摘要：脊柱側(cè)彎是一種臨床常見脊柱畸形疾病，發(fā)病群體主要為青少年等。為提高脊柱側(cè)彎治療效果，本試驗(yàn)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(yīng)用效果。結(jié)果表示，優(yōu)選玄武巖纖維長度為9 mm，添加量為9%，此時(shí)熱塑性樹脂材料拉伸強(qiáng)度和缺口沖擊強(qiáng)度分別為28.04 MPa、16.24 kJ/m2。以優(yōu)選條件制成的仿生支具材料在脊柱側(cè)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(yīng)用效果良好，可為脊柱側(cè)彎矯形臨床治療提供一定參考。

關(guān)鍵詞：脊柱側(cè)彎；熱塑性聚氨酯；拉伸強(qiáng)度；缺口沖擊強(qiáng)度；臨床應(yīng)用

中圖分類號：TQ 325.1+2文獻(xiàn)標(biāo)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，F(xiàn)ujian China；

2.People’s Hospital Affiliated of Quanzhou Medical College，Quanzhou 362011，F(xiàn)ujian 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(yī)學(xué)中，脊柱側(cè)彎是一種常見的脊柱形態(tài)異常疾病[1-2]。這種疾病目前的發(fā)病率隨著人們的生活壓力增加、不良習(xí)慣等逐年增加。在病因上，這種疾病尚無定論，但可以歸結(jié)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(jié)果表明泉州市初中生脊柱側(cè)彎患病率高達(dá)3.76%，該病的發(fā)生與有脊椎側(cè)凸家族史、參加對抗性體育活動(dòng)和側(cè)臥位睡姿有密切關(guān)聯(lián)。對于脊柱側(cè)彎疾病來說，其發(fā)病率較高的群體主要為青少年，這會(huì)嚴(yán)重影響到青少年的正常生長發(fā)育，還可能會(huì)給青少年帶來嚴(yán)重心理問題。因此，提高脊柱側(cè)彎疾病的治療效果尤為重要。對此，譚志等[5]對青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎進(jìn)行了督灸聯(lián)合特定運(yùn)動(dòng)的矯正治療方法。結(jié)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(cè)彎矯形治療采用了3D打印輔助置釘聯(lián)合改良后路腰椎椎間融合術(shù)的方法。結(jié)果表明，該治療方法對患者的后脊柱功能恢復(fù)效果較好，且可以減少術(shù)后并發(fā)癥。于文強(qiáng)等[7]則針對3D打印脊柱側(cè)凸矯形器進(jìn)行了矯正效果探究?；诖?，本試驗(yàn)針對脊柱側(cè)彎矯形材料進(jìn)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(jié)合人體工學(xué)制成可適用于脊柱側(cè)彎矯形的仿生支具材料，探究其應(yīng)用效果。

1試驗(yàn)部分

1.1材料與設(shè)備

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

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

1.2材料的制備

先利用擠出機(jī)、切粒機(jī)等設(shè)備，將一定規(guī)格的玄武巖纖維和熱塑性聚氨酯材料制成纖維增強(qiáng)粒料。再通過注塑工藝，按照一定配比，將纖維增強(qiáng)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(yàn)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(jìn)行研究。各材料的制備工藝如下。

1.2.1纖維增強(qiáng)粒料的制備

（1）在紗架上放置好規(guī)格為1 200 tex的連續(xù)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(jī)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(jī)機(jī)筒中，并使用擠出機(jī)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(qiáng)粒料；

（4）將纖維增強(qiáng)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(qiáng)粒料進(jìn)行纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定，然后按照一定配比將纖維增強(qiáng)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(jī)中，按照210℃注塑溫度和6 MPa注塑壓力進(jìn)行處理，保壓時(shí)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(qiáng)度測試：將熱塑性樹脂材料制成規(guī)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(yàn)機(jī)中，以2 mm/min的速度進(jìn)行拉伸測試，計(jì)算各熱塑性樹脂材料試件的拉伸強(qiáng)度[8]。

