在现代医用骨伤固定材料研究中，通过改变材 料的密度、弹性、强度等特性来达到与人体皮肤间的 相容性是医用生物材料一个重要的研究方向(马岩，2001; 2002b; 2003)。在薄木层积材颈椎夹板 构造研究中，一定厚度和纹理的薄木其厚度、密度、 压缩比、弹性模量等参数对于薄木的模压强度尤为 重要，通过这些参数的选取可以得出材料不同的孔 穴率分布形式，这也从另一方面说明了对相容性模 拟的可行性(温变英，2001; 陈艳飞，2006)。本文 分析了薄木层积材颈椎夹板构造，得出了其具有相 容性、弹性、高压缩比、透气性等特点(马岩，2005; 科尔曼，1991; 成俊卿，1985)。这种新型颈椎夹板 是一种比实木和塑料更具有优良性质的新型生物材 料，满足了患者对医疗效果和舒适度的双重需要(周忠礼，2000)。

薄木层积材是用刨切后所得的超薄薄木，经过 数层按照一定方向顺纹组坯、低压胶合而成的一种 结构材料。之所以称之为薄木是因为所得的刨切薄 木厚度可达到0. 1 mm。如今微纳米技术的成熟，对 于加工超薄薄木已不是难题，切削时可以通过改变 木材细胞的裂解方式来获得微米级的薄木(Hill et al.，1999; Maekawa et al.，1993)，如图 1 所示，薄木的细胞成一定方向排列，结构稳定且细胞壁被破坏，细胞空腔内物质得到消除。再将薄木模压层积成单 板(图 2)，利用异型模压技术进行重构加工，理论上 强度会得到提高，可以加工出新型骨伤固定颈椎夹 板(Singh et al.，2001; Watanabe et al.，1999; Yoshioka et al.，2003)。

	图1 薄木细胞裂解形态 Fig.1 Cell rupture form of sliced veneer

	图2 薄木层积材及其断面结构 Fig.2 The sliced veneer laminated timber and its cross-sectional structure

木材细胞纤维壁是弹性组织，在一定的外力作 用下，只要这个力不超过其破坏强度，单个纤维细胞 就会产生碟簧效应，并且可以将纤维细胞看做是2 片碟簧对叠后形成的碟簧组(图 3)。这种蹀簧效应 对薄木的层积强度是有影响的(马岩，2006)。

	图3 复杂的封闭微观状态的液压系统 Fig.3 Microscopic state of the complex closed hydraulic system diagram

从木材压缩的原理上看，如果木材纤维细胞没 有得到有效的破坏，内部胶液便无法去除，从而降低 了压缩的强度。因此，对木材纤维细胞的破坏是解 决问题的主要方法。传统切削刀具的刃口半径大于 细胞直径，无法破坏木材六棱形的细胞结构，因而要 选择一种微米级切削手段，刀具刃口半径应小于木 材细胞直径尺寸，从而破坏木材细胞壁，消除其六棱 形结构，在压缩的过程中便不会产生弹性恢复，消除 了其本身具有的碟簧效应。这种方法是将薄木厚度 切削尺寸控制在微米级，通过去除木材细胞空腔内 物质并用重构压缩的方式来形成薄木层积的高压缩 比和回弹性(马岩，1995a; 2002a)。

薄木切削时是按木材的顺纹方向，因为细胞的 纵向劈裂相对容易且功耗小，薄木横断面结构特征 说明了单个细胞在这一层内的排布方式。取切削厚 度为0. 25 ～ 0. 45d₀，木材细胞经剖分后的横断面结 构可以出现图 4 所示3 种情况(马岩等，2006)。

	图4 加工成薄木后的细胞变化情况 Fig.4 Processed into sliced veneer cell changes

这3 种情况都消除了木材细胞的空腔，并剔除 了空腔内影响强度的胶液和节子类等缺陷，木材细 胞的结构被破坏。因此，在模压薄木颈椎夹板时，就 可以形成高压缩比的薄木层积材，为颈椎夹板的制 造提供了有利条件。

通过对薄木单元形态分析后发现，对于强度、相 容性、弹性模量、压缩比和握钉力等参数来说，薄木 的形态差别与单元尺寸对此有较大影响。因此，提 高薄木层积材的性能应从研究薄木单元入手，从理 论上确定刨切薄木模压颈椎夹板的最优参数。

应从薄木的厚度、长度、宽度尺寸上定义薄木单 元的最优参数。厚度上通过超薄刨切技术，将薄木 的厚度加工成细胞外径的0. 72 ～ 1. 25 倍，厚度应近 似于细胞外径; 在长度方面，不仅要保证顺纹切削，还要保证足够的长度，因为薄木的长度至少要达到 30 mm 才能使木材细胞的重构产生稳定的强度和相 应的弹性、压缩比; 在宽度上借鉴其他人造板特性 应在16 ～ 25 mm 之间，在保证纵向高强度的同时，提高横向拉伸强度(马岩等，2007)。

在实际加工中，薄木厚度上的尺寸是最难满足 的。如图 5，6 所示，在对落叶松(Larix gmelinii)和毛白杨(Populus tomentosa)刨花刨切试验中，落叶松 削片最薄可达到0. 070 mm，毛白杨最薄可达到 0. 095 mm，二者都可以满足薄木层积材模压颈椎夹 板理想薄木厚度。

	图5 落叶松进行超薄刨花加工后的图片 Fig.5 The pictures after larch wood processing of the ultra-thin shavings

	图6 毛白杨经过超薄刨花加工后的图片 Fig.6 Populus tomentosa processed through ultra-thin shavings picture

