微米木纖維醫(yī)用頸椎夾板相容性構(gòu)成分析

張 楊，馬 巖

（東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040）

微米木纖維醫(yī)用頸椎夾板相容性構(gòu)成分析

張 楊，馬 巖

（東北林業(yè)大學(xué) 林業(yè)與木工機(jī)械工程技術(shù)中心，黑龍江 哈爾濱 150040）

闡述了微米木纖維作為一種木材加工材料，具有一定生物醫(yī)用材料的特性。分析了微米木纖維頸椎夾板在醫(yī)用上的相容性。通過對(duì)小興安嶺紅松制備木纖維試樣的SEM照片觀察，發(fā)現(xiàn)木纖維材料的多孔結(jié)構(gòu)與人體皮膚有很好的相容性，可提高頸椎夾板的彈性和韌性。在相容性控制上，根據(jù)不同密度的木纖維在一定氣流作用下產(chǎn)生的壓力，可計(jì)算出材料的透氣率；而對(duì)木纖維材料標(biāo)準(zhǔn)重量的計(jì)算，可使頸椎夾板的重量滿足醫(yī)用的使用要求。實(shí)驗(yàn)得出：根據(jù)試樣的微觀組織分析以及參數(shù)的計(jì)算，在微米木纖維頸椎夾板模壓時(shí)控制其模壓密度，以達(dá)到其與人體皮膚的相容性。

微米木纖維；頸椎夾板；相容性構(gòu)成；計(jì)算

1 介紹

生物材料是近代生物工程學(xué)、生物機(jī)械學(xué)、生物材料學(xué)的重點(diǎn)研究方向[1-4]。本文研究的新材料是：“微米木纖維生物彈性材料”，簡稱：BMIM（biomedical micron fiber inosculate materials），BMIM屬于生物醫(yī)用材料的一個(gè)分支，主要應(yīng)用在醫(yī)學(xué)和其它與人有直接接觸方面應(yīng)用的新型木質(zhì)材料，是醫(yī)學(xué)、汽車、飛機(jī)等和人有密切聯(lián)系行業(yè)的高性能材料[5-8]。微米木纖維生物醫(yī)用材料是以木質(zhì)材料為基材，利用木材工業(yè)新型纖維加工技術(shù)，獲得微米厚度、長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)人造板纖維單元長度的微米長纖維，通過模壓制成滿足醫(yī)學(xué)要求的特定形狀、性能指標(biāo)的新材料[9-11]。這種由微米級(jí)木纖維制成的醫(yī)療用具超出了傳統(tǒng)木材的概念，對(duì)于皮膚而言是一種具有良好的透氣性、相容性、高壓縮比、高彈性模量的生物醫(yī)用材料。微米木纖維頸椎夾板是新一代醫(yī)用材料的典型代表，用其處理頸椎骨折或其它相似疾病的癥狀，可發(fā)揮出極為優(yōu)越的材料性能[12-16]。

2 實(shí) 驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選取小興安嶺紅松木材材料為基體，經(jīng)過刨切制備出平均厚度為52 mm的微米木纖維，考慮到頸椎夾板的尺寸，刨削完成以后，需將纖維經(jīng)打碎機(jī)打碎，打碎后長度在15～30 mm之間。經(jīng)膠液攪拌并模壓成微米木纖維板，將其切割成10 mm×10 mm的試樣，用濃度5%的生理鹽水沖洗試樣表面，采用高錳酸鉀固定液固定，然后用掃描電鏡（SEM）分析材料內(nèi)部微觀組織。如圖1所示，木纖維模壓后的板材成單向多孔結(jié)構(gòu)，孔的形狀有多邊形和長方形，孔穴一般平均寬度范圍5～12 mm。這種孔穴的分布可以提高頸椎夾板的彈性和韌性，并這些數(shù)值與人體皮膚的孔穴密度接近，與人體達(dá)到了一定的通透性與相容性，并可以很好地吸附人體排出的汗液。

圖1 微米木纖維微觀組織Fig.1 Microstructure of micron wood fi ber

將木纖維膠合后，通過膠液的滲透，木纖維的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，各纖維組織按無緒狀結(jié)合在一起，如圖2所示。由于制備時(shí)木纖維在頸托中是隨機(jī)分布的，所以木纖維內(nèi)部的單向多孔結(jié)構(gòu)也在頸托中沿各個(gè)方向分布，多孔結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)空間立體化，這使得制備的夾板在各個(gè)方向既保持一定的強(qiáng)度，又具有很高的韌性，從而提高了這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)夾板使用中的強(qiáng)度與舒適度要求[17-19]。

