矫形器领域的创新：利用竹纤维素开发技术纺织品 威廉·里卡多·埃斯帕尔扎（William Ricardo Esparza）、 威尔逊·A·埃雷拉-维拉雷亚尔（Wilson A. Herrera-Villarreal） 以及 列宁·奥马尔·拉拉·卡斯特罗（Lenin Omar Lara Castro）

《Polymers》：Innovation in Orthotics: Development of Technical Textiles from Bamboo Cellulose Willam Ricardo Esparza, Wilson A. Herrera-Villarreal and Lenin Omar Lara Castro

　　摘要：本研究评估了将竹纤维素（BC）与树脂（R）复合用于制造医用矫形器（BCO）的相关性。采用22因素筛选实验设计，包含两个实验因素和六个响应变量。制备了三种聚合物复合材料（PC）：S1（BC 40%，R 60%）、S2（BC 30%，R 70%）和S3（BC 20%，R 80%），在10.5 kg的压力下，使用25 × 5 cm的阴阳模具，在20°C下成型24小时，模具内部空间为2 mm。评估的机械性能包括拉伸强度（RTRAC）、球形穿透阻力（RPEBOL）和穿刺阻力（RPUNZ）及其相应的延伸率（ETRAC、EPEBOL和EPUNZ）。质量、拉伸强度、延伸率、抗冲击性和穿透性按照ISO 3801、ISO 9073-3、EN 388和ASTM D3787标准进行测定。统计分析使用Statgraphics Centurion和Past 4.13软件完成。结果表明，增加树脂含量并减少竹纤维素含量显著提高了材料的机械性能。S3样品（BC 20%，R 80%）具有最高的机械强度值，拉伸强度为（1049.34 ± 85.57 N；n = 5），比基础配方提高了398.60%。同时，穿刺阻力提高了92.25%（24.12 ± 29.91 N；n = 5），球形穿透阻力提高了196%（323.98 ± 1.39 N；n = 5）。拉伸延伸率增加了228%（7.55 ± 5.01%；n = 5）。在S2样品（BC 30%，R 70%）中，穿刺延伸率增加最为显著，值为16.33 ± 1.25 mm（n = 5），相当于增加了59.78%。而S1样品（BC 40%，R 60%）表现出最高的球形穿透延伸率（34.07 ± 1.61 mm；n = 5），而S2和S3配方的延伸率分别减少了2.11%和2.23%。此外，厚度、重量和密度之间存在强相关性（p > 0.05）。总体而言，结果表明，竹纤维素与环氧树脂的结合是一种可持续且有效的医用矫形器开发替代方案，因为其机械性能得到了显著提升，这支持了其在基于可持续生物材料的矫形器中的应用。

