模拟人体环境中NiTi SMA/人骨微动磨损、微动腐蚀研究

摘要

微动腐蚀是金属植入件的主要损伤形式之一，接骨板与骨螺钉的接触区、关节柄与骨水泥接触处、关节柄与关节头之间，都是微动腐蚀易发生的区域。国内外的研究多集中在力学参数(如振幅等)对金属生物材料之间微动磨损和腐蚀的影响上，而环境参数(如模拟人体环境，术后一定时间内人体伤口局部体液酸碱性变化)对NiTi形状记忆合金/其它材料微动腐蚀造成材料损失各组成因素间交互作用的研究却鲜有报道。 本文在Optimol SRV型摩擦磨损实验机上，采用圆柱/平面(人骨/NiTi合金)接触的摩擦副形式，在不同循环次数、不同振幅和介质条件下，对医用NiTi形状记忆合金进行了微动摩擦磨损试验。借助表面轮廓仪、光学显微镜、扫描电子显微镜等分析仪器，应用微动磨损，在模拟人体环境中的腐蚀和微动腐蚀之间交互作用的理论，系统研究了NiTi形状记忆合金在模拟人体环境下的微动腐蚀特性。旨在为金属生物材料选用与研制，以及临床医学提供理论依据。 本文研究取得的主要结论如下： 振幅、介质、循环次数对NiTi形状记忆合金/人骨配磨时合金的摩擦系数、磨痕深度、磨损体积等有明显的影响。随着振幅的增加，在空气介质中摩擦系数呈逐渐上升趋势，试样的磨痕深度和磨损体积逐渐变大最终趋于恒定。与空气介质相比，在模拟人体环境中(Hank’s人工体液，环境温度37±0.5℃)摩擦系数变化趋势为：中性Hank’s溶液中减小，而弱酸性、弱碱性Hank’s溶液中明显增大。随着循环次数的增加，合金的磨损愈来愈严重。 NiTi形状记忆合金/人骨在空气介质中的微动磨损形式主要表现为粘着磨损和磨粒磨损。该合金微动磨损过程可分为3个阶段：即初始阶段、氧化阶段和稳态阶段。在空气介质中，随振幅的增加，磨损区的中心区扩大，边缘区缩小，粘着与磨粒磨损趋于严重，从而使磨损加剧。不同pH值Hank’s溶液中NiTi形状记忆合金试样的表面粗糙度对合金腐蚀期的腐蚀速率有较大的影响。在腐蚀初期，表面粗糙度的大小与合金腐蚀速率之间有较复杂的关系；当溶液中Ni离子的释放速率(即合金的腐蚀速率)达到稳态时，试样表面粗糙度与合金的腐蚀速率关系不明显，基本保持恒定。同样，在腐蚀初期，Hank’s溶液的pH值与NiTi形状记忆金腐蚀速率二者之间的影响关系很复杂；但稳态时合金的腐蚀速率与Hank’s溶液pH值的关系不大。NiTi形状记忆合金在不同pH值Hank’s溶液中Ni离子的释放主要是由于该合金点(局部)腐蚀破坏弓起的。 NiTi形状记忆合金/人骨在Hank’s溶液中的微动腐蚀形式是以微动磨损为主、纯化学腐蚀以及微动磨损与化学腐蚀交互作用三者共同引起的结果。微动磨损加速了合金在溶液中的腐蚀，增大了Ni离子的释放量；化学腐蚀与微动磨损的交互作用加速合金/人骨的微动磨损和合金在溶液中化学腐蚀，减弱了合金的耐腐蚀和耐磨损能力。 NiTi形状记忆合金/人骨微动摩擦产生的磨屑不易从摩擦面之间排除而不断参与后续的微动过程，并对摩擦系数、材料的磨损体积等起着重要的调节作用。介质的存在会对磨屑的产生、演变、消失既有促进的一面又有抑制的一面，其竞争结果视具体工况而定。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1微动摩擦学

1.1.1微动分类

1.1.2微动磨损

1.1.3微动腐蚀

1.2 NiTi形状记忆合金

1.2.1 NiTi SMA简介

1.2.2 NiTi SMA的性能

1.2.3 NiTi SMA的应用

1.3 NiTi SMA微动磨损和耐腐蚀性能研究

1.3.1 NiTi SMA微动磨损研究

1.3.2 NiTi SMA耐腐蚀性能研究

1.4本论文研究内容

1.4.1本论文创新点

1.4.2本论文研究的内容

第2章NiTi合金在Hank's溶液中的腐蚀行为

2.1引言

2.2实验方法

2.3实验结果分析

2.3.1表面粗糙度对合金腐蚀速率的影响

2.3.2体液pH值对合金腐蚀速率的影响

2.3.3 NiTi SMA在溶液中的腐蚀机理

2.4本章小结

第3章NiTi合金/人骨摩擦副微动磨损及微动腐蚀研究

3.1引言

3.2实验方法

3.3实验结果讨论

3.3.1介质对微动摩擦系数的影响

3.3.2循环次数对微动摩擦系数的影响

3.3.3振幅对微动摩擦系数的影响

3.3.4 NiTi SMA磨痕深度和磨斑体积

3.3.5 NiTi SMA/人骨微动磨损磨斑形貌分析

3.3.6 NiTi SMA/人骨微动腐蚀形貌分析

3.4本章小结

第4章合金腐蚀与合金/人骨微动磨损对微动腐蚀的交互作用

4.1引言

4.2实验方法

4.3实验结果分析

4.3.1中性Hank's溶液中合金的腐蚀速率

4.3.2空气介质中NiTi SMA/人骨微动磨损失重

4.3.3中性Hank's溶液中NiTi SMA的微动腐蚀速率

4.3.4 NiTi SMA/人骨微动磨损与化学腐蚀的交互作用

4.4本章小结

本文主要结论

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间所发表的学术论文目录