人工关节润滑技术与摩擦学测试研究

论文摘要

人工关节置换术,已成为治疗关节疾病的一种重要手段,其借助于人工材料所制成的植入性假体,即人工关节,用以替代病变或损伤的关节。在人工关节的研究和临床随访中发现,其长期可靠性以及功能性方面的问题与其生物摩擦学表现存在密切联系。因此,如何从生物摩擦学角度对人工关节进行有效润滑,以及开发科学的测试技术,对于提高关节置换者的生命质量、提升人工关节性能而言,具有重要的意义。本文主要从两个方面开展对人工关节生物摩擦学的研究。其一,从人工关节润滑技术角度出发,开发了仿生关节滑液(复合滑液),对其生物相容性、润滑性能、电化学性能进行了试验研究;此外,将表面织构技术引入人工关节的润滑中,考察了其对硬相人工关节材料的摩擦学与声学作用。其二,在人工关节生物摩擦学测试方面,分别针对人工关节成品与人工关节材料的摩擦学测试,开发了多功能髋关节模拟试验装置与复合运动销盘试验装置,并进行了相应测试方法研究;此外,研制了人工关节材料摩擦声学测试系统,用以研究硬相人工关节的摩擦异响问题。主要研究内容包括以下几个方面:针对仿生关节滑液(复合滑液),进行生物相容性的测试,证明了其具有良好的生物相容性;通过对UHMWPE与CoCrMo人工关节的磨损试验,发现复合滑液对该类摩擦副的润滑性能优于对比组中的滑液,并能在UHMWPE表面形成蛋白质薄膜润滑;作为治疗性成分的阿伦磷酸钠对UHMWPE磨粒大小有一定积极影响。此外,针对金属人工关节的润滑,试验研究了仿生关节滑液的电化学性能,并考察其对CoCrMo与CoCrMo摩擦副的润滑性,发现CoCrMo材料的摩擦磨损性能主要取决于复合滑液的机械及电化学性能。滑液中透明质酸钠通过其分子结构等因素决定了复合滑液的粘度,对CoCrMo摩擦副界面间的摩擦系数产生了较大的影响;白蛋白能够在CoCrMo摩擦副表面形成蛋白质沉积薄膜,起到减摩保护作用,但是由于电化学反应,会加重CoCrMo材料的腐蚀;阿伦磷酸钠对金属关节具有抗磨、抗腐蚀的积极作用。针对硬相人工关节摩擦异响问题,提出将表面织构应用于人工关节之上,改善其润滑情况。首先,针对表面织构的参数设计建立了弹性流体动力润滑模型,分析比较了织构的径深比、密度以及摩擦副材料、运动参数对润滑状态的影响。之后,在此基础上对硬相人工关节材料表面进行激光织构加工工艺的探索,采用激光填充一次成型加工方式,控制织构间距,改善了热效应区域等加工问题;最后,基于所开发的摩擦声学测试系统,开展了表面织构处理后陶瓷材料的摩擦声学测试,试验证实织构在陶瓷人工关节材料表面能够起到一定的减摩降噪的效果,且摩擦学结果与声学测量结果相吻合,初步证明了表面织构有利于降低了异响的发生率,在人工关节方面具有潜在的应用前景。针对人工关节成品、人工关节材料的摩擦学测试,以及人工关节摩擦声学问题的三方面内容,分别研制了多功能髋关节模拟试验装置、复合运动销盘试验装置、人工关节材料摩擦声学测试系统,并进行了测试方法探索。结果表明:(a)多功能髋关节模拟试验装置的运动形态、模拟步态、受力曲线均符合对人体髋关节的运动重现的要求,所产生的人工关节试验磨损率接近于近期临床结果,满足人工髋关节的成品摩擦学测试的要求,此外,通过部件的转换,能够支持普通的销盘摩擦学试验;(b)所开发的复合运动销盘试验装置为人工关节材料摩擦学测试提供了台架,基于该装置的人工关节材料测试结果比普通销盘试验与临床结果更为接近,该种测试方法满足人工关节材料的前道摩擦学测试要求;(c)人工关节材料摩擦声学测试系统,为人工关节摩擦学与声学研究的交叉研究提供了平台,基于该系统进行了试验初试及方法探索,试验结果证明了该系统及测试方法的可行性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 人工关节生物摩擦学研究概述
• 1.2.1 人工关节的国内外发展状况
• 1.2.2 人工关节的生物摩擦学主要问题
• 1.2.3 人工关节生物摩擦学研究进展
• 1.3 人工关节生物摩擦学测试技术发展状况
• 1.3.1 测试方法及主要问题
• 1.3.2 人工关节模拟试验设备种类及标准
• 1.3.3 髋关节模拟试验机发展状况
