CN102933182A - 固定装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及固定身体部分的固定装置，含热塑性材料的片材的固定装置，所述片材被成型，以贴合待固定的身体部分。该热塑性材料含有剥落的至少一种纳米填料材料。

Description

固定装置
根据权利要求1的前序部分，本发明涉及固定身体部分的固定装置，含热塑性材料片材的固定装置，所述片材被成型为与待固定的身体部分的形状相吻合。
背景技术
在诸如矫正术和修复术，物理复原，以及放射肿瘤学和诊断成像之类的应用中，使用定位和固定装置或模板用以固定身体的一部分已经成为众所周知的技术。这些应用，尤其物理复原要求固定装置在患者上，在活化温度下直接可模塑，要求固定装置显示出良好的机械性能和表面抛光，且对患者来说，轻质并舒适。对于放射肿瘤学来说，期望该装置对辐射线透光，且相对于辐射源，目标部分可以固定在精确且可再现的位置上，从而留下有限的可能性相对于辐射源移动固定的身体部分。特别地，当牵涉高精度处理，例如在图像导引的放射疗法(Image Guided Radiat ion Therapy)中，在立体定位的放射疗法或外科(Stereotact ic Radiat ion Therapy or Surgery-)中，或者用高能治疗，例如质子疗法时，其中目标非常清楚地确定和描绘，固定装置应当允许精确、高度准确和可再现地再定位感兴趣的解剖区域，并确保限制小于2mm的移动，以确保在周围健康组织最小危险暴露下，传递辐射线到目标上。固定装置的其他应用包括物理复原应用和整形外科应用，例如在夹板和吊带中，以便固定并保护发炎或受伤的关节，支持并固定韧带和骨折与肌肉组织以及例如作为鞋垫(foot-bed)应用的足医术。
为了生产适合于在以上所述的应用中使用的定位或固定装置，通常使用片材成型的热塑性材料，其中模塑所述热塑性材料，以便尽可能好地贴合待固定的身体部分。在采用高熔点热塑性塑料的情况下，在需要固定的部分的形状中使用阳模。过去几年来，对材料进行了连续开发，所述材料满足了预见的应用的具体要求。使用可直接模塑到待固定的身体部分上的热塑性材料的片材实现了显著大的关注，因为它允许在最高精度下实现固定，其中固定装置的尺寸和形状可在待固定的身体部分的位置上直接适应每一单独的患者，且它可在再模塑固定装置的时间过程中适应。为了允许这一直接模塑，热塑性材料的熔融温度应当足够低到被身体维持。除此以外，材料在熔融状态下应当具有足够的可成形性和弹性，其时间段足够长到允许模塑，但没有长到节约临床时间和在实现模塑之后最小化变形的风险。尤其适合于直接模塑到身体部分上的热塑性材料是ε-聚己内酯。在实践中，在温水浴中加热ε-聚己内酯片材，其时间段足够长到实现材料的软化和熔融，然后施加该片材到待固定的身体部分上，成型，以贴合身体部分并允许冷却。
由热塑性材料制造的固定装置或模板需要具有一定的厚度，以提供所要求的机械性能。特别地，该材料应当具有足够高的弯曲模量，以最小化装置变形的危险和身体部分移动的能力。在使用固定装置的过程中，该材料还应当提供高的稳定性，稳定性意味着当通过固定装置固定时，相对于固定装置或辐射源，限制身体部分移动。稳定性越高，越难以在固定条件下移动身体部分。为了改进舒适性和允许湿气通过材料蒸发，穿孔该材料。然而，孔的存在会降低材料的刚度和装置的稳定性。
此外，当从熔融温度开始冷却时，一旦结晶，则热塑性材料收缩。在冷却和结晶之后，这一收缩常常导致太绷紧的配合，因为通常模塑固定装置，紧密地配合需要固定的身体部分。在模塑和结晶之后的数小时或数天的过程中，热塑性材料可显示出退火，所述退火常常与进一步的收缩有关。结果可能是太绷紧配合的装置，从而使得固定装置的内表面和患者之间的接触不舒适。当结晶时，收缩程度通常取决于材料的性质，以及取决于几何设计和模板尺寸。
为了改进患者的舒适度，US-A-3,957,262公开了使用帽子形式的头盔，所述头盔接受并支持没有被检查的患者脑袋的后部。通过下巴限制器和前额限制器，患者的脑袋限制在帽子以内的某一位置中。前额的内部由贴合到被其支撑的患者脑袋后部的尺寸和形状的软质橡胶泡沫体制造。结果，在头盔内的某些移动将是可能的，且可被允许，但不可能保证精确的再定位。没有提供随着时间流逝，允许改变帽子的形状和尺寸以适应身体部分变化尺寸的机构。
