一种仿生皮肤用复合材料

1.本发明涉及材料仿生技术领域。具体地说是一种仿生皮肤用复合材料。


背景技术：

2.在研究高速撞击对人体侵害或损害程度以及致伤机理和毁伤效果时，往往需要使用一些试验材料进行测试，这些试验材料一般选用动物组织或者高分子材料或者天然材料(木材等)来充当。然而由于高速撞击对人体的侵害或损害是发生在人活着的时候，人体组织在活人身上时表现的物理特性与在尸体上表现的物理特性存在较大的差异，例如，活体上的皮肤具有较好的弹性，而脱离活体的皮肤则弹性较差。如果想较为充分地了解对人体进行高速撞击时的致伤机理和毁伤效果，最理想的方式是在活体上做试验，这种试验方式有违伦理道德，且不符合实际要求。为此，人们开始用各种材料开始对人体皮肤等组织进行仿生，但是仍未获得较为理想的仿生材料。


技术实现要素：

3.为此，本发明所要解决的技术问题在于提供一种仿生皮肤用复合材料，通过该复合材料制成的仿生皮肤具有接近活体皮肤的弹性，其毁伤效果与活体皮肤的毁伤效果接近。
4.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
5.一种仿生皮肤用复合材料，包括粘接膜层或/粘接膜层和结构膜层；相邻的两个粘接膜层粘接；相邻的两个结构膜层通过粘接膜层粘接；结构膜层为聚氨酯膜层、聚碳酸丁二醇酯膜层和硅橡胶膜层中的一种或多种。
6.上述仿生皮肤用复合材料，粘接膜层为聚醋酸乙烯酯膜层。
7.上述仿生皮肤用复合材料，制备聚醋酸乙烯酯膜层所用聚醋酸乙烯酯为辐照法制备而成。
8.上述仿生皮肤用复合材料，当仿生皮肤包括大于或等于4层膜层时，粘接膜层包括第一粘接层和第二粘接层，第一粘接层和第二粘接层均为聚醋酸乙烯酯膜层；由仿生皮肤表层至内层，仅有第一结构膜层与第二结构膜层通过第一粘接层连接。
9.上述仿生皮肤用复合材料，制备第二粘接层所用聚醋酸乙烯酯为辐照法制备而成。
10.上述仿生皮肤用复合材料，单一粘接膜层厚度小于或等于单一结构膜层。
11.上述仿生皮肤用复合材料，聚氨酯膜层厚度为5～120μm，聚碳酸丁二醇酯膜层厚度为2～120μm，硅橡胶膜层厚度为10～300μm。
12.上述仿生皮肤用复合材料，将结构膜层和粘接膜层制备成仿生皮肤用复合材料时，将组装好的仿生皮肤用复合材料胚料放置在保温箱里静置压放60～180min，即可得到仿生皮肤用复合材料成品；其中，保温箱温度为3～12℃，静置压放时施加压强为50～120pa。
13.上述仿生皮肤用复合材料，静置压放分为初始阶段、中间阶段和结束阶段；初始阶段时长为t1，中间阶段时长为t2，结束阶段时长为t3，静置压放总时长为t，t:t1＝(3～4):1，t:t2＝(2～3):1，t:t1＝(3～4):1；初始阶段保温箱温度为10～12℃，中间阶段保温箱温度为3～6℃，结束阶段保温箱温度为6～10℃。
14.上述仿生皮肤用复合材料，初始阶段保温箱温度为10～12℃，中间阶段保温箱温度为3～5℃，结束阶段保温箱温度为8～10℃。
15.本发明的技术方案取得了如下有益的技术效果：
16.1.本发明提供了一种可以用来对人体皮肤进行仿生的仿生皮肤用复合材料，不仅可以从构造上对皮肤进行模拟，而且物理性能上与真实皮肤相似，在毁伤效果评估中，利用本发明制得的仿生皮肤的毁伤效果评估与真实皮肤的毁伤效果评估相同。