• 1.3.4 人工关节材料及润滑液摩擦学测试
• 1.4 关节润滑液发展状况
• 1.4.1 天然关节滑液
• 1.4.2 仿生关节滑液
• 1.5 抗磨表面织构发展状况
• 1.5.1 发展与应用状况
• 1.5.2 人工关节中潜在应用前景
• 1.6 论文研究目的及主要内容
• 1.6.1 研究目的
• 1.6.2 研究内容
• 1.7 课题来源
• 参考文献
• 第二章 仿生关节滑液生物相容性及润滑性能研究
• 2.1 引言
• 2.2 滑液研制与生物相容性
• 2.2.1 滑液成分
• 2.2.2 滑液配制
• 2.2.3 生物相容性测定
• 2.3 滑液润滑性能测定
• 2.3.1 试验材料与方法
• 2.3.2 试验结果
• 2.4 润滑机理分析
• 2.4.1 润滑状态分析
• 2.4.2 滑液成分及薄膜润滑分析
• 2.5 总结
• 参考文献
• 第三章 仿生关节滑液电化学及摩擦学性能研究
• 3.1 引言
• 3.2 正交设计及滑液制备
• 3.2.1 正交试验设计
• 3.2.2 复合滑液正交设计
• 3.2.3 滑液配制
• 3.3 电化学性能测试
• 3.3.1 试验方法与材料
• 3.3.2 试验结果
• 3.4 复合滑液对COCRMO 摩擦副润滑性能测试
• 3.4.1 试验方法与材料
• 3.4.2 试验结果
• 3.5 粘度测试
• 3.5.1 试验方法与材料
• 3.5.2 试验结果
• 3.6 复合滑液对COCRMO 摩擦副润滑性能分析
• 3.7 结论
• 参考文献
• 第四章 人工关节材料摩擦学测试装置开发及测试方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 人工关节材料销盘试验装置开发
• 4.2.1 公理设计简介
• 4.2.2 复合运动销盘试验装置公理设计
• 4.2.3 复合运动销盘试验机模块设计
• 4.3 人工关节材料销盘测试方法对比研究
• 4.3.1 测试方法与材料
• 4.3.2 测试结果
• 4.3.3 评价与讨论
• 4.4 总结
• 参考文献
• 第五章 多功能髋关节模拟试验装置开发及试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 多功能髋关节模拟试验装置总体设计原理与结构
• 5.2.1 设计准则
• 5.2.2 髋关节运动特征及设计方案
• 5.3 人工髋关节模拟试验模块
• 5.4 销盘型模块
• 5.4.1 具体结构设计
• 5.4.2 模块转换原理
• 5.5 力学数据采集系统的集成
• 5.6 多功能髋关节模拟试验装置试验研究
• 5.6.1 参数比较
• 5.6.2 模拟运动分析
• 5.6.3 模拟步态分析
• 5.6.4 使用性能评价
• 5.7 总结
• 参考文献
• 第六章 人工关节材料摩擦声学测试系统
• 6.1 引言
• 6.2 摩擦声学测试原理
• 6.2.1 声学测量简介
• 6.2.2 摩擦声学测试原理介绍
• 6.3 人工关节摩擦声学测试系统研制
• 6.3.1 摩擦声学测试环境建立
• 6.3.2 声学测试
• 6.3.3 人工关节材料摩擦学测试
• 6.4 陶瓷人工关节材料摩擦声学测试研究
• 6.4.1 方法与材料
• 6.4.2 试验结果与讨论
• 6.4.3 结论
• 6.5 总结
• 参考文献
• 第七章 表面织构摩擦声学研究
• 7.1 引言
• 7.2 人工关节表面织构参数设计与数值模拟
• 7.2.1 几何模型
• 7.2.2 计算模型
• 7.2.3 结果与分析
• 7.2.4 结论
• 7.3 人工关节材料表面织构激光加工工艺探索
• 7.3.1 工艺探索
• 7.3.2 陶瓷材料激光表面织构制备
• 7.4 表面织构对陶瓷关节材料的摩擦声学研究
• 7.4.1 材料与方法
• 7.4.2 结果与讨论
• 7.4.3 结论
• 7.5 总结
• 参考文献
• 第八章 全文总结和展望
• 8.1 论文主要结论
• 8.2 论文创新点
• 8.3 工作展望
• 在学期间主要学术成果
• 获奖情况
• 参与学术协会
• 在学期间参与项目
• 致谢