在减少由固定装置提供的不舒适性的另一尝试中，通过使用发泡的热塑性材料，降低材料的密度，来降低热塑性材料的重量。根据WO9611226(来自?)，在工业上，与纯的ε-己内酯基热塑性片材相比，在ε-己内酯中掺入2-6wt.%发泡聚合物微球允许降低单位体积的重量。该材料似乎非常好地可模塑，显示出良好的表面抛光并提供患者良好的舒适度。然而，必须接受达到约400MPa的弯曲模量损失。
在改进刚度和稳定性的进一步的尝试中，EP-A-1.582.187公开了具有第一部分的混杂面具(mask)，所述第一部分拟覆盖待固定的身体部分。这一第一部分由热塑性材料制造，所述热塑性材料具有网状物或网络形状且具有多个孔隙允许湿气从皮肤上蒸发。沿着第一部分的边缘，使用双层材料厚度局部增加弯曲模量，其目的是改进面具的稳定性。第一部分的边缘与紧固件相连，允许安装面具到用于患者的定位工作台上。热塑性材料的厚度在1-5mm之间变化，优选2-4mm，这取决于预期的硬度，刚度，和取决于孔隙的孔隙率或数量和大小。
固定装置的实际实例常常由厚度为1.6-4.2mm的热塑性片材制造。当分析采用已有的固定装置和生产它们所使用的热塑性材料遇到的问题时，显然的是，尝试开发具有降低密度的片材材料，改进在其内得到的固定，允许增加热塑性材料的厚度，获得较高的弯曲或挠曲模量并改进稳定性，且没有牺牲患者太多的舒适度。
因此，需要固定装置，所述固定装置提供改进的患者舒适度，然而，没有牺牲它的机械性能。另一方面，仍需要具有改进的机械性能的固定装置。
本发明的简要说明
因此，本发明的一个目的是提供固定一个或更多个身体部分的固定装置，所述固定装置显示出改进的稳定性，但对患者来说仍然足够舒适。在本发明的框架内，稳定性是指当在固定状态下时，限制身体部分相对于固定装置或辐射源移动。固定条件例如是指其中该装置覆盖身体部分且紧固或定位到支持表面上的条件。在采用已有的装置的情况下，这限制在1.5-5mm。特别地，稳定性是指限制固定的部分身体相对于固定装置和定位板/工作台或辐射源摇晃。
特别地，本发明寻求提供可通过直接模塑热塑性片材材料到需要固定的人体的一部分上而生产的固定装置，于是该固定装置应当尤其适合于在医疗应用，例如矫正术和修复术，物理复原和放射肿瘤学中使用。
根据本发明，采用权利要求1的特征部分的技术特征，实现具有改进的稳定性的固定装置。
迄今为止，固定装置的特征在于热塑性材料含有至少一种剥落的(exfoliate)纳米填料材料。
在本发明的范围内，措辞“剥落”是指剥落或者解聚，这取决于纳米填料材料的性质。
发明人观察到通过掺入纳米填料材料到热塑性材料内，其方式使得纳米填料材料剥落，则复合片材材料的弯曲或挠曲模量可以显著增加，常常最多到2倍。这对于固定装置来说是重要的，因为按照那一方式，可获得具有较好稳定性的固定装置。特别是在放射疗法中，固定装置的稳定性是问题，因为辐射线需要集中在目标上，需要降低周围组织的辐射到最小值，因此，应当减少固定装置的移动或摇摆的可能性到最小值。
可增加弯曲模量的事实允许减少复合热塑性片材的片材厚度，且不必牺牲在这类应用中要求的固定装置的稳定性和机械性能。可减少生产固定装置所使用的热塑性片材的厚度，其方式使得不大于80%，常常不大于60%的热塑性材料不含填料材料。这允许在生产过程中节约原材料和能耗。在现有技术中，生产固定装置所使用的热塑性片材的厚度通常为约2-4.2mm。在采用本发明的情况下，可减少热塑性片材的厚度到约1.6mm,或1.4mm,常常到约1.2mm，从而实现至少与非填充的热塑性材料一样好，常常仍然更好的稳定性和弯曲模量。
减低的片材厚度反过来导致对辐射线，尤其X-射线改进的材料透明度。发明人观察到，与具有相同厚度的不含填料的材料相比，存在所提出浓度的纳米填料材料不会影响X-射线的透光率。这解决了已有的固定装置存在的问题，所述固定装置的材料常常吸收太多的辐射线，从而减少处理功效并产生可损伤皮肤的二次电子辐射效果。
发明人进一步观察到，可通过添加纳米填料，显著地改进热塑性材料的耐磨性和抗擦伤性，所述纳米填料将改进针对个体模塑的固定装置的寿命跨度和表面质量。在诸如固定手臂、腿、手、脚及其部分所使用的夹板之类的应用来说，这尤其是有利的，因为它们在使用过程中可遭受苛刻的条件。