1. 引言
近年来，外部矫形器领域取得了显著进展，这主要是由于需要提高身体残疾人士的生活质量。这些矫形器必须满足的关键性能包括机械强度、刚性与柔性的平衡、轻量化、尺寸稳定性、可塑性和加工性。传统上，这些矫形器是使用石膏成型技术制造的[1]；然而，这些材料具有较高的刚性和结构重量，因此无法满足所需性能。相比之下，由碳复合材料等聚合物材料制成的外部矫形器已在医疗设备中得到广泛应用，包括矫形器和假肢[2]。这些材料含有主要依赖不可再生石油资源的环氧树脂，通常是二甘醇醚双酚A（DGEBA）环氧单体类型[3]。目前，这些应用已扩展到使用熔融沉积建模技术制造固体外部矫形器，例如聚乳酸（PLA）和碳纤维增强PLA（PLA-C）通过FDM 3D打印[4]。作为治疗性减压装置，包括其他外部矫形器，这些系统可能比标准减压装置更有效[5]，因为它们可以改善旋转和屈曲，帮助增加骨骼负荷，并防止骨折[6]。研究表明，手指关节的屈肌腱在完全屈曲时产生的力约为8.15 N[7]。另一项使用改性聚对苯二甲酸乙二醇酯（PETG）进行3D打印的研究表明，该材料的断裂强度为45.17 MPa，延伸率为22.19 kgf，表明该材料在断裂前能够承受高水平的应力[8]。另一项研究确定PLA（聚乳酸）是最适合用于矫形器设计的材料。考虑了强度、柔韧性、重量和制造难度等因素，结果显示PLA矫形器所需的最低厚度为3 mm。记录的最大应力为24.32 MPa，确保其能够承受应力和变形[9]。另一项研究使用真空成型技术，基于两种类型的复合材料作为增强材料，一种是八层Perlon（丙烯酸），另一种是八层玻璃纤维。研究结果表明，Perlon的强度性能为42.897 MPa；Perlon的拉伸强度为42.993 MPa；断裂延伸率为1.138 mm。相比之下，玻璃纤维的拉伸强度、强度性能和断裂延伸率分别为224 MPa、170 MPa和2.17 mm[10]。此外，其他作者探索了由热塑性聚氨酯（TPU）/聚乳酸（PLA）组成的丝材用于3D打印。考虑的聚合物组成为TPU/PLA：0%/100%（TPO）、25%/75%（TP25）和50%/50%（TP50）。与纯PLA相比，TP25样品的拉伸强度几乎相等；然而，其更大的断裂延伸率表明TP25更适合作为矫形器材料。然而，当TPU含量增加到50%时，拉伸强度显著下降[11]。另一项研究指出，复合材料中加入了abaca纤维（AF）、环氧树脂（EP）和活性炭颗粒（ACP）。结果显示，向AF/EP中添加5体积%的ACP可使拉伸强度达到最佳值42.50 MPa，略低于AF/EP（43.00 MPa），弯曲强度达到最佳值62.10 MPa，略高于AF/EP（60.50 MPa）。此外，另一项研究使用真空成型技术，在不同打印条件下制备了样品，层厚为0.1 mm，发现聚丙烯（PP）样品的拉伸强度接近28 MPa[13]。同样，本研究调查了一种多层复合材料（MLC），该复合材料将3D打印（3DP）核心与技术纤维增强材料和环氧树脂结合。该材料使用粉末床熔融法制造，采用单向玻璃纤维进行定制纤维放置（TFP），并用双轴碳纤维编织套包裹。MLC的拉伸强度约为300 MPa[14]。类似的观察结果也出现在基于Orthocryl和多壁碳纳米管（MWCNT）及聚乳酸（PLA）的实验中。将0.5%的MWCNT加入Orthocryl中显著改善了其机械性能，拉伸强度提高了12.5%（从52.79 MPa提高到59.4 MPa）[15]。同样，在使用拓扑优化和有限元分析（FEA）的3D打印中，打印样品在100 N载荷下的拉伸强度为53 MPa。此外，预测的应力为0.017–0.186 MPa，位移为0.0155–0.0361 mm，变形为0.00044–0.00184，重量减轻且应力（0.1479 MPa）和位移（0.0208 mm）较低[16]。关于降解性，非晶态磷酸镁（AMP）与聚醚醚酮（PEEK）的复合材料表现出可控的降解动力学，由于水解降解，拉伸强度在28天内逐渐从120 MPa降至70 MPa[17]。在各种增强技术中，纤维增强聚合物（碳纤维、玻璃纤维、芳纶等）已被证明有助于提高老化或受损结构元件的整体性能[18]。先前研究还报告了将纤维素纳米晶体（CNC）混合物分散在环氧基体中（浓度分别为0.125%、0.25%和0.5%）对断裂韧性的改善[19]。此外，通过用柠檬酸修饰环氧树脂并与纤维素（CAC）结合，也改善了环氧树脂的机械性能[20]。其他研究表明，在室温下添加酚醛树脂可以改善基于环氧树脂的树脂和复合材料的机械性能[21]。在这种情况下，有必要寻找新的可生物降解材料，这些材料在保持功能性能的同时表现良好[22]。近年来，大量研究致力于寻找可持续和可生物降解的材料选项。其中，竹纤维素作为一种可持续且经济的生物聚合物脱颖而出，具有低环境影响和优异的性能[23]。竹子生长迅速，所需资源少，具有强度、可生物降解性和治疗特性[24]，使其可用于制造矫形器[25]。此外，竹子被认为是解决能源危机和气候变化问题的有前景的生物质资源[26,27]，竹秆作为一种植物基质，由于其高含量的低结晶度纤维素而具有巨大潜力[28]。先前的研究表明，甘蔗和竹子都是制造矫形器、假肢和康复设备的可行替代材料[29]。同样，研究还发现了竹纤维和细胞壁在纳米尺度上的显著结构差异[30]。竹纤维素可以通过水热技术获得，使用5% NaOH和4% H2O2进行处理，产率约为32.56%[31]。该过程生成了一种可再生的天然亲水性聚合物，经过再生或丝光处理后获得[32]。另一方面，通过碱法从竹子中提取的竹纤维素由天然纤维与生物聚合物结合而成，形成环保且可回收或自然可生物降解的化合物[33]。为了获得纳米纤维素，可以对竹纤维进行高温高压蒸汽处理，然后进行分解直至达到纳米尺度[34,35]。在此背景下，多位作者基于竹纤维素开发了多种应用，例如通过室温下快速琥珀酰化竹纤维素混合物制备纤维素薄膜[36]。此外，还制备了用纤维素纳米纤维增强的聚乳酸（PLA）复合材料。这些特性使竹纤维素成为医疗应用的有希望的选择。将其用于制造矫形器不仅提高了这些设备的功能性和舒适性，还促进了医疗行业的可持续性，因为竹子在热带和亚热带地区丰富且可持续，生长迅速，机械强度高于其他物种[37]。这些获得的特性以及技术发展使其适用于制造轻质、灵活且临床耐用的竹纤维素矫形器[38]。为此，提出了使用基于竹纤维素的可生物降解材料制造矫形器的方案，利用其界面特性通过物理和化学过程。从植物来源和废弃物中生产生态和经济纤维，以及开发生态、热固性和热塑性复合材料具有很高的潜力和多种应用[39,40]。与以往主要关注使用PLA、3D打印和碳纤维增强材料的研究不同，本研究探讨了将竹纤维素作为增强材料的应用。所使用的纤维素是在早期研究中提取和表征的。此外，复合材料采用传统的手动方法制备，包括创建阴阳模具并施加10 kgf的控制压力。通过拉伸、抗冲击和球形穿透测试评估了其机械性能，以确定其适用于制造外部矫形器的适用性。这与文献中报道的传统方法相比具有独特的方法学贡献。