缺口沖擊強(qiáng)度測試：將熱塑性樹脂材料制成規(guī)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(jìn)行沖擊測試，分析熱塑性樹脂材料的缺口沖擊強(qiáng)度。

2結(jié)果與討論

2.1纖維長度分析

本試驗(yàn)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(jìn)行拉伸強(qiáng)度測試和缺口沖擊強(qiáng)度測試。

2.1.1拉伸強(qiáng)度

試件拉伸強(qiáng)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(qiáng)度先快速增大，然后出現(xiàn)小幅度減小，再繼續(xù)增大。

當(dāng)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(shí)，樹脂與玄武巖纖維之間的粘結(jié)界面面積較小，這就導(dǎo)致這種粘結(jié)界面的界面結(jié)合力較小[9-10]。當(dāng)玄武巖纖維長度增大到一定臨界長度時(shí)，樹脂與玄武巖之間的粘結(jié)界面面積增大，這就導(dǎo)致粘結(jié)界面的界面結(jié)合力也增大。所以，拉伸強(qiáng)度增大。并且，在玄武巖纖維長度一定時(shí)，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(jié)構(gòu)，承載并傳遞應(yīng)力。所以，拉伸強(qiáng)度增大。然而，當(dāng)玄武巖纖維長度超過9 mm之后，繼續(xù)增大玄武巖纖維長度可能會(huì)導(dǎo)致纖維在樹脂中出現(xiàn)斷裂、團(tuán)聚等現(xiàn)象[11]。因此，拉伸強(qiáng)度反而降低。但是，在這之后，隨著玄武巖纖維長度的繼續(xù)增大，雖然會(huì)有團(tuán)聚、斷裂等現(xiàn)象，但是樹脂與玄武巖纖維之間的粘結(jié)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(qiáng)度較大。

2.1.2缺口沖擊強(qiáng)度

試件缺口沖擊強(qiáng)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(dāng)這種纖維的長度增加時(shí)，熱塑性樹脂材料試件的缺口沖擊強(qiáng)度在整體上表現(xiàn)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(diǎn)數(shù)量有關(guān)。在熱樹脂樹脂材料試件玄武巖纖維添加量一定時(shí)，隨著玄武巖纖維長度的增加，材料體系中的纖維端點(diǎn)數(shù)量較少，從而增強(qiáng)材料缺口沖擊強(qiáng)度[13]。而當(dāng)玄武巖纖維長度超過9 mm時(shí)會(huì)導(dǎo)致熱塑性樹脂材料試件的缺口沖擊強(qiáng)度降低，這可能是由纖維斷裂的隨機(jī)性以及纖維團(tuán)聚等因素所引起的。

2.2纖維添加量分析

根據(jù)2.1中各數(shù)據(jù)結(jié)果，優(yōu)選玄武巖纖維長度為9 mm。在此基礎(chǔ)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(xué)性能變化規(guī)律。

拉伸強(qiáng)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(qiáng)度逐漸升高，之后開始趨于一個(gè)穩(wěn)定值。

相對于熱塑性聚氨酯材料而言，玄武巖纖維屬于高強(qiáng)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(yīng)力的作用，從而使樹脂材料整體的機(jī)械力學(xué)性能得到增強(qiáng)[14-15]。當(dāng)玄武巖纖維添加量達(dá)到一定限度時(shí)，材料黏度會(huì)增大，玄武巖纖維容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象形成纖維素。這會(huì)對樹脂材料整體的機(jī)械力學(xué)性能不利。并且，玄武巖纖維添加量的增加，相當(dāng)于在樹脂材料中纖維數(shù)量增加。這也就代表纖維與樹脂材料之間的弱粘結(jié)界面增多[16-17]。因此，材料性能下降。綜上，為同時(shí)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(qiáng)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(shí)，隨著玄武巖纖維添加量增多，試件缺口沖擊強(qiáng)度表現(xiàn)出先略微下降，然后升高，之后再繼續(xù)下降的現(xiàn)象。因此，為同時(shí)兼顧材料成本與性能，玄武巖纖維添加量宜為9%。