与已有的固定装置相比，可解决的进一步的问题是存在剥落的纳米填料材料，可减少从熔融状态冷却并结晶时固定装置的收缩程度，这可被视为相对于舒适度的重要改进，因为按照这一方式，减少了收缩力。尽管出现了一些收缩，但收缩程度似乎小于非填充的热塑性材料。特别地，与非填充的材料相比，可减少收缩程度30-40%。这是有利的，因为通常模塑固定装置，其方式使得它紧密地配合需要固定的身体部分。在结晶时和之后发生的收缩常常具有下述效果：在熔融条件下使得配合的固定装置可能太紧地配合，提供不舒适和痛苦。除此以外，已发现，在退火过程中，在储存固定装置时通常发生的进一步的收缩同样减少。这是重要的，因为通常模塑该固定装置，以便相当紧密地配合到待固定的身体部分上。本发明因此允许减少收缩程度和由固定装置产生的收缩力，同时维持且常常改进稳定性或由该装置产生的定位力。
至少一种纳米填料材料优选选自具有分层的层状结构的有机改性的矿物，具有多壁管式结构的有机改性的矿物，多壁碳纳米管，和两种或更多种这些材料的混合物。
相对于热塑性基体的重量，热塑性材料优选含有1-15wt%有机改性的粘土作为分层的层状纳米矿物，优选2-10wt%，更优选3-5wt%的矿物纳米材料。通过使用以上给出浓度的矿物纳米填料材料，可实现纳米颗粒的最佳剥落及其在热塑性材料内的均匀分散。这是重要的，以便允许实现材料均匀的机械性能。在低于1wt%的浓度下，对弯曲模量的影响下降。在高于10wt%的浓度下，混合物热塑性材料-粘土纳米填料的粘度增加到其中混合物变得越来越难以处理和加工，对X-射线的透光率下降的数值，且增加纳米填料的浓度不必然导致机械性能的进一步改进。在采用增加浓度的纳米粘土填料材料的情况下，材料的透光率也同样下降，在此情况下，使用透明的热塑性材料。例如，ε-聚己内酯在熔融状态下是透明的，这是重要的，以记录最佳的模塑温度。
当混合纳米填料材料时发生的粘度增加归因于纳米填料材料的分散与剥落，其结果是形成剥落的纳米颗粒在热塑性材料内的精细分布。实现所需的稳定性和机械性能而掺入的纳米填料用量取决于纳米填料和热塑性材料的性质和相容性，复合热塑性片材的厚度，应用的性质等。类似地，可掺入到热塑性材料内的纳米填料材料的浓度取决于纳米填料材料的性质和热塑性聚合物的性质。
相对于热塑性材料的重量，热塑性材料优选含有0.01-10wt.%的碳纳米管，优选0.1-5wt.%。实现所需效果而需要掺入的纳米碳管的用量以及可掺入的浓度取决于纳米填料材料的性质，热塑性聚合物的性质以及这两种材料的性质。在低于0.5wt.%的浓度下，对弯曲模量的影响减少，在高于3wt.%的浓度下，混合物热塑性材料-纳米填料的粘度增加到其中该混合物变得越来越难以处理和加工的数值。在高于7wt.%，有时高于5wt.%的浓度下，增加碳纳米管的含量不必然导致机械性能的进一步改进。
发明人观察到含有碳纳米管的热塑性片材导热且导电。发现导电率取决于碳纳米管的性质与浓度，热塑性材料的性质，和碳纳米颗粒在热塑性材料内的分散程度。由于含有分散的碳纳米颗粒的热塑性片材具有导电性能，因此可以通过施加电流，以直接的方式加热它们。使用直接加热，或以不利用热水浴，但反而例如在气体氛围，例如空气中，在烘箱内发生的干燥方式或者使用微波，加热热塑性片材的优点是，可延长模塑热塑性片材留下的时间。在水浴中加热的热塑性片材似乎存在比较快速的冷却与结晶。
在需要控制复合热塑性材料的结晶速度的情况下，可使用两种或更多种热塑性材料的混合物，生产热塑性片材材料。认为纳米颗粒充当结晶核，从而增加它们在其内分散的热塑性材料的结晶速度。取决于预计应用的性质，可需要或者加速结晶，或者减慢结晶。在采用个性化固定装置的情况下，通常需要减慢复合热塑性材料的结晶，以便在加热该材料软化和/或熔融之后，留下充足的时间模塑。本领域的技术人员将能选择热塑性聚合物的合适混合物，以实现所需的结晶速度。然而，若考虑使用热塑性材料的混合物，则优选至少一种材料是ε-聚己内酯。
含有纳米填料材料的热塑性片材的弯曲模量为至少650MPa，优选至少750MPa，更优选至少1000MPa或更大。然而，弯曲模量通常取决于纳米填料材料的浓度与性质，和热塑性材料的性质。根据本发明，根据ASTM方法nr D790，测量弯曲模量。
发明详述
在本发明的框架内，纳米填料是具有高的长径比，即长度与直径比或者高表面与厚度比的材料。
