医用压力袜与人体皮肤的接触摩擦行为研究

发布时间：2019-02-25 09:19

【摘要】：下肢静脉曲张是一种极为常见的血管类疾病,在世界范围内有较高的发病几率。医用压力袜是目前治疗下肢静脉疾病最为有效且方便的方法之一,针对不同程度的静脉疾病有相应等级的压力袜,其工作原理是通过穿着时的被动拉伸对腿部施加定量且递减的压力而使得静脉血液能顺利回流,防止淤血,确保下肢血液的良好循环。但是医用压力袜在满足其治疗效果的同时也存在一些实际应用中的问题,主要为穿着困难和长期穿着后的腿部不适感。这是因为压力袜施加于腿部的压力会产生较大的摩擦阻力,使得穿着过程极其不容易,尤其是对老年患者而言。另外,在治疗期间患者长时间穿着压力袜使得活动过程中腿部皮肤与压力袜紧密接触,汗液及频繁的接触摩擦会让人体产生触觉不适感,严重时甚至会造成皮肤的机械损伤,如:压痕、擦破、水疱等。由此可见,造成这两大使用问题的主要原因均与压力袜与皮肤间的接触摩擦作用相关。但是现有研究侧重于对压力袜的压力及治疗效果的研究。部分基于压力袜的摩擦研究要么测试与金属硬质探头接触时的摩擦,偏离实际接触状态;要么忽略压力袜的压力等级与梯度的特殊结构;又或者仅研究自然状态下的压力袜摩擦性能,未考虑穿着时的拉伸以及长期穿着时的微汗甚至湿状态,并未深入探索压力袜与皮肤接触时的摩擦行为,对二者的接触摩擦缺乏规律性的认识。鉴于目前医用压力袜与皮肤之间摩擦性能方面的研究不足,课题结合医用压力袜的特殊结构和功能特点,在皮肤摩擦学理论的基础上,分别对不同压力等级和部位、不同材料与底组织结构以及不同拉伸程度的压力袜与皮肤接触时的摩擦差异进行分析,在此基础上进一步探索界面水分和表面形貌对压力袜/皮肤摩擦性能的影响,旨在揭示医用压力袜与皮肤的接触摩擦行为,为改善医用压力袜的穿着困难和舒适度低提供指导性意见。具体研究工作分为以下三部分:(1)针对压力袜的功能特点(定压且沿腿部方向压力递减)分析不同压力等级和部位的压力袜在不同环境(干、潮湿和湿态)下的摩擦性能,研究发现不同压力等级压力袜的干摩擦系数无显著差异,但踝关节摩擦系数较小腿部位略高,而湿摩擦系数则随等级增大而减小,且踝关节要略小于小腿部位。从而构建出压力袜的等级、部位与摩擦性能的影响关系。实验选择材料组成与结构相同的三种不同等级(1~3级)的压力袜,分别使用两个部位(踝关节和小腿)对应的压力袜织物与皮肤模型在干、潮和湿态下进行离体摩擦实验。结果显示从干态到潮湿及湿态时,所得摩擦系数范围依次为0.28~0.35、0.41~0.51、0.45~0.54,呈现依次增大的趋势;在干态下,2级压力袜的摩擦系数最高,但从统计角度看摩擦系数在三种压力等级的压力袜之间并无显著差异;同时,踝关节的嵌入纱密度较小腿部位的大,导致实际接触面积增加而使得摩擦系数略大,但在潮湿和湿态下,压力等级越高,嵌入纱直径越大,使得吸水空隙减小,则摩擦系数越小,与此同时,小腿部位相较于踝关节含有更多的空间来容纳、积聚水分子,使得在接触时皮肤或者皮肤模型更加柔软,导致较大的微观接触面积,而使得小腿部位的摩擦系数也较大。(2)为了研究嵌入纱材料和底组织结构对压力袜摩擦的影响,对比分析5种不同材料和底组织结构(1种传统,2种材料改变,2种底组织结构改变)的压力袜在一定压力范围内的干、湿摩擦差异,结果证实嵌入纱材料中棉和Tencel纤维的加入以及改变后的纬平针底组织结构改善了压力袜的水分吸收与传导能力,使得压力袜与皮肤的湿摩擦有效降低。