3應(yīng)用效果觀察

本試驗(yàn)優(yōu)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(jié)合人體工學(xué)，制成可適用于脊柱側(cè)彎矯形的玄武巖纖維改性仿生支具材料。然后，進(jìn)行臨床試驗(yàn)，對這種仿生支具材料關(guān)于脊柱側(cè)彎矯形的實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行分析。

3.1應(yīng)用對象

選取2020年12月～2023年12月于泉州醫(yī)學(xué)高等學(xué)校附屬人民醫(yī)院康復(fù)醫(yī)學(xué)科脊柱側(cè)彎門診以及住院部中脊柱側(cè)彎患者60例。按照隨機(jī)對照原則，將這60例脊柱側(cè)彎患者分成2組，對照組、試驗(yàn)組。對照組采用普通支具材料進(jìn)行脊柱側(cè)彎校正，試驗(yàn)組則通過玄武巖纖維改性仿生支具材料進(jìn)行脊柱側(cè)彎校正。各組的療程均為3個(gè)月。

3.2應(yīng)用方法

納入標(biāo)準(zhǔn)：患者需滿足這些全部條件：①患者均完全了解本試驗(yàn)中的治療方案以及風(fēng)險(xiǎn)，屬于自愿參與并簽署知情同意書；②患者均符合脊柱側(cè)彎診斷標(biāo)準(zhǔn)，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(nèi)；⑤患者均存在脊柱偏離身體中線、兩側(cè)肩胛不對稱的情況。

排除標(biāo)準(zhǔn)：患者符合這些條件之一即排除：①患者之前有過脊柱相關(guān)干預(yù)性手術(shù)；②患者脊柱先天發(fā)育不正常；③患者有先天性疾病、先天發(fā)育不足或血液疾?。虎芑颊哂衅つw類或心血管類疾?。虎莼颊哂袀魅拘曰蚓耦惣膊?。

3.3觀察指標(biāo)

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

Cobb角：根據(jù)各組患者在脊柱側(cè)彎矯形治療前后的全脊柱站立位X線片，對Cobb角進(jìn)行測量。

治療效果：根據(jù)《實(shí)用骨科學(xué)》[18]以及《中國整脊學(xué)》[19]，對各組患者脊柱側(cè)彎矯形治療的療效進(jìn)行評價(jià)，分為痊愈、顯效、好轉(zhuǎn)以及無效。

各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)均使用SPSS 25.0軟件進(jìn)行處理。

3.4應(yīng)用效果

表1、表2和表3分別為各組患者在經(jīng)過不同脊柱側(cè)彎矯形治療后的VAS評分情況、Cobb角情況以及應(yīng)用效果評價(jià)?？梢钥吹?，在VAS評分方面，試驗(yàn)組治療后的評分明顯高于對照組；在Cobb角方面，試驗(yàn)組治療后的Cobb角明顯小于對照組；在治療療效方面，試驗(yàn)組的治療有效率略高于對照組，但試驗(yàn)組的患者痊愈以及顯效例數(shù)均明顯優(yōu)于對照組。且這些數(shù)據(jù)結(jié)果差異由統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。由此可見，本試驗(yàn)制備的玄武巖纖維改性仿生支具材料在脊柱側(cè)彎矯形治療中效果良好，優(yōu)于普通普通支具材料，可為脊柱側(cè)彎矯形臨床治療提供一定參考。

4結(jié)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(qiáng)度先增后減再繼續(xù)增大，缺口沖擊強(qiáng)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(qiáng)度先升高后趨于穩(wěn)定，缺口沖擊強(qiáng)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(yōu)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(yīng)用效果良好。

【參考文獻(xiàn)】

[1]鄭龍韜，廖章正，段鴻洲.先天性脊柱側(cè)彎的病因及其合并椎管內(nèi)畸形的診療進(jìn)展[J].中國微創(chuàng)外科雜志，2023，23（12）：925-929.