适合于用作纳米填料的材料包括具有分层的层状结构或者分层的管状结构的矿物。分层的层状矿物材料的实例分层的硅酸盐，混合的氧化铝-二氧化硅材料，例如粘土，尤其页硅酸盐，例如蒙脱土，绿脱石，贝得石，铬岭石，锂蒙脱石，皂石，锌蒙脱石，麦羟硅钠石，铜皂石，氟代-锂蒙脱石，蛭石，高岭石。纳米粘土例如获自Süd Chemie，其使用名称"Nanofil"来市售蒙脱石基纳米粘土，例如已经用二硬脂基二甲基氯化铵有机插层的"Nanofil15"和"Nanofil5"；纳米粘土例如获自US company Elementis Corp.，基于锂蒙脱石的名称"EA108"；纳米粘土例如获自Southern Clay，尤其Cloisite；膨润土获自Elementis Specialties；Laviosa Chimica Mineraria，尤其Dellite。措辞“纳米粘土”或“纳米矿物材料”要理解为是指有机插层的页硅酸盐或分层的硅酸盐，它们分别是分层的矿物。这对应于在这一技术领域中通常使用的解释。
在使用以上所述的纳米填料与热塑性材料中，天然存在或合成的矿物或页硅酸盐首先必须赋予亲有机物质性，结果它们可与疏水的热塑性材料一起加工，和结果实现剥落。改性是指改性矿物，以提供插层，于是在层或管道之间提供足够扩大的通道间隔，当进行剪切时，允许该材料在热塑性材料内分散或剥落。插层也可具有下述效果：一部分聚合物材料能渗透分层结构。
剥落是指矿物材料的分层结构、纳米矿物小片或薄片的聚集体彼此分离，并分散在塑料基体内。在剥落过程中，在每一小片的每一叠层的最外部区域处的小片裂开，从而暴露更多小片以供分离。在剥落过程中，填料减少为厚度数量级是数纳米的片材状态。
以上所述的矿物材料可在它们的薄片之间含有碱金属阳离子，例如K+或Na+，碱土金属阳离子，或有机阳离子，例如通过离子交换反应获得的烷基铵或烷基锍阳离子。通常在水相中，采用基于铵表面活性剂，或者基于鏻表面活性剂或者基于锍表面活性剂的阳离子表面活性剂，进行阳离子交换。另一已知方法是酸活化。它使用例如盐酸。
也可采用有机化合物改性以上定义的矿物材料，提供插层结构。用于有机改性纳米填料的合适的有机化合物包括烷基铵化合物，优选其中烷基含有至少14个碳原子的烷基铵化合物。更优选，烷基铵化合物含有选自OH,COOH，烷基，芳基中的一个或更多个官能团，或者两个或更多个这些基团。在低剪切速度下，存在季化烷基铵盐使分层矿物，尤其粘土在有机液体内得到溶胀性能。可根据本领域技术人员已知的方法，例如使用与季铵盐离子交换，施加有机化合物，但其他方法同样可使用。也可采用各种聚合物，例如如文献US-A-5,552,469中所述的聚乙烯醇(PVA)或聚丙烯酸，或者如文献US-A-5,578,672中所述的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，或聚酯，例如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，改性矿物材料。在这些粘土的片材之间吸收足量的聚合物，使之隔开约10-55埃。这些填料然后可掺入到热塑性材料，例如聚酰胺或聚酯内，和在配混之后，它们可剥落或者精细地分散，正如文献US-A-5,760,21中所述。也可采用具有与粘土相容的结构单元(A)和与基体聚合物相容的结构单元(B)的多嵌段共聚物，插层纳米填料材料。也可通过硅烷类偶联剂和
Figure BDA00002284474700091
离子共插层，改性粘土，正如US-A-6,407,155中所公开的。
有机改性纳米填料材料所使用的有机化合物可以是具有较高或较低极性的化合物。在本发明中，优选使用具有较高极性的有机化合物，这是因为这允许在热塑性材料内实现较好的分散度和较好的剥落程度，从而导致纳米复合材料的刚度增加。
有机化合物在纳米填料材料内的浓度可在宽范围内变化，但优选相对于纳米填料的重量，在30wt.%-70wt.%的有机化合物之间变化，更优选30-40wt%。
视需要，除了插层化合物以外，也可表面改性纳米填料材料，改进与热塑性聚合物的相容性，其目的是改进分散。表面改性例如可包括用聚合物涂布纳米颗粒的表面，所述聚合物与纳米填料材料将要在其内分散的热塑性聚合物相容。可例如用与纳米填料材料将要在其内分散的热塑性聚合物相同或不同的聚合物，表面涂布纳米填料材料。可例如用聚乙烯，聚丙烯或ε-聚己内酯涂布纳米填料材料。
通过提供插层结构所使用的有机化合物的性质，尤其烃主链的性质与组成和在其上存在的官能团，通过原样的纳米材料的性质，尤其在纳米填料材料的表面上存在的离子位点，和通过热塑性材料的性质，确定在纳米填料和热塑性材料之间发生的插层。