圖2 微米木纖維膠合后斷面微觀組織Fig.2 Cross-sectional microstructure of micron wood fi ber after gluing

3 結(jié)果與討論

3.1 相容性分析

以木纖維為基材模壓夾板是因?yàn)橹参锉旧砭邆渑c皮膚表面相類似的細(xì)胞結(jié)構(gòu)。微米木纖維在熱壓以后為夾板提供均勻的孔穴，這些孔穴在夾板周圍形成透氣的微孔，完全類似人的皮膚。模壓后的夾板表面存微觀孔穴和宏觀孔穴，其中微觀孔穴是由木材細(xì)胞構(gòu)成的；而宏觀孔穴是微米木纖維膠粘后所形成的。細(xì)胞的吸附功能是由木材細(xì)胞為主的微觀孔穴實(shí)現(xiàn)，在這兩種細(xì)胞孔穴的吸附作用下，潮氣、汗?jié)n、膿液、傷口分泌物等都會(huì)被細(xì)胞管胞吸附，形成細(xì)胞飽和溶液，浸入在細(xì)胞內(nèi)部。當(dāng)外部出現(xiàn)大量汗液污漬時(shí)，夾板宏觀孔穴可以迅速的將這些液體吸附在宏觀孔穴內(nèi)，從而使微米木纖維夾板與皮膚達(dá)到一定的相容性。在夾板內(nèi)部呈纖維狀分布的膠合微米木纖維，其間夾雜有相當(dāng)數(shù)量的纖維細(xì)胞，這些纖維細(xì)胞構(gòu)成了人造的過濾網(wǎng)，這種細(xì)胞網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可吸附皮膚所排出的各種分泌物質(zhì)，并且滿足了材料微觀力學(xué)的各向異性，如圖3所示。

圖3 膠合后纖維細(xì)胞網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)Fig.3 Fiber cell mesh structure after gluing

初步形成后的微觀和宏觀孔穴組織，其最外層明顯可見的是宏觀孔穴。微觀和宏觀孔穴在形態(tài)上彼此之間差異并不明顯，它們互相包容和融合。夾板在使用一段時(shí)間以后，材料微觀細(xì)胞數(shù)目明顯下降，在纖維外形成一種薄而連續(xù)的粘狀物質(zhì)包膜，阻礙了微觀孔穴的吸附作用，此時(shí)吸附的液態(tài)物質(zhì)在細(xì)胞管胞內(nèi)可以滯存很長時(shí)間。這種纖維包膜較為疏松且較薄，采用熱水清洗或者用蒸汽吸附都可以消除，外面的包膜組織主要由密集平行排列的膠原纖維組成（如圖4所示），膠原纖維細(xì)胞組織豐富，且成分復(fù)雜。

圖4 微觀孔穴外的包膜組織Fig.4 Coated organization of outside the micro cavity

3.2 頸椎夾板透氣率的計(jì)算

通過SEM掃描電鏡照片分析出木纖維重構(gòu)BMIM的密度和密度變化率是可行的。在微觀力學(xué)的研究基礎(chǔ)上可以將研究上升到細(xì)胞學(xué)研究的水平，目前木材橫斷面細(xì)胞結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型研究和微米木纖維定向重組理論研究都證明了這一點(diǎn)[20-23]。而皮膚毛囊孔近似于不規(guī)則的、不同大小的圓形分布在皮膚上，它是毛囊和皮脂腺的共同開口，具有特定的生理功能。

通過調(diào)整木纖維模壓密度，可以把BMIM的密度、材料表面孔穴特征制作成接近皮膚表面毛囊孔的分布形式，以及利用皮膚和木質(zhì)材料的天然親和性，有利于木纖維頸椎夾板更好的吸收皮膚所排出的汗液，從而提高夾板透氣性能，來達(dá)到模擬與皮膚相容性的效果，透氣率計(jì)算如公式（1）：

式中：K 為透氣率，m3/m2·KPa·h；Q 為氣體流量，m3/h；ΔP為氣體透過多孔材料產(chǎn)生的壓力，KPa；A為試樣測(cè)試區(qū)域的面積，m2。

