，還可能會給青少年帶來嚴重心理問題。因此，提高脊柱側彎疾病的治療效果尤為重要。對此，譚志等[5]對青少年特發性脊柱側彎進行了督灸聯合特定運動的矯正治療方法。結果表明，該治療方法可有效矯正Cobb角，療效比單一療法好。李亮等[6]針對脊柱側彎矯形治療采用了3D打印輔助置釘聯合改良后路腰椎椎間融合術的方法。結果表明，該治療方法對患者的后脊柱功能恢復效果較好，且可以減少術后并發癥。于文強等[7]則針對3D打印脊柱側凸矯形器進行了矯正效果探究?；诖?，本試驗針對脊柱側彎矯形材料進行了探究。以玄武巖纖維和熱塑性聚氨酯材料制備熱塑性樹脂材料，并以此結合人體工學制成可適用于脊柱側彎矯形的仿生支具材料，探究其應用效果。

1試驗部分

1.1材料與設備

主要材料：玄武巖纖維（工業純，華合新材料）；熱塑性聚氨酯材料（工業純，互紫塑膠原料）。

主要設備：MINI250型塑料注射成型機（鉑瑞祥科技）；CREE-1802D型雙螺桿擠出機（科銳儀器）；WPH-140SC型萬能試驗機（華鉑儀器）；ASR-XJJ-11A型沖擊試驗機（艾斯瑞儀器）。

1.2材料的制備

先利用擠出機、切粒機等設備，將一定規格的玄武巖纖維和熱塑性聚氨酯材料制成纖維增強粒料。再通過注塑工藝，按照一定配比，將纖維增強粒料與熱塑性聚氨酯材料制成熱塑性樹脂材料試件。本試驗主要針對該熱塑性樹脂材料中玄武巖纖維的長度和添加量進行研究。各材料的制備工藝如下。

1.2.1纖維增強粒料的制備

（1）在紗架上放置好規格為1 200 tex的連續玄武巖纖維素。將玄武巖纖維拉出，使其先穿過干燥裝置，再穿過浸漬模具，然后在擠出機上固定好；

（2）使用干燥箱以恒溫40℃對熱塑性聚氨酯材料加熱6 h，冷卻后取出。

（3）將干燥完成的熱塑性聚氨酯材料放入擠出機機筒中，并使用擠出機使熱塑性聚氨酯材料包覆到玄武巖纖維表面。再切粒，制成一定長度的纖維增強粒料；

（4）將纖維增強粒料放入干燥箱中，以恒溫40℃加熱6 h，冷卻后，取出備用。

1.2.2熱塑性樹脂材料試件的制備

（1）使用密度電子天平對制備的纖維增強粒料進行纖維質量分數測定，然后按照一定配比將纖維增強粒料和熱塑性聚氨酯材料混合，配成不同玄武巖纖維添加量的混合料；

（2）將混合料混勻后，放入注塑機中，按照210℃注塑溫度和6 MPa注塑壓力進行處理，保壓時間為30 s。然后將材料在恒溫10℃條件下放置1 d，取出，得熱塑性樹脂材料。

1.3性能測試與表征

拉伸強度測試：將熱塑性樹脂材料制成規格為180 mm×10 mm×3 mm的試件。按照GB/T 1040.2—2022《塑料拉伸性能的測定》，將試件放置到萬能材料試驗機中，以2 mm/min的速度進行拉伸測試，計算各熱塑性樹脂材料試件的拉伸強度[8]。

缺口沖擊強度測試：將熱塑性樹脂材料制成規格為100 mm×3 mm×10 mm的試件，制作2 mm缺口寬度的試件。按照GB/T 1043.1—2008《塑料簡支梁沖擊性能的測定》，以7.5 J沖擊能量進行沖擊測試，分析熱塑性樹脂材料的缺口沖擊強度。

2結果與討論

2.1纖維長度分析

本試驗將玄武巖纖維添加量固定為9%，然后制備含有不同玄武巖纖維長度的熱塑性樹脂材料。并對其進行拉伸強度測試和缺口沖擊強度測試。

2.1.1拉伸強度

試件拉伸強度如圖1所示。

由圖1可知，隨著熱塑性樹脂材料試件中玄武巖纖維長度從3 mm增大15 mm，材料拉伸強度先快速增大，然后出現小幅度減小，再繼續增大。

當在熱塑性樹脂材料試件中添加的玄武巖纖維長度比較短時，樹脂與玄武巖纖維之間的粘結界面面積較小，這就導致這種粘結界面的界面結合力較小[9-10]。當玄武巖纖維長度增大到一定臨界長度時，樹脂與玄武巖之間的粘結界面面積增大，這就導致粘結界面的界面結合力也增大。所以，拉伸強度增大。并且，在玄武巖纖維長度一定時，纖維在樹脂基體中可以均勻分布且樹脂能夠充分浸潤纖維。因此，在樹脂中這些玄武巖纖維可以相互搭接，形成一種空間結構，承載并傳遞應力。所以，拉伸強度增大。然而，當玄武巖纖維長度超過9 mm之后，繼續增大玄武巖纖維長度可能會導致纖維在樹脂中出現斷裂、團聚等現象[11]。因此，拉伸強度反而降低。但是，在這之后，隨著玄武巖纖維長度的繼續增大，雖然會有團聚、斷裂等現象，但是樹脂與玄武巖纖維之間的粘結界面面積較大，且纖維在斷裂后依舊有較長的長度[12]。所以，拉伸強度較大。

