塑形纸质支架夹板是江苏省中医系统应用较为广泛的一种外固定夹板,其是根据南京中医药大学无锡附属医院名老中医刘秉夫主任,在“动静结合”理念的指导下,以马粪纸和铅丝为材料,经过几十年临床应用及探索,设计改造而成。
40余年的实践运用已明确肯定其良好的临床疗效。该型夹板具有成本低,制作简单,使用方便的特点,相比较于传统小夹板的局限性,此种能提供良好的弹性、韧性、透气性、可塑性及显影性,是一种新型的舒适性与匹配性夹板,能有效实现“动静结合”的“弹性固定”,促进骨折愈合。但由于该夹板力学性质及定量关系仍不清楚,且临床操作与生产模式均不规范,影响了其推广应用。本试验通过对“塑形纸质支架夹板”与传统的柳木夹板进行力学性能对比,并比较马粪纸-铅丝不同复合比例的塑形纸质支架夹板的生物力学性能,选出拥有较好力学性能的一种作为规范化生产的依据,为“塑形纸质支架夹板”的临床推广应用提供条件。现报告如下。
1、材料与方法
1.1塑形纸质夹板和柳木夹板对比试验
塑形纸质支架夹板由马粪纸、8#或10#铅丝组成,共20套。柳木夹板为天津医院假肢厂生产的常用colles夹板20套。
试验全部在XJ838型电子万能材料试验机上进行。将两种夹板水平置于加载台上,构成3点加载,然后对两种夹板施以纵向压力,测量塑形纸质支架夹板和柳木夹板对应的挠度位移D1,及其在撤去对应外力后塑形纸质支架夹板和柳木夹板弹回后的残余位移D2。
1.2两种不同复合比例塑形夹板的对比试验
根据不同马粪纸和铅丝的复合比例的可分为两类:纸质铅丝大夹板由10#铅丝和3层马粪纸黏合而成、纸质铅丝小夹板由8#铅丝和2层马粪纸黏合而成,各10套。电子万能材料试验机取140mm跨度为测试对象,试验速度为20mm/min,采用三点加载法使夹板产生弯曲应力和变形,测试两种夹板的弯曲强度极限、挠度、弯曲强度、弯曲弹性模量。对纸质铅丝大夹板、纸质铅丝小夹板进行压缩的力学分析,测量压缩强度极限、最大变形及压缩强度。
1.3统计学方法
数据采用SPSS16.0软件统计分析,计量资料以均数±标准差(x±s)表示,两组间比较采用独立样本t检验,不满足正态分布及方差齐性时,采用Wilcoxon秩和检验。以P≤0.05为差异具有统计学意义,P>0.05为差异无统计学意义。
2、结果
2.1塑形纸质支架夹板的D1及D2均显著小于柳木夹板(P<0.001),表明塑形纸质支架夹板在强度和残余位移方面都优于柳木夹板(见表1)。塑形纸质支架夹板的应力应变曲线较对照组规则,说明塑形纸质支架夹板的材料力学性能较柳木夹板更稳定(见图1)。塑形纸质支架夹板残余应力-应变曲线较柳木夹板规则,说明其材料力学性能较稳定。塑形纸质支架夹板在0~55N范围内处于负载的线性阶段。而柳木夹板组在0~20N处于负载的线性阶段。塑形纸质支架夹板组线性阶段的阈值高于柳木夹板组(见图2)。
由以上的数据可以得出两种夹板所能承载的线性阶段范围是:0~20N,在此范围内,依据弹性公式:弹性=位移量/加力,比较二者的弹性(见表2)。
2.2抗弯试验
纸质铅丝大夹板的弯曲强度极限明显大于纸质铅丝小夹板(P<0.001,t=10.14),对应的挠度明显小于纸质铅丝小夹板(P=0.005,t=-3.156),两者弯曲强度及弯曲弹性模量比较差异有统计学意义(P<0.001,t=8.04;P<0.001,t=8.637),说明纸质铅丝大夹板在刚度方面要优于纸质铅丝小夹板,纸质铅丝大夹板的应力-应变曲线较纸质铅丝小夹板规则,说明其材料力学性能更稳定(见表3和图3)。
2.3抗压试验
