成型针织法扁平足矫形功能鞋垫的设计与研究

薛涛 赵鹏 杨露 马池

摘 要：利用成形针织技术制备扁平足矫形鞋垫基体和高分子合成技术制备鞋垫填充用水凝胶，生产制备出了扁平足矫形用鞋垫。探究了弯纱深度对鞋垫透气性的影响，对比分析了改性高岭土使用量对合成聚n-异丙基丙烯酰胺/高岭土复合水凝胶的溶胀、退溶胀、机械性能的影响。研究表明，成圈段和集圈段的针织参数弯纱深度（度目）设置为80、70时，能够得到较好的织物透气性;高岭土浆液中高岭土与去离子水配比为1∶15时，制备出的聚n-异丙基丙烯酰胺/改性高岭土复合水凝胶能够在60 min达到溶胀平衡，在6 min达到退溶胀平衡且断裂强力能达到8 N左右，具有较好的使用性。

关键词：针织鞋垫;扁平足矫正;水凝胶;n-异丙基丙烯酰胺

中图分类号： TS186.3

文献标志码：A

文章编号：1009-265X（2021）06-0033-06

Design and Research of Orthopedic Insoles for Flatfoot by Full-fashioned Knitting

XUE Tao， ZHAO Peng， Yang Lu， MA Chi

（School of Textile Science and Engineering， Xi′an Polytechnic University， Xi'an， 710048， China）

Abstract： The body of orthopedic insole for flatfoot was developed by full-fashioned knitting and the insole filling hydrogel was prepared by polymer synthesis technology. The impact of the sinking depth on the air permeability of insole was analyzed， and the effects of the dosage of modified kaolin on the swelling， deswelling， mechanical properties of the synthesized poly （n-isopropylacrylamide）/modified-kaolin hydrogel was analyzed by comparison. The results indicate that a better air permeability could be achieved by setting the sinking depths （stitches） of the looping stitch and tucking stitch were set to 80 and 70 respectively. When the proportioning of kaolin slurry was 1：15 for kaolin and deionized water， the prepared poly （n-isopropylacrylamide）/modified-kaolin hydrogel can achieve swelling equilibrium at 60 min， and de-swelling equilibrium at 6 min， with a breaking strength of up to 8 N and good usability.

Key words： knitted insole; flatfoot orthopedics; hydrogel; n-isopropylacrylamide

收稿日期：2020-06-10 网络首发日期：2021-04-15

基金项目：陕西省大学生创新创业项目（S202010709108），陕西省教育厅重点实验室专项（15JS030）

作者简介：薛涛（1979-），男，山东青岛人，副教授，博士，主要从事纺织新材料新工艺方面的研究。

通信作者：赵鹏，E-mail： 1061458492@qq.com

扁平足是一种以足弓下降消失为主要特征的足部疾病，表现为运动疼痛和行走姿态的改变，还伴有跟腱炎、筋膜炎、关节炎、骨刺等并发症[1]，严重者甚至造成运动功能丧失。足弓垫作为非手术介入治疗扁平足的主要手段，通过抬高足弓部分，分配调整足弓受力，能够使扁平足内的伸长肌腱恢复到正常水平。王瑞霞等[2]、Payehdar等[3]通过长期和即时观察对足弓垫等矫形器材治疗扁平足的效果进行了肯定。常规的矫正器材分为鞋内矫正器和足弓垫[4]，加工方法多采用热塑或冲压方式，材料有聚乙烯，聚酯类硬塑料，聚氨酯泡沫或硅胶等[5]。龚宇琨[6]通过冲压的方式制备出了多层复合的扁平足矫形鞋垫。

本文选用毛纱与涤纶交织，通过成形针织方式加工出了扁平足矫正鞋垫，同时合成聚n-异丙基丙烯酰胺/改性高岭土复合水凝胶作为填充材料，能够为扁平足矫形产品的开发提供另一种参考。

1 实 验

1.1 主要实验设备与材料

龙星电脑横机（LXC-2528SCV（7G），江苏金龙科技股份有限公司）;羊毛纱、涤纶长丝（10根合股，每根20 tex ，实验室自备）;n-异丙基丙烯酰胺（纯度98%，海阿拉丁生化科技股份有限公司）。

1.2 基体及填充物的设计

1.2.1 鞋垫基体的设计

考虑到扁平足的足弓下降，足跟内翻情况，结合扁平足的足印法判定标准可知，扁平足的嚴重程度与足弓消失的程度相关[7-9]，因此，应在鞋垫的足弓处填充衬料。结合鞋垫的厚度和支撑力要求，同时要保留针织物本身就具有的舒适透气性能，选择采用双面组织，形成夹层结构，具体编织图如图1所示，采用集圈行不编织的方式形成足弓处的填充空腔。