适合于用作纳米填料的另一材料包括碳纳米管，它实际上是碳的同素异形体形式之一，它可被看成是卷成圆柱体并在末端密封的一个或更多个石墨小叶(leaflet)。碳纳米管可由或者单壁，所谓的单一壁纳米管组成，或者它们可以是双壁或多壁纳米管，这取决于纳米管是否分别由1，2或数个小叶组成。这一术语是本领域技术人员众所周知的。碳纳米管获自Nanocyl,Bayer Material Science,Arkema(Graphistrenght),Cheap Tubes Inc and CNT Co。碳纳米管可以是或者纯的，部分纯化，未加工的或者官能化的。未加工的碳纳米管可含有诸如无定形碳，热解碳，碳纳米颗粒，碳
Figure BDA00002284474700101
离子，富勒烯，包封在碳内的金属纳米颗粒，碳纤维之类的副产物，所述副产物在纯化过程中不可能被消除。为了确保碳纳米管的有利性能转移到纳米复合材料中，需要克服碳纳米管以非常稳定的小包或者“束”形式聚集在一起的自然倾向，以允许实现碳纳米管在热塑性材料内充分的分散或分布。“纳米管在热塑性材料内的最佳分散”是指纳米管在热塑性材料内的分散，以便两个碳纳米管之间的接触表面积小于纳米管总表面积的25%，优选小于15%，优选小于10%，小于5%和优选小于1%所述纳米管的总表面积。
可采用或者不采用一种或更多种有机化合物官能化适合于与本发明一起使用的碳纳米管。视需要，可表面改性纳米碳纤维材料，以改进与热塑性聚合物的相容性，其目的是改进分散。表面改性可例如包括用与纳米碳纤维材料将要在其内分散的热塑性聚合物相容的有机官能团涂布纳米颗粒的表面。表面改性也可包括用聚乙烯，聚丙烯或ε-聚己内酯涂布纳米碳纤维材料。
适合于与本发明一起使用的热塑性材料的实例包括热塑性弹性体，热塑性聚氨酯，热塑性聚异戊二烯，热塑性聚酯，热塑性聚烯烃，聚氯乙烯，聚苯乙烯，或两种或更多种这些材料的共混物。合适的热塑性聚烯烃的实例包括聚乙烯，聚丙烯或乙丙共聚物，也可包括热塑性弹性体，它是乙烯与具有3-10个碳原子的至少一种α-烯烃的共聚物，或者两种或更多种这些共聚物的共混物，优选乙烯与1-丁烯的共聚物，或者乙烯与1-辛烯的共聚物，或者两种或更多种这些共聚物的共混物。合适的聚酯的实例包括聚乙烯乙酸乙烯酯，聚丙烯酸酯或聚甲基丙烯酸酯，聚合的脂肪酸酯，尤其聚-ε-己内酯。聚-ε-己内酯例如以Capa形式获自Perstorp(UK)。然而，优选使用热塑性聚氨酯，全同立构聚丙烯(因其刚度和韧度)，乙烯与1-丁烯的共聚物，乙烯与1-辛烯的共聚物，聚-ε-己内酯，含有聚-ε-己内酯的热塑性聚氨酯，这是因为它们的透明度导致的。然而，同样可使用两种或更多种这些材料的共混物或结合物。
尤其优选聚-ε-己内酯，这是因为它具有低的熔点，且在可由人体和动物体维持的温度下可模塑。然而，也可在具有一种或更多种前述热塑性材料的共混物中使用聚-ε-己内酯。
取决于预见的应用，可使用具有较高或较低熔点的热塑性材料。在本发明中使用的合适的热塑性材料包括加工温度高于100℃，优选介于120℃-180℃的高温热塑性材料的片材。由这些材料制造的固定装置可例如拟用于固定患者的身体部分。在系列生产中，可使用具有待固定的那部分的形状的模具，生产固定装置。对于单个的产品来说，可推荐热塑性片材直接模塑到身体的部分上。在设想固定身体部分的情况下，优选使用熔融温度足够低以允许直接模塑到身体上，尤其熔融温度不高于100℃，优选介于40℃-90℃，更优选介于50℃-80℃的热塑性材料。如此使用的合适的材料包括低熔融温度的聚酯。尤其优选ε-聚己内酯。
可以以含有合适浓度的纳米填料材料的合适混合物形式提供生产本发明的复合热塑性片材和固定装置所使用的聚合物组合物，或者它可由在热塑性聚合物或者两种或更多种不同的热塑性聚合物的共混物内含有高浓度纳米填料材料的母炼胶生产。可共混这一母炼胶与进一步用量的相同的热塑性材料，或者不同的热塑性材料，生产固定装置的片材材料将要由其制造的混合物。
可使用本领域技术人员考虑的任何技术，由纳米填料-热塑性聚合物的共混物生产本发明的复合热塑性片材。合适的实例包括在挤出机内熔体挤出热塑性材料-纳米填料混合物，生产具有预定宽度、长度和厚度的片材之后，平板挤出，注塑和压塑。