[2]吳茶鳳.經(jīng)筋推拿聯(lián)合正骨療法在脊柱側(cè)彎患者脊椎矯形中的效果[J].中外醫(yī)學(xué)研究，2023，21（35）：162-165.

[3]黃寧，王爽，覃任坤，等.易筋經(jīng)及揉筋法治療非結(jié)構(gòu)性脊柱側(cè)彎的思路淺析[J].中國民間療法，2023，31（16）：27-28.

[4]宋天霖，劉莉穎.青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎病因及治療[J].青海醫(yī)藥雜志，2023，53（5）：54-57.

[5]譚志，陳俊偉，李卓榮，等.督灸聯(lián)合運(yùn)動(dòng)矯正治療青少年特發(fā)性脊柱側(cè)彎的療效觀察[J].上海針灸雜志，2023，42（12）：1282-1287.

[6]李亮，梁梅，王聰聰，等.3D打印輔助置釘聯(lián)合改良PLIF在退行性脊柱側(cè)彎矯形中的應(yīng)用[J].實(shí)用骨科雜志，2023，29（12）：1062-1069.

[7]于文強(qiáng)，侯俞彤，黃承蘭，等.3D打印脊柱側(cè)凸矯形器的矯正效果[J].中國康復(fù)理論與實(shí)踐，2023，29（4）：390-395.

[8]趙祎平，蘇霞，張黃旭，等.碳纖維織物拉伸強(qiáng)度影響因素的研究[J].新型工業(yè)化，2022，12（1）：253-254，257.

[9]駱宣耀，韋粵海，馬雷雷，等.硅烷偶聯(lián)劑改性對玄武巖纖維增強(qiáng)乙烯基酯樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能的影響[J].現(xiàn)代紡織技術(shù)，2023，31（4）：103-110.

[10]胡華，樊明珠，羅琛杰，等.改性聚乙烯樹脂引入雙壁波紋管的制備及質(zhì)量優(yōu)化結(jié)果[J].粘接，2023，50（5）：77-81.

[11]呂麗華，劉文迪，張思遠(yuǎn).三維機(jī)織玄武巖纖維熱塑性復(fù)合材料的制備及其力學(xué)性能[J].產(chǎn)業(yè)用紡織品，2020，38（8）：7-11，17.

[12]范紫倫.玄武巖纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料力學(xué)性能研究[D].南京：東南大學(xué)，2020.

[13]郭彩霞.玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料安全鞋包頭的制備及其性能[J].中國個(gè)體防護(hù)裝備，2022，（6）：4-7.

[14]王彩琴，王前進(jìn)，王小毛.玻璃纖維氈/水性環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的制備及其基本性能研究[J].粘接，2022，49（10）：56-59.

[15]張寒露，曹京宜，胡建海，等.短切玄武巖纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合涂層的制備及性能研究[J].表面技術(shù)，2023，52（5）：149-162.

[16]孫文濤，黃傳軍，李青，等.單向玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料低溫力學(xué)性能研究[J].低溫工程，2021，（1）：54-59.

[17]李俊濤.玄武巖纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料制備與力學(xué)性能研究[J].南方農(nóng)機(jī)，2020，51（15）：31-32，52.

[18]熊湘龍，王波.活血接骨湯聯(lián)合外支架手風(fēng)琴技術(shù)對脛骨萎縮性骨不連療效與骨代謝影響研究[J].湖南文理學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2024，36（1）：56-60.

[19]鐘顯石，安平，唐生云，等.整脊調(diào)曲牽引法結(jié)合銀質(zhì)針及黃芪桂枝五物湯加味治療混合型頸椎病臨床觀察[J].廣西中醫(yī)藥大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，26（6）：19-21，34.

（責(zé)任編輯：張玉平）