论文摘要
人工关节一个主要的失效方式是植入人体后产生了无菌性松动,该失效方式与人工关节产生的磨屑形态及人体对磨屑产生的生物反应有很大关系。本文利用全髋关节模拟试验机对常用的人工关节材料进行了性能测试,制备并提取了人工关节磨屑,对人工关节磨屑的生成过程、存在状态及生物反应等进行了系统性研究。目的是发现磨屑在人体内产生的规律和影响,从而为人工关节材料的改良和发展,人工关节模拟试验设备的研制提供更多的实验和理论依据。本文对CoCrMo-UHMWPE和Ti6Al4V-UHMWPE摩擦副进行了摩擦磨损试验,试验结果表明,中国矿业大学摩擦学及可靠性工程研究所开发的全髋关节模拟试验机Ⅱ型是更加符合人体实际情况的新一代人工关节试验机。研究了UHMWPE人工关节磨屑、钛合金人工关节磨屑及人体病变骨关节磨屑形态,并分析了磨屑形态与人工关节材料、磨损机理、磨损状态之间的对应关系。通过对人工关节磨屑的厚度分布规律的研究,建立了磨屑初级厚度和次级厚度数学模型,提出了磨屑厚度的不变性原理和磨屑特征粒度的概念。通过对磨屑分布及团聚的研究,得到了人工关节磨屑的粒度分布和团聚的规律,探知和描述了磨屑群体存在的重要形式,并发现纳米级磨屑的团聚过程存在双峰分布现象,在分散剂中团聚依然存在软团聚和硬团聚两种团聚形式。基于磨屑破碎过程和尺寸分布的统计自相似性,根据颗粒破碎后质量守恒定律,建立了磨屑破碎过程的多重分形模型,并利用多重分形模型对人工关磨屑和人体关节磨屑的分布及破碎过程进行了表征,并以数论和矩阵2种方式对模拟过程进行了论述。建立了两种新的磨屑轮廓表征方法——雷达图分形表征和鱼骨图分形表征方法,并以雷达图分形表征方法为例,论述了该方法的对磨屑轮廓表征的惟一性和相对于其它轮廓分形表征方法的优越性,论述了雷达图分形表征方法计算机编程自动实现过程。对超高分子量聚乙烯磨屑进行了生物体外成骨细胞反应试验和体内反应试验,设计了磨屑生物反应的细胞培养瓶。研究表明,超高分子量聚乙烯磨屑具有抑制成骨细胞的增殖的作用,并可以刺激巨噬细胞增生并释放多种炎症介质,诱导破骨细胞形成和增生增生,引起邻近骨质吸收和骨重建紊乱,使关节产生无菌性松动。
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致谢摘要Abstract1 绪论1.1 概述1.2 国内外研究现状1.2.1 人工关节材料的生物摩擦学要求1.2.2 人工关节材料研究现状1.2.3 人工髋关节金属柄材料1.2.4 人工关节磨屑的研究现状1.2.5 人工关节“磨屑病”的研究现状1.2.6 人工关节润滑研究1.2.7 人工关节的磨损试验设备1.3 本文研究目的1.4 本文研究内容1.4.1 人工关节磨屑的物理和组织形态学特征1.4.2 磨屑的尺寸分布特性1.4.3 磨屑的生物反应研究2 人工关节磨屑制备2.1 磨损试验装置2.1.1 全髋关节模拟试验机Ⅰ型2.1.2 全髋关节模拟试验机Ⅱ型2.2 试样制备2.2.1 CoCrMo 合金髋关节头2.2.2 钛合金髋关节头2.2.3 超高分子量聚乙烯髋关节臼2.3 磨损试验条件2.4 摩擦磨损试验结果2.4.1 CoCrMo-UHMWPE 摩擦副磨损性能2.4.2 Ti6Al4V-UHMWPE摩擦副磨损性能2.5 磨屑分离步骤2.5.1 人工关节UHMWPE 磨屑分离步骤2.5.2 人体关节磨屑分离步骤2.5.3 人工关节Ti 合金磨屑分离步骤3 人工关节磨屑形态研究3.1 磨屑粒度分布3.1.1 CoCrMo-UHMWPE 配副（全髋关节模拟试验机Ⅰ型）3.1.2 CoCrMo-UHMWPE 配副（全髋关节模拟试验机Ⅱ型）3.1.3 Ti6Al4V-UHMWPE 配副（全髋关节模拟试验机Ⅱ型）3.1.4 