可根据本领域认为合适的任何方法，生产含有纳米颗粒并用于生产母炼胶的聚合物组合物，片材材料或固定装置，只要所使用的技术导致在聚合物内精细且高度均匀的纳米填料材料分布即可。这可在挤出机中，通过在合适的温度下熔融热塑性材料并在纳米填料内混合而进行。根据另一合适的技术，在挤出机中，在合适的温度下，使用熔体混合，混合有机改性的纳米填料材料与热塑性聚合物。在挤出过程中，纳米填料遭受高剪切力，这会引起纳米填料材料剥落且精细地分散在热塑性材料内。
注意，在本发明的固定装置中，可使用单一片材或者多个聚集片材形式的热塑性材料，所述热塑性材料可以由相同或不同的含有纳米填料的热塑性材料制造，且聚集的片材彼此相连。
复合热塑性片材的厚度通常适应于所打算的用途。当用作固定装置用以固定身体部分时，厚度通常为0.5-3.2mm，优选0.5-2.0mm，更优选0.8-1.5mm,最优选1.1-1.3mm。常常使用约1.2mm的厚度或者有时使用更大的厚度。当选择合适的厚度时，本领域的技术人员会考虑该厚度足以提供打算应用所要求的性能。对于固定装置来说，应当选择厚度，以便弯曲模量和稳定性或定位力在该应用的要求范围内，和在加热软化或熔融之后，热塑性片材的冷却时间足够长到允许模塑。
复合热塑性片材可用作实心片材，但也可包括延伸穿过片材厚度方向的多个孔隙。优选穿孔片材，因为降低的重量和蒸发可能性会改进患者的舒适度。穿孔是指热塑性片材含有在片材的材料中贯穿延伸的多个孔隙。当模塑时，常常拉伸热塑性片材，并同样拉伸孔隙，从而增加其尺寸。可无规或者根据具体的图案采用穿孔。在热塑性材料内的孔隙直径通常为0.5-3mm，优选1-2mm。通常选择穿孔孔隙的尺寸与图案，其方式使得热量保持在装置内，以提供材料从熔融状态下的冷却时间，所述时间足够长到允许模塑。
本发明还涉及热塑性材料用于生产固定身体部分的固定装置的用途，所述热塑性材料含有选自具有分层、层状结构的有机改性的矿物，具有多壁管状结构的有机改性的矿物，多壁碳纳米管，或两种或更多种以上所述的这些材料的混合物中的至少一种纳米填料材料。因此可使用热塑性材料和纳米填料的混合物，或者可使用含有95-70wt.%热塑性聚合物和5-30wt.%纳米填料材料的母炼胶，熔融所述母炼胶并与热塑性聚合物混合，生产纳米填充的热塑性材料，所述热塑性材料适合于生产固定装置由其制造的片材材料。
本发明进一步涉及含有至少一种纳米填料材料的热塑性材料的片材用于生产固定装置的用途。固定装置是指例如固定手或手的一部分，手臂或它的一部分，腿或它的一部分的夹板，和例如固定头或头的任何其他部分的面具。然而，固定装置也可用于固定本领域技术人员考虑的任何其他工具。
视需要，本发明的固定装置可由两部分制成，其中提供第一部分，以覆盖待固定的身体部分，所述第一部分由以上所述的纳米填充的热塑性材料制造，和第二部分充当紧固件或用于安装第一部分到支持表面上，所述第二部分由非填充的热塑性材料或者任何其他塑料材料制造。
本发明进一步涉及生产以上所述的固定装置的方法，其中加热含有至少一种纳米填料材料的热塑性材料的片材，其温度相当于与位于身体部分或待固定的任何其他工具上或者位于阳模上的热塑性材料的熔融温度，模塑并留下冷却。于是可按照常规方式，通过将片材淹没在温水浴内，直到热塑性材料熔融，从而进行纳米填充的热塑性片材的加热。然而，也可使用干热方法，进行加热，于是在烘箱内，在合适的温度下，或者使用微波，或者在合适温度下的热气体流中，加热纳米填充的热塑性片材材料。
由于在生产固定装置所使用的热塑性材料中存在剥落的纳米填料材料，因此，可改进热塑性材料的机械性能，尤其可增加弯曲或挠曲模量。增加的挠曲模量允许使用具有减少厚度的热塑性片材以供生产固定装置，和这一方式至少保持并且常常改进材料对X-射线的透光率。填充的热塑性片材增加的挠曲模量允许获得具有改进的稳定性的固定装置，或者另一方面，允许减少热塑性片材的厚度，且没有牺牲固定装置的稳定性。除此以外，在加热到熔点之后，含有纳米填料材料的热塑性材料当冷却和结晶时，显示出较少的收缩。结果可减少从熔融片材模塑的固定装置产生的收缩力，并改进对患者的舒适度。在以上所述的热塑性材料内掺入适量纳米填料材料于是允许生产具有改进的稳定性和固定力的固定装置，同时限制收缩度并改进对患者的舒适性。
纳米填料材料中的填料浓度可保持相对低，这是因为填料颗粒剥落或者解聚，且在纳米规模上分散在聚合物基体内。