17.2.本发明采用低温静置压放的方式将粘接膜层和结构膜层压合在一起，在保证粘接膜层和结构膜层粘接力的同时，还可以保证粘接膜层和结构膜层在受到牵拉力之时二者之间不发生剥离，同时在仿生皮肤与真实皮肤厚度相近时，能够展现出相似或者相同的毁伤效果。
附图说明
18.图1为实施例1中仿生皮肤的结构示意图；
19.图2为实施例2中仿生皮肤的结构示意图；
20.图3为压痕法测试示意图；
21.图4为压致变色材料变色原理图。
具体实施方式
22.实施例1
23.如图1所示，本实施例中的仿生皮肤用复合材料包括粘接膜层，粘接膜层为聚醋酸乙烯酯。其中，第一粘接膜层1-1充当角质层，第二粘结膜层1-2充当透明层，第三粘接膜层1-3充当颗粒层，第四粘接膜层1-4充当有棘层，第五粘接膜层1-5充当基底层，第六粘接膜层1-6充当真皮层。
24.在将粘结膜层制成仿生皮肤用复合材料时，分别制出厚度为5μm、3μm、10μm、17μm、4μm和80μm的粘接膜层，然后由上至下依次叠放在一起制成仿生皮肤用复合材料胚料，接着将仿生皮肤用复合材料胚料放置在两个不锈钢钢板之间静置压放，然后将两个不锈钢钢板连同仿生皮肤用复合材料胚料一同放入保温箱内，静置压放80min，保温箱温度为5℃，位于仿生皮肤用复合材料胚料上方的不锈钢板单位面积重量为5kg。静压放置结束，即可得到仿生皮肤用复合材料。
25.实施例2
26.如图2所示，本实施例中的仿生皮肤用复合材料包括粘接膜层和结构膜层，其中，粘接膜层为1μm厚的聚醋酸乙烯酯膜层，制备聚醋酸乙烯酯薄膜所用聚醋酸乙烯酯为辐照法制备而成，结构膜层包括2μm厚的聚碳酸丁二醇酯膜层、4μm厚的聚碳酸丁二醇酯膜层、3μm厚的硅橡胶膜层、17μm厚的聚氨酯膜层、5μm厚的聚碳酸丁二醇酯膜层和80μm厚的聚氨酯膜层。利用辐照法制备而成的聚醋酸乙烯酯，辐照可以使聚合物主链分子间通过化学键连
接，最终形成三维网状结构，可提高材料的机械强度、韧度(耐折裂)、耐磨性、耐环境应力开裂、热变形温度等；同时，辐照引发氧化反应，在基体聚合物上增加了极性端基，赋予层间更好的粘合力，改善复合层薄膜的力学强度、层间粘性、耐老化性能等，提高复合皮肤等效材料品质。图2中，第一结构膜层2-1为2μm厚的聚碳酸丁二醇酯膜层，充当角质层；第二结构膜层2-2为4μm厚的聚碳酸丁二醇酯膜层，充当透明层；第三结构膜层2-3为3μm厚的硅橡胶膜层，充当颗粒层；第四结构膜层2-4为17μm厚的聚氨酯膜层，充当有棘层；第五结构膜层2-5为5μm厚的聚碳酸丁二醇酯膜层，充当基底层；第六结构膜层2-6为80μm厚的聚氨酯膜层，充当真皮层；第一粘接层2-7和第二粘接层2-8提供不同膜层之间的连接作用力。
27.按照2μm厚的聚碳酸丁二醇酯膜层、1μm厚的聚醋酸乙烯酯膜层、4μm厚的聚碳酸丁二醇酯膜层、1μm厚的聚醋酸乙烯酯膜层、3μm厚的硅橡胶膜层、1μm厚的聚醋酸乙烯酯膜层、17μm厚的聚氨酯膜层、1μm厚的聚醋酸乙烯酯膜层、5μm厚的聚碳酸丁二醇酯膜层、1μm厚的聚醋酸乙烯酯膜层和80μm厚的聚氨酯膜层的顺序由上至下依次叠放在一起制成仿生皮肤用复合材料胚料，接着将仿生皮肤用复合材料胚料放置在两个不锈钢钢板之间静置压放，然后将两个不锈钢钢板连同仿生皮肤用复合材料胚料一同放入保温箱内，静置压放140min，保温箱温度为8℃，位于仿生皮肤用复合材料胚料上方的不锈钢板单位面积重量为9kg。静压放置结束，即可得到仿生皮肤用复合材料。
28.实施例3