对于薄木层积材颈椎夹板强度计算单元而言，如果其满足了复合材料力学中宏观各向同性条件，那么当颈椎夹板受到外力作用后，应力和应变存在 下列关系:

由于薄木片为随机铺装，所以在无压力作用下 的薄木片其初始分布方向是任意的，但经压力作用 后，绝大部分薄木片分布的状态在XOY 平面内，仅 有少量纤维在Z 方向上分布，由于数量很少可以忽 略不计，因此，可以假设压制后薄木走向完全平行于 XOY 平面，如图 7 所示。

	图7 刨花铺装的坐标关系 Fig.7 The shavings pavement coordinate relations

在此前提下，设在XOY 平面内各方向上E_xy 相 同，但薄木层积材颈椎夹板的E_xy 与主方向上的弹 性模量E₁ 的方向是不同的，如果将E₁ 投影到E_xy 的 方向上，并且在整个平面内积分，积分后可以满足以 下关系:

将式(3)看做为在E_xy 方向上求解E₁ 的平均 值，由式(3)可得出: 理论上薄木层积材模压颈椎夹 板随机铺装的强度相当于定向铺装强度的21. 2%，即理论上主方向的弹性模量相当于普通刨花板弹性 模量的5 倍左右。

式(3)充分说明了铺装时单元薄木片弹性模量 在方向上的变化会导致总体弹性模量降低的问题，但是式(3)仅能定性、近似地反映木材材种与薄木 铺装方向的改变对颈椎夹板弹性模量的影响，并没 有准确地反映出加工过程中其他因素对弹性模量的 影响。事实上，在夹板加工过程中，薄木的尺寸、密 度、施胶量、胶合程度等因素对弹性模量的影响也是 不能被忽略的。因此，仅靠式(3)推导其弹性模量 是不够准确的，其他因素对弹性模量的影响也将作 为讨论的重点。

可用下式计算胶量配比对薄木层积材颈椎夹板弹性模量产生的影响(战丽等，2002);

根据式(3)，理论上w₁ = 0. 212。另外，一般在 使用脲醛胶的情况下，w₂ 取值1. 3，即脲醛胶对E₁ 的强度比为1. 3 左右。薄木微米化之后对木材弹性 模量的影响可以通过引入薄木强度增加系数R 来说明:

当薄木层积材制成颈椎夹板的孔穴比值大于原 来木材细胞的孔穴比值时，Φ ＞ 0; 小于原来木材细 胞孔穴比值时，Φ ＜ 0; 在二者相等时，Φ = 0。

系数R 能够定量地反映出薄木层积材颈椎夹 板压缩程度对弹性模量的影响。当用薄木层积材压 制轻质低密度颈椎夹板时，其压缩程度对弹性模量 的影响可以通过这个小于1 的系数反映出来; 当压 制高压缩比颈椎夹板时，其强度提高的比例数可以 通过这个大于1 的系数反映出来。

在施胶以后，胶料与薄木的胶合程度将对材料 压缩后的强度产生一定的影响，因此引入薄木与胶 料的胶合系数ξ，ξ 在(0，1)之间变化，当薄木和胶 完全胶合时，ξ = 1; 若薄木和胶根本没有胶合，ξ = 0; 当薄木与胶的胶合状态不均匀时，ξ 值由试验 标定。

薄木层积材的压缩量也会对颈椎夹板强度产生影响，可以通过下面公式体现:

将式(6)，(7)代入式(4)，基本可以定量地描 述出压缩量对E_xy 的影响。又由于压缩后薄木层积 材颈椎夹板的密度和体积呈反比，因此也可以定量 地描述出压缩后薄木层积材密度对模压颈椎夹板强 度的影响。

结合上述理论研究，选用落叶松作为试验树种，利用实验室设备模压出了薄木层积材颈椎夹板的试 件(图 8)，并委托国家林业局林产品质量检验检测 中心(哈尔滨)检验试件，此试件为非定向铺装形 式，因其材料的铺装是随机的，因此在材料的主平面 内颈椎夹板的弹性模量在理论上应该是相同的。经 过检验测试，表明其弹性模量已经达到2 950 MPa，超过优等的人造板材，握钉力可以达到1 120 N、静 曲强度达到28. 2 MPa。据此可以推定，如果采用定 向铺装方式，试件的弹性模量将能超过普通OSB 主方向弹性模量。如果进一步改进胶的品种、提高吸 水膨胀率，就可以替代现在的实木和各种碎料板，成 为很有前途的一种新型医用材料。

	图8 薄木层积材颈椎夹板试件 Fig.8 The sample pieces of heterotype molded cervical splint

1)通过对薄木层积材颈椎夹板弹性模量的具 体参数分析，将微观力学和木材细胞学引入到薄木 层积材颈椎夹板的力学分析中，为新型医用颈椎夹 板的力学参数计算开辟了新的理论研究途径。

2)超薄薄木刨切技术将薄木的厚度加工成细 胞外径的0. 72 ～ 1. 25 倍，消除了木材细胞具有的碟 簧效应，去除了木材细胞空腔内物质并用重构压缩 的方式使薄木形成高压缩比和回弹性，可以比较容 易地加工出超过普通木材性能指标、高压缩比的异 型颈椎夹板。

3)加工过程中薄木层积材颈椎夹板弹性模量 会受到薄木片的尺寸、微米化程度、密度、孔穴压缩 变化率、施胶量、整体铺装状态、胶合程度以及压缩 比等因素的影响，并将这些影响因素与薄木层积材 颈椎夹板形成定量的数学关系与力学表达式，为薄 木层积材颈椎夹板的微观力学研究提供了理论 基础。