在所附的实施例中进一步阐述本发明。
图1示出了用于固定头的本发明固定装置的一个实例。
图2示出了用于固定手的夹板的实例。
实施例1
通过将下表1中所述的0.25-2.5wt.%碳纳米管混合到获自Perstorp UK Ltd的ε-聚己内酯中，生产复合材料。使用下述类型的碳纳米管：获自Bayer Material Science的Baytubes，和获自Akema的Graphistrenght。使用分批操作的实验室规模的双螺杆DSM MicroCompounder(15cc,N2吹扫，螺杆转速170rpm)，和30分钟的挤出机停留时间，实现混合。使用AgilaPE30液压机，在140℃，100bar的压力下，将如此获得的复合材料压塑成片材。
为了评估导电率，使用Keithley6512可编程的静电计(电流范围1.1X10-6-1.1X10-2;电压范围10-4-100V)，在纳米复合片材的表面上进行4点导电率测量。使用由Electron Microscopy Science提供的石墨乳糊剂，确保样品和测量电极之间合适的接触。下表1中概述了结果。
表1：含有变化类型碳纳米管的ε-聚己内酯Capa的导电率
碳纳米管(wt.%) 导电率(Sm-1) 挠曲模量(MPa)
0 1.0E-09.25 500
1.5wt.%Baytubes 1.0E+0.75 615
1.5wt.%Graphi strenght C100 1.0E+01 700
0.25wt.%Nanocyl7000 1.0E-02.25
0.5wt.%Nanocyl7000 1.0E+00
2.5wt.%Nanocyl7000 1.0E+1.75
实施例2
通过将5wt.%表2给出的每一纳米填料混合到获自Perstorp的ε-聚己内酯中，生产复合材料。使用实验室规模的双螺杆配混机型号ZSK-18(Coperion)，实现混合。使用Agila PE30液压机，在140℃，100bar的压力下，将复合材料压塑成片材。
使用3点弯曲模型，90mm的跨度，4mm的偏转，在21℃下，使用Lloyd Instruments LRX Plus装置，测量正割或挠曲模量。对于每一样品来说，取三次测量的平均值，在如实施例1所述压塑复合材料，并在21℃下储存之后7天进行测量。样品尺寸为130X30X1.6mm。
纳米材料(5wt.%) 挠曲模量(MPa)
ε-聚己内酯 500
Bentone DE 560
Nanofil SE310 900
Cloisite Na+ 900
实施例3
通过将3和10wt.%的Nanofil SE3010和Cloisite10A分别混合到获自Perstorp UK Ltd的ε-聚己内酯Capa中，生产复合材料。使用分批操作的实验室规模的双螺杆DSM Xplore Micro Compounder(15cc,N2吹扫，螺杆转速170rpm)，和30分钟的挤出机停留时间，实现混合。使用Agila PE30液压机，在140℃，100bar的压力下，将如此获得的复合材料压塑成片材。
使用3点弯曲模型，90mm的跨度，4mm的偏转，在21℃下，使用Lloyd Instruments LRX Plus装置，测量正割或挠曲模量。对于每一样品来说，取三次测量的平均值，在如实施例1所述压塑复合材料，并在21℃下储存之后7天进行测量。样品尺寸为130X30X1.6mm。表3中概述了结果。
表3
纳米材料(wt.%) 挠曲模量(MPa)
Nanofil SE3010,3wt.% 650
Nanofil SE3010,10wt.% 800
Cloisite10A,3wt.% 700
Cloisite10A,10wt.% 960
实施例4
通过将5wt.%表4给出的每一种材料混合到获自DOW.Chemical Co的聚丙烯-共-PE中，生产复合材料。使用实验室规模的双螺杆ZSK-18(Coperion)，实现混合。使用Agila PE30液压机，在220℃，100bar的压力下，压塑如此获得的复合材料。
使用3点弯曲模型，90mm的跨度，4mm的偏转，在21℃下，使用Lloyd Instruments LRX Plus装置，测量正割或挠曲模量。对于每一样品来说，取三次测量的平均值，在如实施例1所述压塑复合材料，并在21℃下储存之后7天进行测量。样品尺寸为130X30X3.2mm。表4中概述了结果。
表4.