29.本实施例中的仿生皮肤用复合材料包括粘接膜层和结构膜层，利用本实施例中的仿生皮肤用复合材料制成的仿生皮肤与实施例2中制成的仿生皮肤结构相同。其中，粘接膜层包括第一粘接层和第二粘接层，第一粘接层和第二粘接层均为聚醋酸乙烯酯膜层；制备第一粘接层所用聚醋酸乙烯酯的制备方法为：在醋酸的存在下，以过氧化苯甲酰为引发剂，醋酸乙烯进行本体聚合；制备第二粘接层所用聚醋酸乙烯酯为辐照法制备而成；由仿生皮肤表层至内层，仅有第一结构层与第二结构层通过第一粘结层连接。第一粘接层和第二粘接层的厚度与实施例2中的粘接膜层厚度相同，本实施例中的结构膜层与实施例2中的结构膜层相同。
30.利用本实施例中的粘接膜层和结构膜层制备仿生皮肤时，2μm厚的聚碳酸丁二醇酯膜层与4μm厚的聚碳酸丁二醇酯膜层之间的粘接膜层为第一粘接层，其余的粘接膜层均为第二粘接层。
31.本实施例中制备仿生皮肤时，保温箱温度为12℃，位于仿生皮肤用复合材料胚料上方的不锈钢板单位面积重量为12kg。
32.实施例4
33.本实施例中的仿生皮肤用复合材料与实施例3中的仿生皮肤用复合材料组成相同，制备方法上存在如下区别：
34.将两个不锈钢钢板连同仿生皮肤用复合材料胚料一同放入保温箱内，在初始阶段保温50min，保温温度为11℃，保温结束后降温至4℃继续进行中间阶段保温，保温时长为80min，中间阶段保温结束后升温至9℃继续保温50min。
35.将实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中的仿生皮肤用复合材料与长白猪背部皮肤进行比较，分别进行拉伸测试和压痕实验。其中，采用压痕实验来表征弹性，因为应力-应变关系在规定循环过程的每一分支中，都是单值对应，所以可以在加载过程中把试样材
料当作某种弹性材料，而在卸载过程中当作另一种弹性材料。这样就可借助于弹性理论的方法来测试和处理，弹性力学原理采用以规定的负荷加载压入试样表面,如图3所示，经过规定的保荷时间后卸载，在规定时间内测量试件表面压痕直径，以试件压痕表面面积上的平均压力来评定等效材料弹性性能，进而实现与皮肤的等效。
36.表1实施例1～4中的仿生皮肤用复合材料与猪皮的拉伸测试结果
37.选用材料断裂强力(n)断裂伸长率(％)实施例11914.244.3实施例22156.148.9实施例32113.547.2实施例42178.649.5猪皮2017.946.1
38.在将实施例4中制得的仿生皮肤与新鲜猪皮进行对比测试时发现，实施例4中制得的仿生皮肤与新鲜猪皮的测试结果一致性相差不超过5％。
39.压致变色材料是在外力作用下，颜色发生明显改变的一类智能材料。压致变色材料变色原理如图4所示。压致变色材料在应力传感、信息存储、商品防伪和发光器件等领域具有重要的潜在应用前景，近年来，受到了人们极大的关注。为了进行准确的钝击损伤评估，拟设计将压致变色材料涂覆于皮肤等效材料表面或与皮肤等效材料共混。可以定量地表征不同压力条件下的压致变色过程，随着外力的增大，材料产生颜色上的变化。通过调控压致变色材料结构和用量，利用冲击强度与颜色的定量关系来等效不同冲击强度下皮肤损伤状态，提高可视性和评估准确性。在将实施例1、实施例2、实施例3和实施例4中的仿生皮肤用复合材料与长白猪背部皮肤以及新鲜猪皮进行压痕测试时，六种材质材料产生颜色上的变化日光下无差别。
40.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利申请权利要求的保护范围之中。