根據(jù)上述計(jì)算公式，初步收集數(shù)據(jù)顯示，通過木材微米加工技術(shù)研制夾板密度在0.33～0.41 g/cm3之間時(shí)，皮膚細(xì)胞的透氣率約30%～40%為最佳，此時(shí)夾板與皮膚表面的相容性最好。本次以皮膚細(xì)胞的透氣率為計(jì)算指標(biāo)，分析了最適合皮膚汗毛孔分布時(shí)的木纖維密度，如表2所示。

表1 一組透氣率的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table1 A set of ventilation rate of experimental data

3.3 微米木纖維頸椎夾板的相容性控制

制備木纖維時(shí)可用長刨花切削機(jī)切削出平均厚度為52 mm的微米木纖維，這個(gè)厚度的木纖維非常柔軟，微米厚度與長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)人造板纖維單元的長度。如圖5所示。

圖5 微米木纖維絲狀Fig.5 Micron wood fi ber fi laments

對(duì)于強(qiáng)度而言，BMIM應(yīng)具有足夠的支撐力，固定過程中不至于彎曲、劈裂和折斷，可以保證受保護(hù)部位的安全。而在滿足強(qiáng)度要求的前提下（生物醫(yī)學(xué)材料一般強(qiáng)度要求不是太高），對(duì)于不額外增加肢體的重量，并且不影響人的功能活動(dòng)，就必須降低夾板的質(zhì)量。經(jīng)過控制木纖維材料的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量，可使其相容性達(dá)到最佳。木纖維材料標(biāo)準(zhǔn)重量計(jì)算，如公式（2）所示：

式（2）中：Gs為材料的標(biāo)準(zhǔn)重量；Ga為材料的實(shí)際重量；Ws為公定回潮率；W2為實(shí)際回潮率。

實(shí)驗(yàn)室制造的BMIM小試的實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)以后，可以完成BMIM頸椎夾板的全部實(shí)驗(yàn)要求，壓出密度在0.33～0.41 g/cm3范圍內(nèi)的MOE達(dá)到1 825 Mpa以上，握釘力在810N以上，MOR為12.31 Mpa以上。這些實(shí)驗(yàn)方法突破國內(nèi)外纖維板和結(jié)構(gòu)型人造材形成的傳統(tǒng)試驗(yàn)?zāi)Ｊ?，充分說明了微米實(shí)驗(yàn)技術(shù)推廣的應(yīng)用價(jià)值。如圖6所示，由實(shí)驗(yàn)設(shè)備模壓成型的微米木纖維頸椎夾板毛坯。

4 結(jié) 論

（1）制備的微米木纖維模壓試樣表面具有一定的孔穴存在。微米木纖維的隨機(jī)分布，使得木纖維內(nèi)部的單向多孔結(jié)構(gòu)也在頸托中沿各個(gè)方向分布，多孔結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)空間立體化，從而使頸椎夾板在各個(gè)方向既保持一定的強(qiáng)度，又具有很高的韌性。

（2）微米木纖維內(nèi)部的微觀孔穴與膠合后木纖維所形成的宏觀孔穴都具有有效的吸附功能。經(jīng)過一段時(shí)間后，在夾板外表面會(huì)形成一層膠原包膜，這種包膜組織是由密集平行排列的膠原纖維組成。

（3）微米木纖維的多孔結(jié)構(gòu)可提高人體皮膚表面的透氣效果，通過公式計(jì)算出微米木纖維表面的透氣率，從而控制頸椎夾板模壓時(shí)的密度，來達(dá)到材料與人體的相容性。計(jì)算得出微米木纖維夾板密度在0.33～0.41 g/cm3之間時(shí)，人體皮膚細(xì)胞的透氣率約30%～40%為最佳。

（4）實(shí)驗(yàn)室制造的實(shí)驗(yàn)臺(tái)改進(jìn)以后，可以壓出密度在0.33～0.41 g/cm3范圍內(nèi)的MOE達(dá)到1 825 Mpa以上，握釘力在810 N以上，MOR為12.31 Mpa以上的微米木纖維夾板試樣。

圖6 微米木纖維頸椎夾板毛坯Fig.6 Micron wood fi ber cervical plate blank

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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?；穑―L13AB03）；國家自然科學(xué)基金（31170517）

張 楊（1981-），男，黑龍江哈爾濱人，博士研究生，講師，主要研究方向：木質(zhì)復(fù)合材料學(xué)；Email：zynefu1981@gmail.com

[本文編校：吳 彬]