多功能摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)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(guò)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(guó)已于2002年加入“骨與關(guān)節(jié)十年”行動(dòng)。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(lái)越多的骨性關(guān)節(jié)病患者接受了此項(xiàng)治療技術(shù)，它使過(guò)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(duì)于人工髖關(guān)節(jié)而言，摩擦磨損問(wèn)題與關(guān)節(jié)失穩(wěn)成為其發(fā)展的主要問(wèn)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(huì)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(guó)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(kāi)發(fā)、表面改性、抗磨損鍍膜技術(shù)及仿生滑液的設(shè)計(jì)方法等。 本研究中，主要涵蓋了多功能摩擦實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)學(xué)及摩擦學(xué)性能研究；人工復(fù)合滑液潤(rùn)滑機(jī)理研究三個(gè)部分工作。 為了能夠盡可能真實(shí)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(shí)驗(yàn)機(jī)-SHU-MFS的研制中重點(diǎn)考慮了特殊性與通用性的結(jié)合。通過(guò)更換支架，實(shí)現(xiàn)髖關(guān)節(jié)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)與銷盤型實(shí)驗(yàn)機(jī)的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了兩者的一體化設(shè)計(jì)，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(shí)驗(yàn)，而且也可以完成一般摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)，提供了一種更精確且更經(jīng)濟(jì)的磨損

4、實(shí)驗(yàn)方法。通過(guò)機(jī)械學(xué)的分析研究發(fā)現(xiàn)，其運(yùn)動(dòng)形態(tài)、模擬步態(tài)，受力曲線均符合對(duì)人體髖關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)重現(xiàn)的要求，進(jìn)一步摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)機(jī)具有較好的重復(fù)性與可靠性。 其次，研究中主要針對(duì)人工髖關(guān)節(jié)現(xiàn)階段主要問(wèn)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(jì)算機(jī)建模與有限元理論分別對(duì)不同直徑大小的人工髖關(guān)節(jié)進(jìn)行了力學(xué)與活動(dòng)性能評(píng)價(jià)與分析，同時(shí)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(píng)價(jià)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(dú)考慮優(yōu)良的力學(xué)特性或活動(dòng)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(gè)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(tái)進(jìn)一步加入潤(rùn)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(rùn)滑CoCrMo與UHMWPE為摩擦副的人工關(guān)節(jié)，在其潤(rùn)滑下人工關(guān)節(jié)的磨損量是幾種測(cè)試滑液中最低的。通過(guò)對(duì)滑液膜厚的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)其膜厚比1<1，故在實(shí)驗(yàn)中并未發(fā)現(xiàn)彈流潤(rùn)滑狀態(tài)，因而復(fù)合滑液高性能的良好的潤(rùn)滑性能不能歸于此原因。在同樣潤(rùn)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(rùn)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)