参照GB/T 3293.1-1998《鞋号》标准中规定的265/90鞋码进行鞋垫尺寸拓样，鞋垫适合足长265mm、宽90mm，按照扁平足生理特征将原本弯曲的鞋垫内侧线修正为直线HF，足弓投影曲线由正常足底垂直投影为准，各处具体尺寸如图2所示。

在计算针织工艺之前，先进行试片[10]。通过测量得知试片的密度参数为横密：50针/12.76cm=3.92针/cm，纵密：100针/17.33cm=5.77针/cm。

按照此织密和矫形鞋垫各处尺寸，计算矫形鞋垫整体的织造工艺，由于足是对称的，单独计算右（左）脚的即可。如图3所示，将鞋垫的尺寸曲线分为内侧边、外侧边、足弓线3条，按照从后向前织造的顺序，其针织工艺分别如下：

内侧线工艺：从后向前

度目代表了弯纱深度，表示织针在钩入纱线后收针的收针深度，一定程度上表示形成的线圈长度，受制于机械加工和电器控制技术，不同品牌的单位度目表示的数值不尽相同，本产品使用的机型是江苏金龙科技股份有限公司生产的龙星电脑横机，型号为LXC-2528SCV（7G）。为了探究成圈和集圈时度目对织物的影响，按照表1所示工艺要求设置好机器参数，按照针织工艺进行织造。织造完成后按照如下针织物水洗工艺进行后整理：柔软剂5%（owf），平滑剂5%（owf），浴比为1∶30（浸没织物）常温浸泡20 min，清水漂洗烘干，烘干后熨烫平整，熨烫温度为150℃，成品如图4所示。

1.2.2 填充用聚（n-异丙基丙烯酰胺/改性高岭土）复合水凝胶的制备

分别称取15、20、25、30 g高岭土置于烧杯中，加入去离子水300 mL后再加入3.66 g无水LiCl，调节pH值为5，电磁搅拌5 min，温度60℃，超声震荡80 min，之后1100 r/min剪切乳化60 min，溶液沉淀2 h，取10 g上清液作为1#，2#，3#，4#样品;取1 g纳米硅酸镁锂防沉剂laponite XGL，配成质量分数为5%的溶胶液体[11]，取10 g该液体作为对比样5#;称取高岭土15 g，加入去离子水300 mL并搅拌5 min后沉淀2 h，取上清液作为对比样6#。

在以上1#-6#样中分别添加1 g的n-异丙基丙烯酰胺单体和0.02 g过硫酸铵，震荡溶解后，加入0.07 g四甲基乙二胺引发剂，轻微震荡后静置陈化8 h，将制成的n-異丙基丙烯酰胺/改性高岭土水凝胶带容器置于45℃热水中5 min，待水凝胶完全退溶胀后取出，在去离子水中使用溶胀-退溶胀的方式洗涤2～3次，擦干并在模具中压制3 min进行定型，模具的尺寸长×宽×厚为35mm×5mm×2mm， 压制定型后的水凝胶如图5所示。

1.2.3 矫形鞋垫的制备

制备聚n-异丙基丙烯酰胺/改性高岭土复合水凝胶的胶坯。按照扁平足患者的需求程度，进行裁剪修形，使得填充的水凝胶体对扁平足弓形成支撑，将其填充到鞋垫相应位置，采用盘缝的方法，将开口封住，成品如图6所示。

1.3 矫形鞋垫的表征

1.3.1 弯纱深度（度目）对矫形鞋垫透气性的测试

应用YG461Z型织物透气性能测试仪测矫形鞋垫基体的透气性，原理为通过测试恒定压差下，织物两侧的气体流速，评定织物透气性，流速高则透气性好，反之则差。实验设定压差为100Pa，分别测定1#，2#，3#样品前足，足弓和后跟3处的透气性，每处测3次取平均值。

1.3.2 复合水凝胶的表面形态表征

应用美国FEI公司的Quanta-450-FEG+X-MAX50型场发射扫描电镜对制备的水凝胶样品进行观察。样品制备先用液氮将水凝胶进行急冻20 s，取出水凝胶后使用刀片刮擦水凝胶表面，将碎屑制样观察。

1.3.3 水凝胶的吸水率

将每个试样的水凝胶切成3块，置于45℃热水中充分退溶胀12 h，之后在室温去离子水中溶胀，每隔一段时间取出后擦干表面水分称重，直到前后两次称重差距小于3%为止，按照式（1）计算水凝胶的吸水率。

