竹塑夹板力学性质研究和优化分析

1、竹塑夹板力学性质研究和优化分析孙雁群芜湖市中医院骨科，安徽省芜湖市，241000孙益民安徽师范大学化学与材料科学学院，安徽省芜湖市，241000摘要目的：研究设计控制竹塑夹板材料的力学性质与特征满足治疗要求。方法：采用力学 性能试验测试分析方法对竹塑夹板与柳木夹板力学性质稳定性进行比较。结果：天然柳木材 料夹板弹性模量波动大、蠕变速率变化大，影响治疗骨折外固定过程的稳定性，竹塑夹板则 相反。结论：通过对竹塑夹板材料的弹性模量设计和工业化生产工艺研发，制造满足弹性固 定准则要求的材料和器械，为小夹板现代化发展开辟了可行的新途径。关键词夹板，生物力学，功能，骨折study of mechanica

2、l properties and optimization analysis on bamboo-plastic splintyanqun sun, orthopaedics, chinese medicine hospital, wuhu, anhui, 241000yimin sun, college of chemistry and materials science, anhui normal university, wuhu, anhui, 241000abstract purpose: to meet the therapy requirements, the mechanical

3、 properties of the splint materials made of bamboo-plastic were studied and designed. method： the comparisons of stabilities of mechanical properties between bamboo-plastic and willow splint were carried out by mechanical tests and analysis. results： elastic modulus of splint made of natural willow

4、materials is unstable and creep rate changes greatly, which impact the stability of external fracture fixation. bamboo-plastic materials show the contrary properties and results. conclusion: the new approaches to modernized small splint can only be reached by designing elastic modulus of bamboo-plas

5、tic materials and researching the industrial process to manufacture the materials and appliances satisfying the requirement of the principle of clastic fixationkey words splint, biomechanics, function, fracture,夹板局部外固定治疗骨折是屮医特色，应用广泛，上世纪六十年代我国一些著名专家学者通过对柳 木夹板外固定治疗骨t骨折的力学研究，揭示了夹板是固定力，在约束力下以外部杠杆对应肢体的内部

6、 杠杆，抵消骨折端移位的倾向力，然而柳木板是天然材料，手工制作，力学性质不稳定，与人体骨骼 系统的生物力学特性无关联，外固定过程中诸多不良因素阻碍了夹板外固定疗法现代化进程。因此，我 们研制了竹鴉夹板，设计、控制其力学性质、特征，工业化生产。并与柳木板测试对比分析，为夹板标 准化，规范化提供依据。1、材料与方法1.1竹塑夹板1.1.1设计理念综合分析国内使用较为广泛的小夹板特征，对人体四肢骨干、关节生理形态适应性，人体骨骼系统生物力学特性，上、下肢骨干拉、压力弹性模量参数。骨重建定律，弹性固定准则，通过计算机筛选、模拟，利用材料复合原理设计，达到控制夹板弹性模量和特性的冃的。1.1.2结构竹塑

7、夹板为热塑性弹性体复合材料，由聚乙烯、改性pe,内裹竹条注塑成型，多孔弧形板壳状，厚 2、3、3.5mm,竹条为三年生秋后砍伐皖南刚竹（直径100mm以上），防腐蛀干燥处理，含水率9%。去 根梢，取竹青制条，截而1.5*3.5mm,帘状排列于热塑弹性体材料内，间距2mm。夹板i叫面粘贴3mm厚 棉毡。1.1.3力学性质，弹性模最控制。通过材料复合的原理，改性pe材料的力学性质达到部分控制夹板的弹性模量的口的。ecs = pepe + ervbecs：夹板材料弹性模量，epe：改性聚乙烯材料弹性模量，eb：竹材弹性模量，vpe：改性聚乙烯材料门分宽度，：竹材门分宽丿芟，0图1不同部位夹板在不同复

8、合比例下对材料弹性模量要求图1是针对不同部位夹板在不同复合比例情况下的实验研究。以屮间一条曲线为例说明（符号“” 表示上肢用夹板），此条illi线横处标方向表明改性聚乙烯在复合材料小的所占的宽度比例，纵处标表达所 需的改性聚乙烯材料的弹性模量，在vpe=0.8吋，改性聚乙烯弹性模量必须为0.4583gpa,对于同样上肢 用夹板如果改变复合配方比例为vpe为0.65,则要求改性聚乙烯弹性模量必须为0.4103gpa,这就需要 根据复合材料的比例构成调节改性聚乙烯弹性模量。对于手指用的（符号“”）夹板，在比例为0.8时, 要求epe为0.3542gpa,对于下肢用的（符号“ ”）夹板，在比例为0.

