多功能摩擦學(xué)實驗裝置研制及人工髖關(guān)節(jié)綜合性能研究.pdf

1、人工關(guān)節(jié)置換術(shù)，特別是髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，已成為治療關(guān)節(jié)嚴(yán)重病變的重要手段，其10年成功率已超過90％，被譽(yù)為20世紀(jì)骨科發(fā)展史中重要里程碑之一。我國已于2002年加入“骨與關(guān)節(jié)十年”行動。大量的調(diào)查表明，隨著醫(yī)學(xué)的發(fā)展，人工關(guān)節(jié)置換技術(shù)的成熟，新材料的涌現(xiàn)，越來越多的骨性關(guān)節(jié)病患者接受了此項治療技術(shù)，它使過去只能依賴拐杖行走，且術(shù)后關(guān)節(jié)功能均恢復(fù)良好，生活質(zhì)量有了明顯改善，使一些晚期關(guān)節(jié)嚴(yán)重破壞的類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎及骨性關(guān)節(jié)炎患者有了希望

2、。 對于人工髖關(guān)節(jié)而言，摩擦磨損問題與關(guān)節(jié)失穩(wěn)成為其發(fā)展的主要問題，兩者的成因相互聯(lián)系，解決失位的主要手段為增加人工髖關(guān)節(jié)的尺寸，即增大股骨球與杯臼的尺寸，但這又會加劇人工關(guān)節(jié)摩擦副磨損，從而產(chǎn)生相互制約的矛盾。目前，國內(nèi)外的產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界在減少人工關(guān)節(jié)摩擦磨損方面做了相當(dāng)多的研究，其中主要集中于新材料的開發(fā)、表面改性、抗磨損鍍膜技術(shù)及仿生滑液的設(shè)計方法等。 本研究中，主要涵蓋了多功能摩擦實驗機(jī)-SHU-MFS的研制；不

3、同尺寸人工髖關(guān)節(jié)股骨球力學(xué)、運動學(xué)及摩擦學(xué)性能研究；人工復(fù)合滑液潤滑機(jī)理研究三個部分工作。 為了能夠盡可能真實模擬人工髖關(guān)節(jié)在植入人體后的摩擦磨損行為，在多功能摩擦實驗機(jī)-SHU-MFS的研制中重點考慮了特殊性與通用性的結(jié)合。通過更換支架，實現(xiàn)髖關(guān)節(jié)摩擦實驗機(jī)與銷盤型實驗機(jī)的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)了兩者的一體化設(shè)計，換而言之，既可以模擬人體步態(tài)行為，進(jìn)行人工髖關(guān)節(jié)體外摩擦磨損實驗，而且也可以完成一般摩擦學(xué)實驗，提供了一種更精確且更經(jīng)濟(jì)的磨損

4、實驗方法。通過機(jī)械學(xué)的分析研究發(fā)現(xiàn)，其運動形態(tài)、模擬步態(tài)，受力曲線均符合對人體髖關(guān)節(jié)的運動重現(xiàn)的要求，進(jìn)一步摩擦學(xué)實驗證明，實驗中杯臼的臨床磨損率大小為0.034 mm/year，結(jié)果接近于近期臨床磨損率，且實驗機(jī)具有較好的重復(fù)性與可靠性。 其次，研究中主要針對人工髖關(guān)節(jié)現(xiàn)階段主要問題，即增大關(guān)節(jié)尺寸與減少關(guān)節(jié)磨損方面進(jìn)行了研究分析。借助于計算機(jī)建模與有限元理論分別對不同直徑大小的人工髖關(guān)節(jié)進(jìn)行了力學(xué)與活動性能評價與分析，同時結(jié)

5、合了相應(yīng)人工髖關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)性能，系統(tǒng)性的評價了UHMWPE-CoCrMo配合的人工髖關(guān)節(jié)合理尺寸范圍。研究發(fā)現(xiàn)，單獨考慮優(yōu)良的力學(xué)特性或活動范圍因素，可以得到股骨頭的理想直徑范圍在36mm-52mm或40mm-48mm之間，綜合考慮三個因素后，推斷得出理想的人工髖關(guān)節(jié)尺寸在38mm-42mm范圍內(nèi)。此外，課題組將基于人工髖關(guān)節(jié)性能綜合研究平臺進(jìn)一步加入潤滑狀態(tài)、人工滑液、新型生物材料等因素進(jìn)行深入研究。 在新型的復(fù)合滑液的摩擦學(xué)

6、性能研究中發(fā)現(xiàn)，復(fù)合滑液能夠有效的潤滑CoCrMo與UHMWPE為摩擦副的人工關(guān)節(jié)，在其潤滑下人工關(guān)節(jié)的磨損量是幾種測試滑液中最低的。通過對滑液膜厚的計算，發(fā)現(xiàn)其膜厚比1<1，故在實驗中并未發(fā)現(xiàn)彈流潤滑狀態(tài)，因而復(fù)合滑液高性能的良好的潤滑性能不能歸于此原因。在同樣潤滑狀態(tài)下，復(fù)合滑液中人工關(guān)節(jié)的磨粒最小且磨損最少，這也證明了其優(yōu)良的潤滑性能。其次，在復(fù)合滑液中的杯臼表面發(fā)現(xiàn)了蛋白質(zhì)自組裝薄膜，改善了人工關(guān)節(jié)摩擦副的工作條件，避免了材料轉(zhuǎn)