式中：WU表示水凝胶的吸水率，%;mt为经过时间t后水凝胶质量，g;md为完全干燥水凝胶的质量，g;m∞为一定温度下达到溶胀平衡后的水凝胶质量，g。

1.3.4 水凝胶的保水率

将吸水平衡的每个水凝胶样品切成3块，将水温调节至45℃，放入已经吸水平衡的3块水凝胶，每隔一定时间取出水凝胶，擦干表面并称重，直至前后两次重量变化范围在3%以内，按照式（2）计算45℃时水凝胶退溶胀速度。

式中： WR表示水凝胶的保水率，%;mt为经过时间t后水凝胶质量，g;md为完全干燥水凝胶的质量，g;m∞为一定温度下达到溶胀平衡后的水凝胶质量，g。

1.3.5 水凝胶机械性能测试

应用南通宏大实验仪器有限公司HD026D型多功能电子织物强力仪拉伸已定型的水凝胶，设置夹头间距25mm，拉伸速度100mm/min，预加张力1 N对水凝胶试样进行拉伸，拉伸结果以曲线形式记录。

2 结果与分析

2.1 弯纱深度（度目）对矫形鞋垫基体透气性的影响

测试不同度目下织物透气性能的结果如表2。

通过分析单个样品不同位置的透气率，可以发现透气率T足中>T前足>T足跟，可能是因为足中的位置按照扁平足矫形需要，留有空腔，而编织是由足跟向足尖方向，由于足中部分带有空腔，因而在编织足中部到前足的过程中，牵伸罗拉的握持面积减少，握持力相对较小，织针在编织前掌成圈下降的时候，能够下降到位，成圈较大，因而透气性强于足跟部分。

通过对比1#，2#样可以发现，集圈段度目增大，织物透气性下降，这是由于集圈时弯纱深度越大，织针上钩的纱线越多，织物内层纱线越多，气流越难以通过;对比3#和1#，2#可以发现，当集圈段度目减小，成圈段度目加大的时候，织物表面变得稀疏，内层纱线减少，织物的透气性得到提高。通过以上测试分析，选择织物成圈和集圈段的度目分别为80、70。

2.2 复合水凝胶的表面性貌

聚n-异丙基丙烯酰胺/改性高岭土复合水凝胶的扫描电镜结果如图7所示，从图7中可以看到水凝胶表面崎岖不平，有许多纵向的沟壑和横向的波纹，同时有偶尔的裂纹。

纵向沟壑可能是由于在制样时刮擦造成的，由于水凝胶脱水后会发生收缩，所以表面会形成沟纹，崎岖不平，又由于水凝胶在刮擦的时候，使表面部分地方发生堆积弯曲，当超过水凝胶表面的弯曲强度则发生破裂。

2.3 测试水凝胶的吸水率和溶胀率分析

水凝胶的吸水率测试结果如图8（a）所示。从图8（a）中可以看出，采用改性高岭土作为交联剂的复合水凝胶1#-4#样品会随着所用高岭土含量的增加，其吸水率和速度将低，需要较长时间才能达到溶胀平衡，而使用防沉剂Laponite XGL制备的5#样品，其吸水速度高，在较短的时间内即可达到溶胀平衡，使用高岭土沉淀上清液作为交联剂的6#样品，表现出较好的吸水率。

这可能是因为试样1#-4#样品中随着高岭土的相对含量增多，n-异丙基丙烯酰胺相对含量减少，同时由于改性的高岭土表面积增大，活性点位增多，与n-异丙基丙烯酰胺的结合增多，从而使水凝胶大分子的吸水相变受到较多牵制，使水分和n-异丙基丙烯酰胺结合变得困难。而Laponite XGL作为一种防沉剂，粒徑和分散效果好，且硅酸镁锂Laponite XGL具有比高岭土更好的亲水性，在水凝胶复合体中能够和n-异丙基丙烯酰胺发挥协同吸水的效果。使用未改性高岭土上清液制备的水凝胶吸水率高且速度快，可能是未经改性的高岭土稳定性差，在去离子水中短期内就发生沉淀，因此在合成的水凝胶内部很少有高岭土的存在。

