论文摘要
人体的骨内种植体是常见的内固定装置，在人体功能性活动过程中力将通过种植体传递至骨—种植体界面最终传递到骨组织。不管是关节置换、骨折固定还是种植义齿受到的都是反复加载、交替变化的力，这样的力引起紧密配合的界面发生微动。微动会损伤相对薄弱的皮质骨，产生骨质磨损和微裂纹，破坏界面的密合性，导致种植体松动失效。由于皮质骨对种植体的稳定性起了主要作用，而且经过力学分析发现种植体与皮质骨之间力的作用方式是以径向力为主的复合力形式，因此本实验建立了骨与种植体径向微动接触模型，研究皮质骨—种植体界面径向微动损伤的行为特点。实验使用新鲜的人股骨皮质骨与常用种植体材料纯钛球(直径10mm和40mm)在微动实验机上进行球面接触实验。两对摩擦副在12mm／min加载频率下分别加载最大法向载荷100N、200N、300N，在10mm钛球上单独加载400N，最小载荷10N以便保持界面始终接触而不发生冲击效应，循环1～105次，即时打印径向微动曲线。用光学显微镜、激光共聚焦显微镜和扫描电镜观察不同载荷下皮质骨表面的磨斑形貌；用扫描电镜、投射显微镜观察断面情况。对磨斑表面进行X衍射实验和能谱分析检测皮质骨受压后晶格的变化以及是否存在对磨件上钛元素的转移。实验结果发现：股骨皮质骨发生了径向微动损伤，损伤以表面骨质磨损和产生微裂纹为主。随着载荷的增加损伤加重，相同载荷下小球的损伤比大球严重。从微动曲线可以看出小载荷下皮质骨发生的是弹性形变；中等载荷下皮质骨发生弹塑性形变；高载荷下皮质骨早期发生塑性形变后期进入弹塑性形变范围。在磨斑的形貌图中，大钛球在三种载荷下只有较轻微的损伤。小钛球在中、高载荷时出现了明显的环状滑移区，磨斑中心区域以磨损和剥脱为主，加载至300N时在接触边缘区出现裂纹，推测该载荷是裂纹生成的阈值。在对裂纹的表面及纵向观察的实验中发现裂纹在骨表面主要有四种生长方式，以沿粘合线生成最常见；裂纹从皮质骨表面向深层扩展的主要部位在接触边缘区；哈佛中央骨管既是应力分散通道也是裂纹易生区，可以改变裂纹的扩展方向。在X衍射实验和能谱分析实验中发现皮质骨在径向微动中的损伤属于单纯晶格破坏的物理变化，磨斑表面未检测到对磨件上钛元素的转移。综上所述，径向微动损伤是皮质骨产生磨损及裂纹的重要方式，实验选取的载荷以及推断的裂纹临界载荷可以作为降低种植体界面应力的力学基础，同时论文提出的种植体表面同种材料的涂层方法等为避免骨—种植体发生微动磨损伤提供了新的思路。