2. 材料与方法
2.1 材料
本研究中的竹纤维素（BC）来自厄瓜多尔Imbabura省西北部Lita地区的Guadua angustifolia（Bambusoideae亚科），距离Ibarra市约90公里，海拔250米。获取BC的过程是碱法处理，使用相对于粉碎竹子重量的50%氢氧化钠片剂，与饮用水的比例为1:10。处理在90°C下进行6小时[41]。获得的竹纤维素（BCO）具有粉末状形态和米色，这一特性在之前的研究中已有描述，其颗粒大小为0.05毫米[42]。本研究未通过实验测定竹纤维素的分子量。然而，根据文献中关于经过类似研磨和物理处理过程的竹纤维素的数值，其平均分子量（Mw）通常在1.3 × 10^5至3.2 × 10^5克/摩尔之间，且其聚合度（DP）高于双子叶植物木材（最大为15,000）[43]。这些数值用于参考以理解材料的行为。玻璃纤维环氧树脂（R），以Pintulac品牌销售，由两种成分组成：A成分是装饰性树脂，B成分是硬化剂。这种树脂常用于装饰性表面处理，呈琥珀色液体，具有特征性的氨气味。其性质包括沸点为390华氏度（198摄氏度），100%水溶性，比重为0.99克/立方厘米，以及碱性pH值。混合物按A成分和B成分等比例配制。本研究中使用的玻璃纤维环氧树脂属于基于双酚A二缩水甘油醚（DGEBA）的商业体系，并使用胺类硬化剂固化，具体配方和添加剂细节因属于制造商机密信息而未详细说明；不过，这种环氧体系因其良好的粘附性、化学稳定性和适当的机械性能而在复合材料应用中广泛使用。

2.2 方法
用于制造竹纤维素技术纺织品的过程首先使用碱性Kraft工艺提取的可生物降解竹材粉末，该工艺可分离木质素和纤维素。然后将BC与R混合形成BCO，如图1所示。
图1. 基于竹纤维素的技术纺织品制备过程示意图。

2.3 模具制备
模具制造过程包括使用南京制造的Julong K1390激光切割机切割三对模具，该切割机的工作电压为220伏特，激光功率为100瓦特。此次使用了厚度分别为3毫米的回收蓝色亚克力和2毫米的白色亚克力（图2a,b）。雌模内部尺寸为25厘米长×5厘米宽，深度为6毫米，由两层各3毫米厚的材料叠加而成，并固定在7×27厘米的基板上。雄模长度为25厘米，宽度为5厘米，总厚度为4毫米，由两层2毫米厚的材料叠加而成（2×2=4毫米），并固定在7×27厘米的顶板上（图2c）。

2.4 配方制备
根据加工性、结构完整性和复合材料的机械性能标准，选择了竹纤维素（BC）含量在20%至40%之间的范围。低于20%的BC含量对聚合物基体的增强效果不明显，导致机械性能提升有限，材料性能主要受树脂影响；而超过40%的BC含量则会在加工过程中引发问题，如基体浸渍不良和增强材料团聚，从而影响材料的整体性能。对50% BC含量的探索性评估表明，混合物过于颗粒化，不适合在BCO复合材料成型过程中进行压缩。这种现象归因于BC对树脂的完全吸收，以及随着柔性环氧树脂比例增加导致玻璃化转变温度线性下降[44]。这揭示了结构和成型上的限制，因此确定了该系统的实际上限。基于此，20–40%的BC含量范围被认为能够有效平衡增强效果和加工可行性，尤其适用于外部矫形器的应用。共制备了三组不同配方的样品（S）。每种配方根据表1中的比例准备了五个实验样品。
表1. 配方中竹纤维素和树脂的百分比组成。

2.5 样品制备
用于制备S样品的材料使用了不同比例的竹纤维素（BC：40%、30%、20%）和环氧树脂（R：60%、70%、80%），如表1所示。首先，在聚丙烯（PP）容器中按1:1的比例称量树脂（R）和催化剂（CT），CT作为室温下干燥过程的加速剂。然后在20摄氏度下搅拌混合物3分钟，使用中国上海制造的Goldgood DT-500红外温度计（测量范围：-50°C至500°C）进行温度控制（图2c）。接着将BC和R加入新容器中，用手搅拌5分钟直至混合均匀（图3b）。每个样品均重复此步骤以评估其重复性，共制备了15个样品，分为三组：S1组5个，S2组5个，S3组5个。将混合好的材料放置在雌模上，雌模内衬0.01毫米厚的聚丙烯（PPS）塑料片，以防BC聚合物化合物（PC）粘附在模具上。随后均匀铺开混合物，并覆盖另一层PPS塑料片（图3c），再放置雄模。施加10.5公斤的负载对样品进行压缩，并在室温（20°C）下干燥24小时，得到2毫米厚的层压层，即BCO，视为技术纺织品（图3d,e）。每组浓度（S1、S2、S3）重复此过程五次（图3f–i）。需要注意的是，本研究中的成型方法属于实验室级别的初步评估方法，目前干燥时间、成型过程中的压力控制以及纤维素的均匀分散等因素限制了其直接规模化应用。要应用于大规模外部矫形器，需要通过更可控的成型和固化系统进行工艺优化。
图3. 基于竹纤维素的技术纺织品材料、制造阶段及最终样品，用于外部矫形器和机械测试：(a) 使用的材料和设备；(b–d) 在模具中成型聚合物复合材料；(e) 制备出的技术纺织品；(f–h) S1、S2、S3组样品；(i,j) 最终的矫形器。