水凝胶的保水率测试结果如图8（b）所示。可以看出1#-4#样品的放水速度较慢，5#和6#样的放水速率较快，而且放水速度明显超过水凝胶的溶胀平衡速度。这可能是因为交联剂Laponite XGL和聚n-异丙基丙烯酰胺水凝胶的交联效果更好，吸排水的速率趋于一致，从而表现出来的效果好过改性高岭土;6#样品可能是因为含有较少高岭土的缘故，未改性高岭土经过搅拌后发生沉淀，只有微量的本征纳米级高岭土参与形成复合水凝胶，对于聚n-异丙基丙烯酰胺本征保水率几乎不产生影响，从而6#试样的温度响应性很好，能够快速排掉水分。

2.4 水凝胶机械性能测试

由于6#试样结构松散柔软，无法进行拉伸测试，1#-5#试样的拉伸性能测试如图9所示。从图9中可以看到，最高拉伸强力T2#>T1#>T5#>T3#>T4#，其中1#-4#样品在拉伸过程中拉伸平台较为明显，5#样品拉伸到最大强度后很快屈服断裂，断裂强力较低;通过计算拉伸过程中应力和应变的积分面积，可得出来W2#>W1#> W4#>W3#>W5#。可见，使用改性高岭土上清液制备出的聚n-异丙基丙烯酰胺/改性高岭土复合水凝胶，水凝胶的机械性能得到了很大的提高，提高效果大大优于常规使用的硅酸镁锂等蒙脱土类添加剂。

在以改性高岭土作为交联剂的1#-4#试样的拉伸过程中，拉伸强力随着使用改性高岭土量的增多而出现先增后减的情况，这可能和高岭土在复合水凝胶材料中含量有关，改性的高岭土以高表面积和高表面活性在复合水凝胶中发挥交联的作用，但是随着含量的增多，高岭土团聚的可能增多，复合水凝胶中出现不均质化，在拉伸的过程中容易造成应力集中，从而使断裂强力无法提高。

3 结 论

通过探究弯纱深度对制备出的扁平足矫形用鞋垫透气性的影响，并对比分析改性高岭土使用量对合成聚n-异丙基丙烯酰胺/高岭土复合水凝胶的溶胀、退溶胀、机械性能的影响，得出如下主要研究结果：

a）当针织扁平足矫形鞋垫成圈段和集圈段的弯纱深度（度目）参数为80、70时，矫形鞋垫能够达到较好的透气性。

b）当按照高岭土和去离子水1∶15的比例，改性高岭土的分布能够达到最佳效果，制成的聚n-异丙基丙烯酰胺/改性高岭土复合水凝胶能够得到较好的溶胀和机械性能。

通过针织的方法生产的扁平足矫形鞋垫具有透气性好，吸湿性强，柔软舒适的优点，填充的复合水凝胶能够起到很好的力学支撑作用，能够为今后扁平足的矫形治疗提供更多的参考。

参考文献：

[1]林永辉，武继祥. 浅谈扁平足的成因及60例定制足弓垫治疗扁平足的疗效观察[C]//中国康复医学会康复治疗专业委员会康复辅助器具学组成立暨全国康复辅助器具学术研讨会论文集.重庆：中国康复医学会，2011：93-96.

[2]王瑞霞，宋清涛. 足弓垫治疗扁平足106例疗效观察[J].中国矫形外科杂志， 2003，11（17）：1212-1213.

[3]PAYEHDAR S， SAEEDI H， AHMAOI A， et al.Comparing the immediate effects of UCBL and modified foot orthoses on postural sway in people with flexible flatfoot[J]. Prosthetics and Orthotics International，2016，40（1）：117-122.

[4]HALABCHI F， MAZAHERI R， MIRSHAHI M，et al. Pediatric flexible flatfoot， clinical aspects and algorithmic approach[J]. Iranian Journal of Pediatrics， 2013， 23（3）：247-260.

[5]HARDT J. Insole with rebounding and cushioning areas and adjustable arch support： US6598319[P].2003-07-29.

[6]龚宇琨. 大学生扁平足脚型研究及矫正鞋垫的研制[D].西安：陕西科技大学，2012：5-7.

[7]何凯，王愉思，刘宏.关于扁平足测量方法及评估指标的研究与进展[J].世界最新医学信息文摘，2014，14（7）：58-59.

[8]王玉霞，李洪清.天津市13～16岁中学生扁平足患病情况调查[J].中国儿童保健杂志，2010，18（11）：915-916，918.

[9]回俊岭，陈树君，夏凤歧，等.扁平足X线片测量法与比值法、三线法的比较[J].解剖学杂志，2007，30（2）：232-234.

[10]宋广礼. 成形针织产品设计与生产[M].北京： 中国纺织出版社， 2006.

[11]刘洋. 粘土/聚合物纳米复合水凝胶的合成及结构性能表征[D].上海：东华大学，2007.