9、8时，要求epe为0.5625gpa。为解决这一问题，通过控制塑料增韧剂使用量和温度工艺指标，达到了要求。175 -170 -o3a3165 -155 -150 -145.51.01.52.02.5弹件助剂(%)3.0图2添加剂用量与温度对改性聚乙烯材料弹性模最的影响图2显示了处理温度和增韧剂加入量对改性聚乙烯材料弹性模量的影响情况。图屮illi线表示等弹性模量线，曲线上数字是改性聚乙烯材料的弹性模量，单位gpao分析可见加入增韧剂可以调节聚乙烯材 料的弹性模量，随着加入量的增加材料的弹性模量下降。处理温度也有一定的影响，鮫低的温度表现出 较高的弹性模量。图2的矩形工况区域町以得到弹性模量相对

10、大的改性聚乙烯材料，而在椭闘形区域得 到弹性模最相对小的改性聚乙烯材料，这样通过适当控制温度和增韧剂比例可以冇效控制改性聚乙烯材 料弹性模量，从而调节整个复合材料的弹性模量。1.1.4弹性模量l1.4.1纵向弹性模量设计值：9±lgpa, 7±lgpa, 5±lgpa弹性极限值：>=15gpa1.142横向弹性模量横向弹性模量主要取决于聚乙烯材料的弹性模量。在纵向弹性模量1/3处加卸载时挠度、应变不归于零。 力学性能：抗拉强度ob (mpa)： >75.5；伸长率55(%)： 3.5；冲击韧性值ak(j/cm2)：无缺口:>23.6；拉 伸弹性模

11、fi (mpa)： >61.8；经改性后可以提高弹性模量高达860mpa热性能：热变形温度：1.86mpa:126°c1.2测试方法随机抽取同一地区生产、同批次、等厚柳木夹板20组，竹塑夹板等厚20组。1.2.1两种材料力学性质稳定性对比12108 6 4 (bdom螂艺鞋一一竹塑复合材料夹板柳木夹板0 12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21样 1111图3随机抽取20组柳木夹板和某型号竹塑夹板弹性模量的比较图3随机各选収20组夹板进行力学性能测试进行比较，可见“ ”所代表的柳木夹板力学性能参差 不齐，在大约4g

12、pa到14gpa间波动，“”所代表的竹塑夹板显示较小的力学性能波动，在8gpa到logpa 间波动，力学性能稳定在2gp&误差z间，而柳木夹板力学性能波动幅度高达logpao1.2.2蠕变速率比较1200 -1400-,一口一柳木材料夹板一 一竹塑复合材料夹板1000 -o01020304050607080时间（小时）图4两种材料的蠕变速率比较图4中“”表示的曲线是柳木夹板蠕变速率情况，“”表示的曲线是复合材料夹板端变速率悄况。 可见在最初的10小时柳木夹板蠕变速率很大，而复合材料夹板授初的10小时以及后续阶段蠕变速率一 肓很小。1.3结果柳木夹板山于材料木身的限制存在着弹性模量不稳定

13、，夹板质量山于弹性模量问题彼此之间力学性 质相差很人，难以从外观上选择合适的夹板使用。竹槊夹板由于工业化生产，任意选材同一，加之采用改性聚乙烯材料进行力学性能调节，可以保证夹板在误差允许范围内的力学性能要求。柳木夹板蠕变速率较大，使用最初的10小时，由于蠕变明显，医护人员必须不断跟踪修正夹板位置 和紧固程度。2、讨论2我国幅员辽阔，就地取材造成夹板种类繁多，柳木夹板较为规范，在对其测试分析同时，我们亦 对国内使用较多的杉树皮、竹片、纸壳板，铝塑板等夹板材料进行测试分析，并对其临床资料收集统计, 夹板材料力学性质问题、无标准、无规范是造成骨折再移位、并发症、畸形愈合发生率居高不下的重要 原因,外