3. 固化样品的表征测试
对15个样品进行了表征测试，分布如下：S1组5个，S2组5个，S3组5个。这些样品使用图4中详述的设备进行测量和分析。
图4. 用于竹纤维素技术纺织品的测量和机械测试设备：(a–d) 测量和测试仪器；(e–g) 抗拉、穿刺和球穿透测试的配置；(h–j) S1、S2、S3组样品的球穿透失效模式。

3.1 抗拉强度和延伸率
抗拉强度和延伸率的测试遵循ISO 9073-3标准进行，使用英国哈利法克斯市制造的James Heal Titan 5动态测试仪，具体参数如下：工作压力7–10巴（700–1000千帕，100–145磅/平方英寸），单相电源1.0安培，功率60瓦，尺寸为56.8厘米深、40.0厘米宽、133.9厘米高，最小流量17升/分钟，在20摄氏度及65%相对湿度（RH）的环境条件下进行。每种浓度S1、S2、S3的样品各测试了5个，样品尺寸为25×5厘米。将样品放置在Titan 5动态测试仪的上夹具和下夹具之间，逐渐施加负载直至破坏（图4d,e），具体机械条件见表2。
表2. 根据ISO 9073-3标准确定抗拉强度和延伸率的机械条件。

3.2 抗穿刺性和延伸率
抗穿刺性和延伸率的测试遵循EN 388标准进行，使用Titan 5动态测试仪，具体参数如下：工作压力7–10巴（700–1000千帕，100–145磅/平方英寸），单相电源1.0安培，功率60瓦，尺寸为56.8厘米深、40厘米宽、133.9厘米高，最小流量17升/分钟，在20摄氏度及65%相对湿度（RH）的环境条件下进行。每种浓度S1、S2、S3的样品各测试了5个，样品尺寸为5×5厘米。将样品放置在上下两个圆形平板之间，平板中央有一个直径1.95厘米的孔（面积：11.94平方厘米）。逐渐增加负载直至穿刺器穿透样品（图4f）。穿刺测试的机械条件见表3。
表3. 根据EN 388标准确定抗穿刺性和延伸率的机械条件。

3.3 抗球穿透性和延伸率
抗球穿透性和延伸率的测试遵循ASTM D3787标准进行，使用Titan 5动态测试仪，具体参数如下：工作压力7–10巴（700–1000千帕，100–145磅/平方英寸），单相电源1.0安培，功率60瓦，尺寸为56.8厘米深、40厘米宽、133.9厘米高，最小流量17升/分钟，在20摄氏度及65%相对湿度（RH）的环境条件下进行。每种浓度S1、S2、S3的样品各测试了5个，样品尺寸为5×5厘米。将样品放置在两个带有直径4.45厘米孔的圆形盘之间（面积：62.21平方厘米），逐渐施加机械负载直至下端的球穿透样品（图4g–j）。
表4. 根据ASTM D3787标准确定抗球穿透性和延伸率的机械条件。

3.4 单位面积质量
单位面积质量的测定遵循ISO 380标准。在20摄氏度及65%相对湿度（RH）的环境条件下，使用数字秤称量每个尺寸为25×5厘米的样品（图4a）。随后计算每个样品的面积（单位：平方厘米），并换算成平方米（m^2），得到BCO层压体的质量值（单位：千克/平方米）。此步骤应用于所有S1、S2、S3浓度的15个样品。

3.5 厚度测定
使用精度为±0.001毫米的数字千分尺测量板材的厚度。在20摄氏度及65%相对湿度（RH）的环境条件下，对每个S1、S2、S3组的15个样品的五个随机位置进行测量。此步骤遵循ASTM D1777标准进行。