Ti6Al4V（渗碳）-UHMWPE 配副（全髋关节模拟试验机Ⅱ型）3.2 磨屑轮廓特征3.2.1 UHMWPE 磨屑轮廓形貌特征3.2.2 钛合金磨屑3.2.3 人工关节臼表面残留磨屑3.3 磨屑三维形貌及厚度特征3.4 磨屑形成过程3.5 本章结论4 人体骨关节磨屑形态研究4.1 人体病变关节磨屑的形态4.1.1 人体病变关节磨屑的提取4.1.2 人体病变关节磨屑的粒度分布4.1.3 人体病变关节磨屑的轮廓特征4.1.4 人体病变关节磨屑三维形貌及厚度4.2 人体植入人工关节磨屑的形态4.3 人体病变关节磨屑与人工关节磨屑的对比4.3.1 磨屑粒度分布4.3.2 轮廓特征4.3.3 厚度特征4.4 本章结论5 磨屑破碎过程多重分形模拟及表征5.1 多重分形理论5.2 磨屑破碎过程的数论表征5.3 磨屑破碎过程的矩阵表征5.4 多重分形实验结果的影响因素5.4.1 滑动速度5.4.2 接触载荷5.4.3 润滑条件5.5 关节磨屑的多重分形表征5.6 本章结论6 人工关节磨屑形态的分形识别方法6.1 现有磨屑轮廓分形识别方法的缺陷6.2 磨屑轮廓的雷达图表征6.2.1 人工关节磨屑的雷达图分形表征结果6.2.2 雷达图分形表征的影响因素6.2.3 磨屑的雷达图表征与其它分形表征对比6.2.4 磨屑的雷达图分形表征的分形维数惟一性6.3 磨屑轮廓的鱼骨图表征6.3.1 人工关节磨屑的鱼骨图分形表征结果6.3.2 鱼骨图分形表征的平方根法6.3.3 鱼骨分形维数的影响因素6.3.4 磨屑的鱼骨图表征与其它分形表征对比6.4 磨屑轮廓雷达图分形表征的计算机实现6.4.1 磨屑图像采集6.4.2 图像中磨屑轮廓和背景的分离6.4.3 雷达图的绘制和分形维数计算6.4.4 多个磨屑轮廓分形维数统计分布计算6.4.5 计算机计算结果与人工计算结果对比6.5 人工关节磨屑和人体关节磨屑分形识别及统计分析6.5.1 雷达图分形表征结果与统计分析6.5.2 鱼骨图分形表征结果与统计分析6.6 本章结论7 人工关节磨屑团聚行为表征7.1 实验方法7.2 磨屑团聚的尺度效应及其分形表征7.2.1 团聚时间对磨屑分布的影响7.2.2 团聚粒径的分形表征7.2.3 比表面积的分形特征7.2.4 磨屑团聚速率的分形表征7.3 纳米磨屑团聚双峰分布机理研究7.3.1 纳米磨屑的分布曲线7.3.2 团聚机理7.3.3 团聚模型7.4 本章结论8 人工关节磨屑厚度预测8.1 超高分子量聚乙烯磨屑厚度与正压力关系研究8.1.1 试验条件8.1.2 摩擦因数8.1.3 磨屑厚度形貌测试8.1.4 磨屑厚度与正压力之间的关系8.1.5 磨屑厚度分布规律的力学分析及数学模型8.1.6 最大厚度与正压力之间的关系8.2 润滑条件对磨屑厚度的影响8.3 材料对磨屑厚度的影响8.4 材料表面粗糙度对磨屑厚度的影响8.5 非匀质体的磨屑厚度8.6 磨屑厚度与相对滑动速度之间的关系8.7 磨屑厚度与摩擦因数之间的关系8.8 磨屑厚度与磨损量之间的关系8.9 磨损状态与磨屑厚度之间的关系8.10 磨屑厚度的不变性原理与特征粒度8.11 磨屑厚度预测对人工关节研究的意义8.12 本章结论9 UHMWPE 磨屑生物反应研究9.1 磨屑的生物反应实验方案9.1.1 人工关节磨屑的制备9.1.2 磨屑生物反应体外试验9.1.3 磨屑的生物反应动物实验9.2 试验结果9.2.1 磨屑生物反应体外试验结果9.2.2 磨屑生物反应的动物实验9.3 生物细胞因子对UHMWPE磨屑的反应机制9.4 UHMWPE 磨屑形态对其生物反应的影响9.5 本章结论10 结论参考文献作者简历学位论文数据集
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