14、固定材料的力学性稳定关系到外固定治疗的稳定性，夹板不等于板材,对夹板材料结构、特征、 力学性质设计控制，工业化牛产，是推动夹板外固定疗法现代化改造的当务之急。2.2国际化标准组织将生物医学材料定义为：“以医疗为h的，与活组织接触并形成功能的无生命材 料”夹板的功能是维持复位的效果、固定稳定，对骨承受的力学状态十扰较少，使骨折端获得冇益于愈 合的生理应力刺激，所谓弹性固定理论准则要满足以上功能，通过多年临床治疗效果统计分析和实验 室研究夹板材料弹性模量，刚度应是人体骨干骨弹性模量，刚度0.45-0.6范围，而这一力学矢量所产牛的 功能乂必须建立在材料力学性质稳定的基础上，山于夹板外固定依据液体不

15、可压缩效应，存在对称性和 平衡性，夹板材料力学性质的不稳定，尤其是同组夹板力学性质不稳定和早期蠕变过大，对称性和平衡 性紊乱，从而影响骨折外固定稳定性，固定不稳定，其他功能也毫无意义。2.3各项异性，是竹塑夹板力学性质又一特征，即材料的第二相性，竹册夹板纵、横向弹性模量存在 不同的性能和差异，纵向表现为刚韧、弹性对骨折固定具有足够的支持力和杠杆力、固定力；横向上表 现为柔韧、粘滞，使夹板与肢体紧密接触，因为夹板外固定是横向固定力模式，这个方向的柔韧、粘滞 尤为重耍，将杠杆力体积力以而积力形式均匀分布，这样才能与骨折远近端组成几何不变结构，保持相 对稳定的要求，而同等刚度的柳条板已显得刚度过大，

16、无法与肢体紧密接触。2.4鴉性是材料卸载后永久变形，即夹板的可赠性，以满足人体肢体生理弧度的要求，以往这一概念 是模糊的，塑性应分为制作生产过程屮的塑性和医生操作过程小的塑形。竹塑夹板纵向屈服强度达110。, 临床操作吋可根据需要随意塑形，以满足骨折端、关节形态和牛理弧度的需要。塑形后，塑形段基本保 持屈服强度前临床工作段弹性模量不变，线性，仍符合胡克定律。而柳木板等在折弯达10。时即发生断 裂。我们认为夹板操作中塑形和塑形部分仍保持良好的固定力，才具冇临床意义，并h骨折移位的倾向 力对夹板不产牛塑形作用。2.5变形能，竹塑夹板采用了热塑性弹性体材料，纵向上在一定的范围内是完全弹性体、线性。我

17、们 把这一范围称之为临床固定工作段。其变形能在临床上表现为弹性回位力，是竹塑夹板弹性模量的设计 控制最重耍部分，单位是5880-7840kjo在外固定过程中不仅抵消骨折再移位的倾向力，纠正残留畸形， 并且使骨折端产生生理应力刺激。生理应力值是一个区间与竹鴉夹板变形能矢最之间的关系能否取得最 住值正在进一步研究中，而横向上的粘滞防止了弹性过大。数年來大量的临床资料证实，骨折复位后采 用竹塑夹板外固定满意率达95%,尤其是梯骨远端骨折，外固定时间平均26天。2.6竹塑夹板弹性模量刚度与所固定部位人体骨骼拉压力弹性模量刚度参数比通过计算机模拟参照有 限元法测定控制在1： 0.45-0.6时，外固定是

18、稳定的，夹板与骨骼共同承担应力载荷，非功能替代，所产 生的应力是牛理应力，符合wolff定律。一些医牛在骨折内固定后再采用石膏外固定，石膏去除后常发 生内固定材料断裂。而改为竹鴉夹板系统外固定则不发生。所谓应力无遮挡尚在研究屮，但已说明竹塑 夹板控制设计符合骨重建定律。在这-问题上柳木夹板没有相关的资料。综上所述，竹塑夹板的多种力学特性有其内在的统一性，设计控制、工业化生产使得竹塑夹板传承 了天然材料夹板的合理性，又具备天然材料无法具备的特殊功能，满足对骨折治疗中的适应性，大量的 临床资料证实，其稳定的力学性质在空间形式上达到和保持外固定的稳定性，符合弹性固定理论准则， 为我国小夹板标准化、规范化提供了依据。竹赠夹板尚具备质轻、可