4. 结果与分析
4.1 固化后样品的外观
在制备BCO样品的过程中，观察到在手动使用棒状工具将竹纤维素（BC）与环氧树脂（R）混合（每种浓度S1、S2、S3的样品各混合5分钟）时，样品的颜色存在差异（图3f–h）。这种现象的原因是，在S1组样品中，BC含量为40%、R含量为60%时，纤维素由于其高吸附能力几乎完全吸收了树脂，这表明纤维素在多孔结构形成中起主导作用，并建立了纤维素与材料孔隙率之间的定性关联[45]。在S1组样品中形成了糊状聚合物化合物（PC），这种化合物易于从聚丙烯（PP）容器中取出并放置在雌模上。当将相同的程序应用于S2样品（30%竹纤维素（BC）和70%树脂（R）时，聚合物复合材料（PC）呈现出强烈的棕色和粘性质地；然而，可以毫不费力地将其从容器中取出并涂抹在模具上。对于S3样品（20% BC和80% R），PC的颜色更加浓郁，质地更为糊状，这使得它难以取出和处理。在20°C下干燥24小时后，BCO样品呈现出不同的色调（图3i）。S1样品呈现出浅黄色，类似于不含树脂的BC（图3a），其特点是柔软、有弹性，并且表面略微有光泽。S2样品呈现出非常深的棕色，比S1更硬，表面有光泽且没有毛刺。另一方面，S3样品呈现出棕色，硬度显著增加，表面非常有光泽，这表明树脂由于BC的膨胀而迁移到了表面。这种现象可以通过BC的固有性质来解释，例如其低密度、疏水性、手性以及可降解性[46]。实验室实验在20°C和65%相对湿度（RH）的环境条件下进行（图4b）。样品固化后的实验结果综合了所评估的参数，同一配方之间的变化可以归因于材料系统和制造过程中的多个因素。特别是，在成型过程中树脂的局部积聚、竹纤维素在聚合物基质中的分布不均匀以及材料厚度的局部变化可能导致最终机械性能的差异。同样，与环境条件和半手动工艺相关的固化程度的微小变化也可能导致这些波动。这些假设与之前关于用天然纤维增强的聚合物复合材料的研究结果一致，在这些研究中，当不使用高度控制的工业工艺时，样品内部的变异性是一个常见特征。然而，各种配方之间的总体趋势仍然存在，表明观察到的变异性主要反映了工艺效应，而不是材料系统的不稳定性，如表5所示。

表5. 不同浓度竹纤维素（BC）和树脂样品的实验结果及响应因素。

4.2. 抗拉强度和断裂伸长率
使用Statgraphics Centurion和PAST 4.13软件对结果进行了统计分析。分析基于22因子筛选实验设计，考虑了两个实验因素：竹纤维素（BC）和树脂（R），对应于S1、S2和S3样品，以及六个响应变量。实验设计具有以下特点：实验因素数量：2；块数：1；响应数量：6；试验次数：15次，每个块包含11个中心点；误差的自由度：11；以及激活的随机化。通过压制工艺在雌模和雄模中混合BC和R得到的竹纤维素矫形器的抗拉强度在总共15个样品中进行了评估，这些样品分别对应于S1、S2和S3。在相同的制备和测试条件下进行了五次独立的实验重复，遵循用于机械表征的标准程序，以保持组内变异性的合理估计，并允许在研究范围内比较不同配方。结果使用Statgraphics Centurion和PAST 4.13软件进行分析，数据的正态性使用Shapiro–Wilk检验进行评估。正态性假设得到满足（p > 0.05），置信水平为95%。使用单因素方差分析（ANOVA）分析了S1、S2和S3之间的差异，随后进行了Tukey事后检验。这些检验表明S1组（40% BC和60% R）的五个样品的平均值存在显著差异（p < 0.05）（图5a）。在S1中，抗拉强度的最大值为324.64 N，最小值为41.9 N，中位数为210.45 ± 155.73 N（n = 5），变异系数（CV）为59.74%。这些值低于其他作者报告的值，他们报告的抗拉强度范围为89至107 MPa [47]。这些样品显示出高柔韧性和低抗拉强度。先前的研究表明，平衡吸湿率随相对湿度的增加而增加，而温度的升高会限制这种吸收[48]。通过减少S2样品中的竹纤维素（BC）比例并增加树脂（R）含量（30% BC和70% R）（图5b），记录的最大值为1115.03 N，最小值为502.23 N，中位数为787.46 ± 266.59 N（n = 5），变异系数（CV）为33.85%。这些结果表示抗拉强度增加了274.17%。另一项研究报道了使用类似配方（30%竹纤维和70%环氧树脂）在长竹纤维增强的环氧复合材料中的情况。与本研究中使用的通过碱性化学介质提取的竹纤维素相比，机械提取的竹纤维获得了8.98 GPa的纵向弹性模量和2.74 GPa的横向弹性模量[49]。这些结果直接表明，树脂含量较高的配方具有更高的刚性和更低的变形性。树脂含量的增加可能有助于降低复合材料的孔隙率，减少纤维间的空隙，并更有效地润湿竹纤维素表面。这些效应共同作用，促进了基体和增强材料之间的更好载荷传递，从而提高了材料的整体机械强度。以下公式用于计算百分比增加：
P?e?r?c?e?n?t?a?g?e=F?i?n?a?l?v?a?l?u?e?I?n?i?t?i?a?l?v?a?l?u?e×100。