纳米材料(wt.%) 挠曲模量(MPa)
聚丙烯-co-PE 1280
Nanofil5,5wt.% 1570
Nanofil SE3000,5wt.% 1400
Cloisite15A,5wt.% 1550
实施例5
通过具有平模的工业规模的双螺杆挤出机，使用含有下表5给出的所指浓度的纳米材料的ε-聚己内酯，生产热塑性片材。不含填料的ε-聚己内酯用作参考材料。每一次生产具有表5给出厚度的片材。由每一片材生产固定标准面具，以覆盖脸部，如图1所示。如下所述测量基于ε-聚己内酯纳米复合材料的如此获得的面具的稳定性。使用基于比利时专利N°1015081,26.08.2002中所述的方法的特殊设计的仪器，所述仪器可测量面具的收缩力和稳定性和/或施加不同的定位力到在仿真头上模塑的面具上。面具定位的稳定性是指当施加特定的定位力到面具上和施加100N的水平力到仿真头上时，在仿真头上的水平位移mm。
Figure BDA00002284474700171
根据表5，可得出结论，可通过掺入纳米填料材料，显著改进固定装置的稳定性。采用由含纳米填料材料的ε-聚己内酯的片材(它具有与不含填料材料的ε-聚己内酯的片材相同的厚度)制造的面具，观察到改进的稳定性，而且该片材具有较小的厚度。甚至当降低片材厚度60%
Figure BDA00002284474700172
时，观察到改进的稳定性。
实施例6
根据实施例5的方法，使用工业规模的挤出机和Nanocyl7000作为纳米填料材料，生产纳米复合材料。从这些片材材料中切割具有1.2-2mm的不同厚度的20X50mm的样品。使用2点电学多次测量仪器，测量如此获得的样品的体积电阻。使用银或石墨糊剂，改进夹板和样品之间的电接触。下表6中列出了结果。根据表6中概述的结果，看出随着热塑性片材材料的厚度增加，电阻下降。
表6
纳米复合热塑性片材材料导电的事实允许通过施加合适的电压，使用交流电或直流电加热并熔融片材材料。
在加热表6中公开的片材到熔点并冷却之后，施加不同的交流电压到样品边缘上。根据表7，可看出在首先熔融到70℃-80℃，接着冷却到21℃之后，在室温下样品的电阻下降。此外，认为在首先熔融和冷却之后的电阻与片材的厚度无关。
表7
Figure BDA00002284474700182

Claims (16)

1.一种用于固定身体部分的固定装置，该固定装置包括已被成型为与待固定的身体部分相吻合的热塑性材料的片材，其特征在于该热塑性材料含有剥落的至少一种纳米填料材料。
2.权利要求1的固定装置，其特征在于，至少一种纳米填料材料选自具有分层的层状结构的有机改性的矿物，具有多壁管状结构的有机改性的矿物，多壁碳纳米管，和两种或更多种这些材料的混合物。
3.前述任何一项权利要求的固定装置，其特征在于热塑性材料含有1-15wt%的有机改性的粘土，优选2-10wt%，更优选3-5wt%，相对于热塑性材料的重量。
4.前述任何一项权利要求的固定装置，其特征在于热塑性材料含有0.01-10wt%的碳纳米管，优选0.1-5wt%，相对于热塑性材料的重量。
5.前述任何一项权利要求的固定装置，其特征在于有机改性的纳米填料含有烷基铵化合物，优选其中烷基含有至少14个碳原子的烷基铵化合物。
6.权利要求5的固定装置，其特征在于烷基铵化合物含有选自OH,COOH，烷基，芳基中的一个或更多个官能团，或者这些中的两个或更多个。
7.前述任何一项权利要求的固定装置，其特征在于热塑性片材材料选自热塑性弹性体，热塑性聚氨酯，热塑性聚异戊二烯，热塑性聚酯，热塑性聚烯烃，聚氯乙烯，聚苯乙烯或两种或更多种这些材料的共混物或结合物。
8.前述任何一项权利要求的固定装置，其中热塑性片材材料选自热塑性聚氨酯，全同立构聚丙烯，乙烯与1-丁烯的共聚物，乙烯与1-辛烯的共聚物，聚-ε-己内酯，含有ε-聚己内酯的热塑性聚氨酯，或者两种或更多种这些材料的共混物或结合物。
9.权利要求7或8的固定装置，其特征在于热塑性片材材料包括ε-聚己内酯和另外步的热塑性材料的混合物。
10.前述任何一项权利要求的固定装置，其特征在于含有纳米填料材料的热塑性片材的挠曲模量为至少650MPa，优选至少1000MPa。
11.前述任何一项权利要求的固定装置，其特征在于热塑性片材包括延伸穿过片材厚度方向的多个孔隙。
12.前述任何一项权利要求的固定装置，其特征在于热塑性片材的厚度为0.5-3.2mm，优选0.5-2.0mm，更优选1.75-1.5mm，最优选1.1-1.3mm。
13.热塑性材料用于生产固定身体部分的固定装置的用途，所述热塑性材料含有选自具有分层的层状结构或者多壁管状结构的有机改性的矿物，和具有多壁管状结构的碳纳米管，或者两种或更多种这些材料的混合物中的至少一种剥落的纳米填料材料。
14.权利要求13的用途，其中熔融含有95-70wt.%热塑性聚合物和5-30wt.%纳米填料材料的母炼胶，并与进一步的热塑性聚合物混合，生产纳米填充的热塑性材料以供生产用于固定装置的片材材料。
15.热塑性材料的片材用于生产固定身体部分的固定装置的用途，所述片材含有权利要求1-12任何一项的至少一种剥落的纳米填料材料。
16.生产权利要求1-12任何一项的固定装置的方法，其中在水浴中或者气体氛围中加热含有至少一种纳米填料材料的热塑性材料的片材到在待固定的身体部分上定位的热塑性材料熔融的温度，模塑并静置冷却。
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