2.1.2缺口沖擊強度

試件缺口沖擊強度如圖2所示。

由圖2可知，在玄武巖纖維添加了一定的前提下，當這種纖維的長度增加時，熱塑性樹脂材料試件的缺口沖擊強度在整體上表現出先升后降的趨勢。這些變化主要與熱樹脂樹脂材料試件中的纖維端點數量有關。在熱樹脂樹脂材料試件玄武巖纖維添加量一定時，隨著玄武巖纖維長度的增加，材料體系中的纖維端點數量較少，從而增強材料缺口沖擊強度[13]。而當玄武巖纖維長度超過9 mm時會導致熱塑性樹脂材料試件的缺口沖擊強度降低，這可能是由纖維斷裂的隨機性以及纖維團聚等因素所引起的。

2.2纖維添加量分析

根據2.1中各數據結果，優選玄武巖纖維長度為9 mm。在此基礎上，制備不同玄武巖纖維添加量的熱塑性樹脂材料試件?？疾煸诓煌鋷r纖維添加量條件下，各熱塑性樹脂材料試件的力學性能變化規律。

拉伸強度如圖3所示。

由圖3可知，在熱塑性樹脂材料試件玄武堂纖維長度一定的前提下，隨著玄武巖纖維添加量的增加，試件拉伸強度逐漸升高，之后開始趨于一個穩定值。

相對于熱塑性聚氨酯材料而言，玄武巖纖維屬于高強度、高模量材料。在含玄武巖纖維的熱塑性樹脂材料中，玄武巖纖維可以有承載和傳遞應力的作用，從而使樹脂材料整體的機械力學性能得到增強[14-15]。當玄武巖纖維添加量達到一定限度時，材料黏度會增大，玄武巖纖維容易出現團聚現象形成纖維素。這會對樹脂材料整體的機械力學性能不利。并且，玄武巖纖維添加量的增加，相當于在樹脂材料中纖維數量增加。這也就代表纖維與樹脂材料之間的弱粘結界面增多[16-17]。因此，材料性能下降。綜上，為同時兼顧材料成本與性能，玄武巖纖維添加量不宜超過15%。

缺口沖擊強度如圖4所示。

由圖4可知，在熱塑性樹脂材料試件玄武巖纖維長度一定時，隨著玄武巖纖維添加量增多，試件缺口沖擊強度表現出先略微下降，然后升高，之后再繼續下降的現象。因此，為同時兼顧材料成本與性能，玄武巖纖維添加量宜為9%。

3應用效果觀察

本試驗優選玄武巖纖維長度為9 mm，添加量為9%，以此制備熱塑性樹脂材料。并結合人體工學，制成可適用于脊柱側彎矯形的玄武巖纖維改性仿生支具材料。然后，進行臨床試驗，對這種仿生支具材料關于脊柱側彎矯形的實際應用效果進行分析。

3.1應用對象

選取2020年12月～2023年12月于泉州醫學高等學校附屬人民醫院康復醫學科脊柱側彎門診以及住院部中脊柱側彎患者60例。按照隨機對照原則，將這60例脊柱側彎患者分成2組，對照組、試驗組。對照組采用普通支具材料進行脊柱側彎校正，試驗組則通過玄武巖纖維改性仿生支具材料進行脊柱側彎校正。各組的療程均為3個月。

3.2應用方法

納入標準：患者需滿足這些全部條件：①患者均完全了解本試驗中的治療方案以及風險，屬于自愿參與并簽署知情同意書；②患者均符合脊柱側彎診斷標準，有立位脊柱全長X線片；③年齡均在10～18歲；④Cobb角在20～40°范圍內；⑤患者均存在脊柱偏離身體中線、兩側肩胛不對稱的情況。

排除標準：患者符合這些條件之一即排除：①患者之前有過脊柱相關干預性手術；②患者脊柱先天發育不正常；③患者有先天性疾病、先天發育不足或血液疾?。虎芑颊哂衅つw類或心血管類疾??；⑤患者有傳染性或精神類疾病。

3.3觀察指標

視覺模擬評分（VAS）：以VAS對患者脊柱側彎矯形治療過程中的疼痛程度進行評分，總分10分。VAS評分越高，這代表疼痛感越強，不能忍受的程度越高。

Cobb角：根據各組患者在脊柱側彎矯形治療前后的全脊柱站立位X線片，對Cobb角進行測量。

治療效果：根據《實用骨科學》[18]以及《中國整脊學》[19]，對各組患者脊柱側彎矯形治療的療效進行評價，分為痊愈、顯效、好轉以及無效。

各組試驗數據均使用SPSS 25.0軟件進行處理。

3.4應用效果

表1、表2和表3分別為各組患者在經過不同脊柱側彎矯形治療后的VAS評分情況、Cobb角情況以及應用效果評價。可以看到，在VAS評分方面，試驗組治療后的評分明顯高于對照組；在Cobb角方面，試驗組治療后的Cobb角明顯小于對照組；在治療療效方面，試驗組的治療有效率略高于對照組，但試驗組的患者痊愈以及顯效例數均明顯優于對照組。且這些數據結果差異由統計學意義。由此可見，本試驗制備的玄武巖纖維改性仿生支具材料在脊柱側彎矯形治療中效果良好，優于普通普通支具材料，可為脊柱側彎矯形臨床治療提供一定參考。

4結語

（1）隨著玄武巖纖維長度增加，熱塑性樹脂材料

試件拉伸強度先增后減再繼續增大，缺口沖擊強度則先略微降低后升高；

（2）隨著玄武巖纖維添加量增加，熱塑性樹脂材料試件拉伸強度先升高后趨于穩定，缺口沖擊強度先略微下降，然后升高再下降。玄武巖纖維添加量宜為9%；

（3）優選玄武巖纖維長度為9 mm，添加量為9%。以此條件制成的玄武巖纖維改性仿生支具材料臨床應用效果良好。

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（責任編輯：張玉平）