图5. 样品的抗拉强度和伸长率：(S1) 竹纤维素40%，树脂60%；(S2) 竹纤维素30%，树脂70%；(S3) 竹纤维素20%，树脂80%。通过将竹纤维素（BC）含量减少10%并增加树脂（R）比例10%，样品显示出比S1样品更高的刚性和更光滑的表面。同样，在S3样品（20% BC和80% R）（图5c）中，记录的最大值为1113.56 N，最小值为944.44 N，中位数为1049.34 ± 85.57 N（n = 5），变异系数（CV）为6.58%。这些结果表明，随着竹纤维素（BC）含量的减少和树脂（R）比例的增加，与S1样品相比，抗拉强度有显著差异，十五次测试的中位数（Me）有统计学上的显著增加（p < 0.05）。因此，抗拉强度增加了398.60%。这一增加是以研究中评估的树脂含量最低的配方（S1）作为参考计算的。与之前报道的研究相比，未经处理的竹纤维（UBF）/PP复合材料的抗拉强度从31.9 MPa增加到35.9 MPa（增加了12.6%）[50]。这些值高于本研究中记录的111.56 N（相当于0.892 MPa）。这种减少是由于使用了长度在70至150毫米之间的未经处理的纤维[43]。这些结果与其他比较了不同纤维素浓度的竹分子水凝胶（BM-gels）的机械拉伸性能的研究结果一致。由7%重量纤维素溶液制备的BM-gel的抗拉强度为9.65 MPa [51]。用于不同应用，包括矫形器，其中可以观察到具有更高抗拉强度的聚合物化合物，与本研究中使用的竹纤维素（大约0.05毫米大小）相比，可以推断纤维长度影响抗拉强度。此外，这种行为与研究表明环氧粘合剂与大多数材料形成非常强且持久的键合一致，这就是为什么它们广泛用于结构粘合应用并提高抗拉强度的原因[52]。然而，这些结果与其他研究报道的改性环氧树脂的抗拉强度增加幅度较小（分别为6.23%和23.96%）不同[53]。在本研究中，抗拉强度的更高百分比增加表明聚合物复合材料（PC）的性能更优，其表面更加光滑，这归因于树脂含量的增加，使得树脂完全覆盖了材料，形成了更致密的层。这种行为与先前的研究结果一致，这些研究报道了竹纤维素的结晶度和尺寸稳定性显著提高，以及其孔隙率、吸湿性和微观机械性能的降低[54]。另一方面，当竹纤维素（BC）比例增加而树脂（R）含量减少时，会在通道中引入相互连接的纤维素纤维网络[55]。这一结果得到了其他研究的支持，这些研究表明，更好的树脂浸渍可以最大限度地利用纤维素纳米纤维的刚性和强度[56]。如（图5a）中详细说明并在（表6）中总结的，当按优先级顺序应用所有因素的最大值时，从以下回归模型得到了最佳抗拉强度（RTRAC）值：TRAC resistance = ?246.873 ? 3.1545 × Cellulose + 20.0605 × Resin ? 0.1811 × Cellulose × Resin（2）。

表6. 不同浓度竹纤维素和树脂样品的最大强度和伸长率结果。

关于使用雄模和雌模压制工艺从BC和R混合物中获得的竹纤维素（BC）样品的断裂伸长率，评估了S1、S2和S3组的15个样品的结果。在五个S1样品（40% BC和60% R）（图5a）中，中位数为2.3 ± 2.07%（n = 5），变异系数为72.67%。根据先前的报告，这种低伸长率可以归因于由聚集体形成的无明确方向的连续孔隙结构，限制了材料的伸长能力[34]。通过将S2组（30% BC和70% R）的五个样品中的竹纤维素（BC）含量减少10%并增加树脂（R）比例10%（图5b），中位数为2.25 ± 0.83%（n = 5），变异系数为29.55%。这些结果表明聚合物复合材料（PC）的伸长率变化较小，平均减少了2.17%。相比之下，当S3样品中的竹纤维素减少到20%而树脂增加到80%（S3样品（20% BC和80% R）（图5c）时，中位数为7.55 ± 5.01%（n = 5），变异系数为53.58%，显示出中位数之间的统计学显著差异（p < 0.05）。在这种情况下，抗拉强度增加了228.26%。这一发现与研究表明纳米纤维通过交联形成高度多孔系统一致，这允许快速的质量传输，同时具有高抗拉强度和断裂伸长率[57]。同样，拉伸强度下的伸长率（ETRAC）也得到了最大化，使用以下回归模型得到了最佳值：TRAC elongation = 2.75083 ? 0.0045 × Cellulose + 0.042 × Resin ? 0.000725 × Cellulose × Resin（3）。

