人工髖關節(jié)表面改性及摩擦學性能研究.pdf

1、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和鈷鉻鉬合金(CoCrMo)是目前臨床應用廣泛的人工關節(jié)材料。關節(jié)在使用過程中會產生UHMWPE磨屑,可以導致關節(jié)周圍界膜形成和骨吸收,導致無菌松動,同時金屬腐蝕、金屬磨損顆粒以及金屬的撞擊等產生的金屬離子也會在人體內產生一系列化學反應,影響關節(jié)使用壽命。
　　 為了提高UHMWPE耐磨性,減少磨屑產生,本文利用電子回旋共振(ECR)等離子技術對UHMWPE進行表面改性；為了研究CoCrMo材料生

2、物摩擦學特性,本文利用電化學的方法檢測金屬的磨損過程；為了評價關節(jié)頭表面類金剛石(DIC)薄膜改性以及等離子浸沒離子注入(PⅢ)改性對人工關節(jié)耐磨性的影響,本文利用人工關節(jié)模擬試驗機評價其耐磨性。
　　 本文以氬氣和氧氣為處理氣體,利用ECR等離子體技術對UHMWPE進行表面改性,利用傅里葉紅外光譜(FTIR)、X射線光電子能譜(XPS)分析材料表面化學成分和結構；利用納米劃痕實驗分析材料表面力學性能；利用循環(huán)式摩擦磨損實驗評價

3、材料摩擦磨損性能；用SEM觀察劃痕和磨痕形貌,分析磨損機制。
　　 研究結果表明,等離子體處理過程在UHMWPE表面形成了C—O、C=O等含氧官能團,增加了材料表面浸潤性。等離子體處理以后材料表面交聯度提高,材料表面硬度以及剪切強度提高,使樣品抵抗劃擦的能力增強。特別是氧等離子體處理以后,UHMWPE劃痕實驗幾乎沒有破壞試樣表面。等離子體處理后的樣品表現出良好的耐磨性,特別是抵抗磨粒磨損以及疲勞磨損的能力提高。
　　 對

4、CoCrMo合金磨損腐蝕行為的研究中,設定不同的磨損參數(載荷和頻率),通過電化學響應監(jiān)測(開路電位和陽極極化)手段研究材料磨損機制、摩擦和腐蝕相互作用關系以及腐蝕介質中蛋白質的作用機制。研究結果表明:Co合金表面鈍化膜在磨損過程中被磨壞,但是又可以在容易中再次重建；金屬磨損的過程其實是鈍化膜破壞和重建同時進行的過程,當這兩個過程達到動態(tài)平衡以后,開路電位也就穩(wěn)定,穩(wěn)定電位不隨載荷和磨損頻率的改變而變化；極化實驗表明,與靜態(tài)極化實驗相比

5、,磨損可以加速材料的腐蝕作用,使更多的金屬離子釋放到溶液中,小牛血清中的蛋白質可以與溶液中的金屬離子發(fā)生化學反應,形成新的惰性層,有效的阻止金屬離子的釋放；但是由于蛋白質的存在會加速金屬的腐蝕作用,因此金屬擊穿電位降低。
　　 本文以UHMWPE-CoCrMo人工關節(jié)為研究對象,利用磁過濾真空離子鍍(FCVA)方法在CoCrMo關節(jié)頭上制備了DLC薄膜,利用PⅢ方法對CoCrMo關節(jié)頭進行氮離子注入改性。利用人工關節(jié)磨損試驗機評

6、價改性前后人工關節(jié)的耐磨性,計算磨損質量大小,并通過光鏡和掃描電鏡分析磨損形貌。研究結果表明:與未磨損的樣品相比,磨損后UHMWPE關節(jié)臼內表面有明顯的鏡面拋光效果,對光的反射效果更好,并且磨損區(qū)域可以根據磨損形貌的不同分為4個區(qū)域:極地磨損區(qū)、中間磨損區(qū)、邊界磨損區(qū)和未磨損區(qū)；FCVA制備的DLC薄膜有良好的結合力和耐磨性,在關節(jié)頭完成200萬轉的磨損以后,薄膜依然完好無損；注氮層表面由于高能離子的轟擊和注入作用,表面有很多大小顆粒,