纸质铅丝大夹板的压缩强度极限与压缩强度与纸质铅丝小夹板 相 比 差 异 无 统 计 学 意 义 (P=0.068,t=-1.939;P=0.068,t=-1.939),最大变形显著小于纸质铅丝小夹板(P<0.001,t=-10.683)(见表4)。两种夹板抗压缩性能相当,而纸质铅丝大夹板抗变形能力更好。纸质铅丝大夹板的压缩应力-应变曲线较纸质铅丝小夹板规则,说明其抗压缩力学性能更稳定(见图4)。
3 、讨论
塑形纸质支架夹板仅通过马粪纸及铅丝制作而成,构造简单,取材方便,价格低廉,在临床上应用较多。制作材料:马粪纸及8#或10#铅丝;制作方法:纸板按照肢体的具体形状裁剪,两块纸板间涂浆糊,并将铅丝放在两纸中央黏牢,再在两面各放第二层纸板并黏合,也可辅以绵纸包黏美化。
从试验测试结果可以发现塑形纸质支架夹板的刚度是优于柳木夹板的,并且弹性与柳木夹板相当,说明塑形纸质支架夹板是一种理想可靠的小夹板。从两种夹板的位移量及残余位移量与加力曲线我们可以得出一个结论,两种曲线基本上分成两个阶段:
1)弹性阶段,在此阶段中负载和应变之间呈现线性关系,其比值为弹性模量,符合胡克定律。2)非线性阶段,此阶段负载与应变不存在线性关系,随着负载的增加应变可能只是缓慢上升,是一种非临床的工作阶段。塑形纸质支架夹板在0~55N范围内处于负载的线性阶段,远大于柳木夹板的0~20N,并且在非线性阶段中,塑形纸质支架夹板的残余位移量较柳木夹板小,说明塑形纸质支架夹板在弯曲时的刚度要明显优于柳木夹板,我们可以得出这样的结论:塑形纸质支架夹板在有效固定骨折方面拥有比柳木夹板更好的力学刚度,更符合临床上固定骨折时的刚度要求。并且在不同力的作用下,塑形纸质支架夹板的曲线表现出比柳木夹板更加规则,说明其力学性能稳定。柳木夹板从树木中取材,其机械性能跟所选取的木材的种类、生长年龄、纹理走向、湿度、温度等因素相关。研究表明传统柳木夹板治疗骨折的模式是粘弹性固定模式,加载卸载时其应力-应变曲线不重合,表现出一定的滞后性,机械性能不稳定,对骨折治疗会产生不利的影响。塑形纸质支架夹板的力学性质稳定,刚度与弹性均符合临床应用的要求,同时多年确切的临床疗效也印证了这一点。
塑形纸质支架夹板由于取材简单,力学性能稳定,适合机械规范化生产,并且不存在像柳木夹板手工制作的不确定性。因此,塑形纸质支架夹板作为局部外固定治疗骨折的外部杠杆,具有良好的刚度与弹性等力学性能,以保持骨折端的相对稳定,预防骨折再移位和纠正残余畸形,符合小夹板的弹性固定原理。从测试结果还可以得出,根据马粪纸和铅丝不同复合比例制作纸质铅丝大夹板和纸质铅丝小夹板在材料刚度及稳定性方面,纸质铅丝大夹板要明显优于纸质铅丝小夹板,但是纸质铅丝小夹板弯曲弹性和压缩最大变形要大于纸质铅丝大夹板。
通过绘制两种夹板抗弯和抗压的应力-应变曲线,从两种夹板的应力-应变曲线可以看出,纸质铅丝大夹板的刚度和材料的稳定性要优于纸质铅丝小夹板,更适合规范化生产和推广。由于有关条件的限制,本试验只对塑形纸质支架夹板从材料力学中最基本的几个属性进行了测试,从测试的结果来看,塑形纸质支架夹板的力学性能是值得肯定的,且强度优于柳木夹板,达到了本试验预期效果。同时两种不同复合比例的塑形纸质支架夹板中,塑形纸质大夹板从抗弯实验上要明显优于塑形纸质小夹板,抗压试验两者的性能相当,塑形纸质支架大夹板在抗最大变形方面略好于塑形纸质小夹板。但是还存在以下问题:
①本次试验只进行了抗弯试验和抗压试验,要更加全面了解这种夹板的力学性能还要测试其抗剪切性能、抗扭转性能、抗拉伸性能、抗撕裂性能等指标,这有待以后进一步研究。
②本次试验中选取的不同复合比例的塑形纸质夹板的比例不够丰富,只有两种,不足以完全概括所有比例的力学特性,对于究竟哪一种比例力学性能最好,还应在以后的研究中进一步发现和完善。
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