4.3. 抗穿刺性
使用雄模和雌模压制工艺从竹纤维素（BC）和树脂（R）混合物中获得的竹纤维素矫形器（BCO）的抗穿刺性结果显示，S1、S2和S3样品的结果如下。在S1组的五个样品（40% BC和60% R）（图6a）中，记录的最大值为125.24 N，最小值为18.05 N，中位数为100.0 N。在S2组的五个样本中（竹纤维素占60%，树脂占40%）（图6b），记录的最大值为125.24牛顿，最小值为18.05牛顿，中位数为100.0牛顿。在S3组的五个样本中（竹纤维素占60%，树脂占40%）（图6c），也记录了相同的最大值和最小值，中位数为100.0牛顿。在S1组（竹纤维素占40%，树脂占60%）（图6a）中，最大值为125.24牛顿，最小值为18.05牛顿，中位数为71.14 ± 52.49牛顿（n = 5），变异系数（CV）为59.52%（表7）。这些结果表明其抗穿刺性能较低。通过降低S2组样本中的竹纤维素含量并增加树脂含量（S2组中竹纤维素占30%，树脂占70%）（图6b），最大值增加到251.64牛顿，最小值增加到18.05牛顿，中位数为130.68 ± 90.47牛顿（n = 5），变异系数（CV）为55.84%。这表明抗穿刺性能提高了83.69%。对于S3组样本（竹纤维素占40%，树脂占80%）（图6c），最大值为169.03牛顿，最小值为101.76牛顿，中位数为24.12 ± 29.91牛顿（n = 5），变异系数（CV）为17.64%。这些结果表明，减少竹纤维素比例并增加树脂比例后，抗穿刺性能显著提高，且十五次测试的中位数之间存在统计学上的显著差异（p < 0.05）。此外，大多数数值集中在P75百分位数（142.59牛顿），抗穿刺性能总体提高了92.25%。通过分析不同竹纤维素和树脂比例下的数据，发现最佳抗穿刺性能值为151.23牛顿，该值由以下回归模型得出：PUNZ抗性 = 330.941 ? 3.4295 × 竹纤维素 ? 2.2645 × 树脂 + 0.020625 × 竹纤维素 × 树脂（公式4）。

图6显示了不同竹纤维素和树脂比例下样本的抗穿刺性能和抗穿刺延伸性。表7列出了不同竹纤维素和树脂浓度样本的抗穿刺性能和抗穿刺延伸性数据。

在对竹纤维素与树脂混合样品进行的拉伸测试中，评估了S1、S2和S3组各五个样本的结果。在S1组样本（竹纤维素占40%，树脂占60%）（图6a）中，拉伸中位数为10.22 ± 1.87毫米（n = 5），变异系数为14.76%。在S2组样本（竹纤维素占30%，树脂占70%）（图6b）中，拉伸中位数为16.33 ± 1.25毫米（n = 5），变异系数为6.20%，拉伸性能提高了6.11毫米，其中大多数数值位于P75百分位数（16.33毫米），相当于聚合物复合材料拉伸性能提高了59.78%。这种行为可归因于环氧树脂与纤维素纤维之间的良好界面粘附，这得益于氢键的相互作用[58]。而在S3组样本中（竹纤维素占20%，树脂占80%）（图6c），拉伸中位数为12.37 ± 4.64毫米，变异系数为29.05%，拉伸性能仅提高了2.65毫米，相当于提高了25.92%。这表明在较高树脂含量下，材料的拉伸性能趋于下降。

对于球体穿透抗性测试，评估了S1组的五个样本（竹纤维素占40%，树脂占60%）（图7a）。记录的最大值为153.33牛顿，最小值为28.26牛顿，中位数为109.44 ± 63.21牛顿，变异系数（CV）为46.59%，表明抗球体穿透性能较低。相比之下，在S2组样本中（竹纤维素占30%，树脂占70%）（图7b），抗球体穿透性能显著提高，最大值为383.35牛顿，最小值为151.23牛顿，中位数为262.94 ± 109.85牛顿，变异系数（CV）为33.70%，抗球体穿透性能提高了140.25%。随着竹纤维素含量的进一步降低和树脂含量的增加（S3组中竹纤维素占20%，树脂占80%）（图7c），抗球体穿透性能进一步提高，最大值为449.09牛顿，最小值为272.24牛顿，中位数为323.98 ± 1.39牛顿，变异系数（CV）为3.37%，抗球体穿透性能提高了196.03%。这些结果表明，减少竹纤维素比例并增加树脂含量显著提高了抗球体穿透性能。

在球体穿透延伸性测试中，S1组的五个样本（竹纤维素占40%，树脂占60%）（图7a）的最大值为36.25毫米，最小值为32.84毫米，中位数为34.07 ± 63.21毫米，变异系数（CV）为3.83%，表明抗球体穿透延伸性较高。在S2组样本中（竹纤维素占30%，树脂占70%）（图7b），抗球体穿透延伸性略有下降。在S3组样本中（竹纤维素占20%，树脂占80%）（图7c），抗球体穿透延伸性没有显著变化。总体而言，抗球体穿透延伸性略微下降了2.23%。这可能是由于在高负载下，颗粒因强范德华力而聚集所致[61]。通过回归模型（公式6）得出最佳抗球体穿透延伸性值为34.054毫米。