选择4位志愿者的前臂内侧皮肤来替代小腿皮肤,它们分别与1种传统和4种改进材料和底组织的压力袜在0~10N间的接触压力下进行干、湿态的在体摩擦测试,比较摩擦系数的变化。结果显示摩擦系数随接触压力增大而减小,证实压力袜的摩擦以粘附摩擦为主导机制;另外,各压力袜的干摩擦系数无显著差异;但在湿态下,嵌入纱中棉和Tencel纤维的加入使得摩擦系数大约减小30%,而改变后的纬平针底组织结构使得摩擦系数减小约60%。压力袜的水份分布及传导测试进一步证实嵌入纱材料和底组织结构的改变加强了压力袜的水分吸收和传导能力,使得二者的接触界面保持相对干燥,从而有效降低压力袜的湿摩擦。(3)结合医用压力袜在实际使用时的不同程度拉伸状态,并以此探索医用压力袜的表面形貌对压力袜/皮肤的摩擦影响,进行了不同拉伸应变和拉伸方向下压力袜与皮肤模型的摩擦测试。结果表明虽然不同拉伸率和拉伸方向下压力袜试样的表面形貌发生显著改变,但是摩擦系数几乎不变,揭示出不同拉伸应变的医用压力袜在拉伸与接触压缩时的接触点个数和单个接触点的真实接触面积互为补偿。根据实际应用对压力袜进行不同程度(0%~75%)和方向(经、纬向)的拉伸,使得压力袜表面形貌发生系统且均匀的变化,并利用图像技术对三维形貌图像进行处理,分别提取高峰与低谷的高度差、两嵌入纱的平均距离以及嵌入纱的曲率半径三个形貌参数进行定量表征。实验结果显示,随着经向拉伸应变的增大,峰谷高度差增大了将近50%,同时两嵌入纱的平均距离逐渐增大;当纬向逐渐拉伸时,峰谷高度差减少了40%,而两嵌入纱之间的平均距离几乎没有变化;而嵌入纱的曲率半径在经纬拉伸方向上随着拉伸率的增加而几乎没有发生变化。不同接触压力下的离体摩擦实验表明各压力袜的干摩擦系数在0.69到2.82之间,湿摩擦系数在0.95到5.1之间。同时,经纬向拉伸的压力袜摩擦系数范围相当。当接触压力相同时,不同拉伸应变下的摩擦系数几乎不变。随后基于压力袜的压缩实验建立了材料分数与压缩深度的关系,并进一步建立两种不同尺度下(圆柱体和圆形表面微凸体)的Hertz接触模型,用于预测小变形下压力袜与皮肤模型摩擦时的实际接触面积。预测结果显示,在不同拉伸率和拉伸方向下医用压力袜织物与PUR皮肤模型接触时的实际接触面积基本恒定。综合以上研究,课题发现医用压力袜与皮肤的干、湿态接触摩擦有较大差异,摩擦系数随界面水分的增加而增大,之后逐渐趋于稳定;同时,其摩擦系数亦随接触压力的增大而减小,之后亦趋于稳定,这一现象证实压力袜的摩擦受粘附机制所主导。而且压力袜的摩擦系数依赖于压力袜的压力等级、部位、材料和底组织,以及拉伸等设计参数。在干态下,压力袜在不同压力等级间,不同材料和底组织间,不同拉伸程度与方向间的摩擦系数无显著差异,这主要是因为干态下的摩擦系数取决于压力袜的表面形貌,相似的几何结构造成几乎恒定的实际接触面积;而在潮湿及湿态下,摩擦系数则有较大差异,这是由于材料和组织空隙间的水分吸收和传导能力不同,而导致接界面间的含水量有所差异而导致摩擦系数的变化。因此可以说通过降低接触界面的水分,维持接触面的干燥是减少压力袜与皮肤接触摩擦的有效途径,该研究结果将有助于静脉疾病患者对理想压力袜的选择和生产厂商对优质压力袜的开发和设计。
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【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：R543.6;TS106.67

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