论文摘要
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）和钴铬钼合金（CoCrMo）是目前临床应用广泛的人工关节材料。关节在使用过程中会产生UHMWPE磨屑,可以导致关节周围界膜形成和骨吸收,导致无菌松动,同时金属腐蚀、金属磨损颗粒以及金属的撞击等产生的金属离子也会在人体内产生一系列化学反应,影响关节使用寿命。为了提高UHMWPE耐磨性,减少磨屑产生,本文利用电子回旋共振（ECR）等离子技术对UHMWPE进行表面改性；为了研究CoCrMo材料生物摩擦学特性,本文利用电化学的方法检测金属的磨损过程；为了评价关节头表面类金刚石（DLC）薄膜改性以及等离子浸没离子注入（PⅢ）改性对人工关节耐磨性的影响,本文利用人工关节模拟试验机评价其耐磨性。本文以氩气和氧气为处理气体,利用ECR等离子体技术对UHMWPE进行表面改性,利用傅里叶红外光谱（FTIR）、X射线光电子能谱（XPS）分析材料表面化学成分和结构；利用纳米划痕实验分析材料表面力学性能；利用循环式摩擦磨损实验评价材料摩擦磨损性能；用SEM观察划痕和磨痕形貌,分析磨损机制。研究结果表明,等离子体处理过程在UHMWPE表面形成了C-O、C=O等含氧官能团,增加了材料表面浸润性。等离子体处理以后材料表面交联度提高,材料表面硬度以及剪切强度提高,使样品抵抗划擦的能力增强。特别是氧等离子体处理以后,UHMWPE划痕实验几乎没有破坏试样表面。等离子体处理后的样品表现出良好的耐磨性,特别是抵抗磨粒磨损以及疲劳磨损的能力提高。对CoCrMo合金磨损腐蚀行为的研究中,设定不同的磨损参数（载荷和频率）,通过电化学响应监测（开路电位和阳极极化）手段研究材料磨损机制、摩擦和腐蚀相互作用关系以及腐蚀介质中蛋白质的作用机制。研究结果表明：Co合金表面钝化膜在磨损过程中被磨坏,但是又可以在容易中再次重建；金属磨损的过程其实是钝化膜破坏和重建同时进行的过程,当这两个过程达到动态平衡以后,开路电位也就稳定,稳定电位不随载荷和磨损频率的改变而变化；极化实验表明,与静态极化实验相比,磨损可以加速材料的腐蚀作用,使更多的金属离子释放到溶液中,小牛血清中的蛋白质可以与溶液中的金属离子发生化学反应,形成新的惰性层,有效的阻止金属离子的释放；但是由于蛋白质的存在会加速金属的腐蚀作用,因此金属击穿电位降低。本文以UHMWPE-CoCrMo人工关节为研究对象,利用磁过滤真空离子镀（FCVA）方法在CoCrMo关节头上制备了DLC薄膜,利用PⅢ方法对CoCrMo关节头进行氮离子注入改性。利用人工关节磨损试验机评价改性前后人工关节的耐磨性,计算磨损质量大小,并通过光镜和扫描电镜分析磨损形貌。研究结果表明：与未磨损的样品相比,磨损后UHMWPE关节臼内表面有明显的镜面抛光效果,对光的反射效果更好,并且磨损区域可以根据磨损形貌的不同分为4个区域：极地磨损区、中间磨损区、边界磨损区和未磨损区；FCVA制备的DLC薄膜有良好的结合力和耐磨性,在关节头完成200万转的磨损以后,薄膜依然完好无损；注氮层表面由于高能离子的轰击和注入作用,表面有很多大小颗粒,磨损以后,很多颗粒被磨损掉,表面变得平滑；由关节臼质量磨损结果可知,DLC改性和氮离子注入改性都未能有效提高关节耐磨性,反而使UHMWPE关节臼磨损量增加,改性层硬度的增加是关节磨损量增加的重要原因。
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标签：人工关节论文; 电子回旋共振等离子体改性论文; 磨损腐蚀论文; 髋关节模拟试验机论文; 耐磨性论文;