图8a和图8b中的条形图和表面图显示，S1、S2和S3组的样本重量平均值（PES）和变异系数（CV）均无显著差异（p > 0.05），表明所用树脂和竹纤维素的比例对矫形器总重量没有显著影响。厚度（TH）也没有显著差异（p > 0.05），平均值为2.76 ± 0.1毫米，变异系数（CV）为15.37%。这种均匀性是由于成型过程中对模具施加了10.5公斤的压缩载荷，从而在竹纤维素矫形器样品上获得了均匀的表面。然而，在S2组样本中观察到轻微的密度变化（p < 0.05）。S2组中有一个异常值，而S1和S3组样本的密度波动表明，较高的树脂含量导致聚合物复合材料表面更加多孔，从而影响了材料在模具中的均匀分布。ANOVA和Kruskal–Wallis分析显示，S1、S2和S3组之间的平均拉伸性能存在显著差异（p < 0.05；F = 35.15）。参与度分析表明，约65%的数据变异性与处理效果相关（ω2 = 0.65）。影响最大的变量是拉伸强度（RTRAC，平均值为682.41牛顿）、抗球体穿透性能（RPEBOL，平均值为232.11牛顿）和抗穿刺性能（RPUNZ，平均值为112.85牛顿）。拉伸性能的增加表明竹纤维素矫形器的抗性增强。相关性分析显示，随着拉伸性能的提高，抗球体穿透延伸性也有所增加。

总体而言，这些研究结果反映了竹纤维素矫形器在承受较高载荷时的抗球体穿透延伸性略有下降。这可能是由于在高负载下颗粒因强范德华力而聚集所致[61]。图8d中的雷达图显示，不同样本之间的抗球体穿透延伸性没有显著差异（p > 0.05）。最佳抗球体穿透延伸性值为34.054毫米，由以下回归方程描述。图8c展示了实验因素及其相关的响应变量，这些变量通过颜色等级来表示，颜色从浅蓝色（低相关性）到红色（高相关性）变化，分别对应S1、S2和S3。该可视化图表表明，厚度（ESP）、重量（PES）和密度（DEN）这三个变量之间存在很强的相关性（p > 0.05），这归因于使用标准化设计的男性和女性模具，模具的厚度固定为2毫米，并且对15个S样品施加了恒定的10.5公斤压力（见图2c）。观察到的机械行为表明存在混合失效模式，即聚合物基体的断裂与纤维素增强材料的提取或滑移机制同时发生。这些机制与天然纤维增强复合材料的预期行为一致，也支持了纤维素增强材料对材料机械性能的贡献。另一方面，拉伸强度（RTRAC）显示出统计学上的显著差异（p < 0.05），表明S3样品的值高于S1和S2样品。这种增强与树脂含量（R）从60%增加到80%以及竹纤维素（BC）从40%减少到20%有关。相比之下，穿刺阻力（PR）和球形穿透阻力（BPR）这两个变量没有显示出统计学上的显著差异（p > 0.05）（见图8c），尽管观察到它们的阻力略有增加。在延伸性能方面，拉伸延伸率（ETRAC）和穿刺延伸率（EPUNZ）显示出显著不同的效应（p < 0.05）（见图8a），平均值分别为4.03毫米和13.14毫米。而球形穿透延伸率（EPEBOL）没有显著差异，平均值保持恒定在33.57毫米（p > 0.05）。对机械性能的联合比较表明，特别是在S3配方中观察到的拉伸强度提升，并没有在穿刺和球形穿透相关性能上得到成比例的体现。这种差异可能与材料损伤机制的变化有关，在单轴载荷下，更高的刚度和更有效的载荷传递有利于材料的性能表现；而在局部应力作用下，变形和裂纹扩展则起着更主导的作用（见图8a）。图8展示了使用估计表面、相关矩阵和雷达图对实验因素和响应变量的图形表示。(a) S1、S2和S3之间的RTRAC和ETRAC比较。(b) 基于估计表面积的PES-ESP-DEN关系。(c) 实验变量的相关矩阵。(d) 实验因素和响应变量的雷达图。最后，本研究重点关注所开发技术纺织品的初步机械特性分析。需要指出的是，由于专业设备的限制，目前尚未进行生物相容性、吸湿性、加速老化测试以及循环载荷测试下的耐久性等补充评估。这些评估是未来在外部矫形器临床应用前进行验证的重要步骤。

5. 结论

本研究证明了竹纤维素（BC）作为一种天然且可持续的原材料，在与环氧树脂（R）结合用于开发医疗应用的技术纺织品方面的价值。结果表明，在制备聚合物复合材料（PC）时，当竹纤维素（BC）的浓度分别为20%、30%和40%，与环氧树脂（R）的浓度分别为80%、70%和60%时，所得到的15个样品（对应于S1、S2和S3组）在强度和延伸率测试中表现出更优的平均值。在拉伸强度（RTRAC）方面，最具影响力的样品是S3组（20% BC和80% R），其值为1049.34 ± 85.57牛顿（n = 5），比S1组提高了398.60%。在拉伸延伸率（ETRAC）方面，S3组的表现最佳，中位数为7.55 ± 5.01%（n = 5），增加了228%。在穿刺阻力（RPUNZ）方面，S3组的值最高，为24.12 ± 29.91牛顿（n = 5），增加了92.25%。最大的球形穿透延伸率（EPUNZ）出现在S2组（30% BC和70% R）样品中，其值为16.33 ± 1.25毫米（n = 5），增加了59.78%。