人工髋关节磨粒特征及磨损机理研究

摘要

国际货物贸易的实现依赖航运业的发展，因此航运业被各国视为国际贸易的一个传统支柱行业。由于航运业的国际性，参与此行业的重要成员—船员的工作条件和职业能力受到国际社会，特别是国际劳工组织的广泛关注。研究表明:由于船员处在与陆地环境完全迥异的海洋环境中作业，封闭狭小的工作空间，单调、重复的机械工作，极易造成他们的关节劳损或者罹患严重的骨关节炎。人工关节作为治疗骨关节炎最为有效的手段之一，其发展为克服船员的职业病、提高其日后的生活质量及改善劳工关系提供了积极的保障。因此，研究人工关节的有关问题，对于发展航运业也具有十分重要的意义。
　　 当人工置换关节植入人体后，在关节长期运动过程中无法避免的会产生磨损颗粒。而这些磨损颗粒目前已成为人工关节研究的热点问题之一。其原因为:首先，磨损颗粒包含有丰富的摩擦学信息，能反映置换关节的磨损状态和机理。其次，人工关节骨质溶解和无菌松动的发生与磨损颗粒的特征有着密切的相关性。本文利用磨损试验机制备并提取了人工髋关节超高分子量聚乙烯(ultra-highmolecular weight polyethylene，UHMWPE)磨粒，对磨粒的二维尺寸及形态、三维几何轮廓、表面形貌以及弹性模量进行了系统的研究，目的是探讨磨粒形成的规律及机理，总结典型磨粒的特征及影响，从而为置换关节的使用状态监测及使用寿命预测提供坚实的基础，并且为考察磨粒的生物相容性以及新型人工关节材料的研发提供更多的实验依据。
　　 本文利用原子力显微镜技术在纳米尺度下对UHMWPE磨粒的三维几何轮廓、表面形貌以及弹性模量进行考察。研究表明:纳米、亚微米级磨粒同微米级磨粒、UHMWPE基体材料相比，其形态、表面形貌以及弹性模量都有显著区别。粒状的纳米级和亚微米级磨粒其厚度小于UHMWPE材料片晶厚度和片晶空间间隔的厚度、同时拥有更大的弹性模量和更为平滑的表面。分析认为，纳米级和亚微米级磨粒是由UHMWPE材料微观尺度上的磨料磨损产生。而微米级磨粒是由UHMWPE材料宏观尺度上的粘着磨损或疲劳磨损产生。同时研究还发现，不同形态的磨粒，其表面的润滑功能特性也有显著差异。粒状磨粒和块状磨粒的形态稳定性、表面对称性、耐磨性以及储液能力都优于纤维磨粒和片状磨粒。
　　 在实验室条件下进行的人工髋关节模拟磨损实验除了可以考察生物材料的摩擦学特性之外，还可以在实验室条件下制备与临床中产生的磨粒具有相同特征的磨粒，并将制备的磨粒运用到考察磨粒生物反应的实验研究中。润滑状况和摩擦副表面初始形貌是影响材料磨损状态和磨粒形态的两个非常重要的因素。因此本文在不同实验条件下，综合运用白光干涉仪和扫描电镜等技术和手段，研究磨损表面、磨损颗粒的形态和三维形貌特性以及之间的相互关系，从而探讨磨损机理及合理的磨粒制备方法。
　　 研究了销盘磨损试验机、人工髋关节模拟磨损试验机以及人体内人工髋关节磨粒的形态，并探讨了它们与磨损机理的关系。同时对这三种磨损形式下的磨粒进行了对比。结果发现，三种磨损形式下产生的磨粒不但形态上有所不同，并且尺寸分布以及尺寸均值也有所不同。与髋关节模拟磨损试验机和人体内人工髋关节相比，销盘磨损试验机上产生的纳米级磨粒数量明显较高;而微米级磨粒的数量却明显较少。造成上述差异的原因，分析认为是由于试验机运动形式以及受力情况不同造成。人体内的人工髋关节在摩擦磨损过程中产生的纳米级磨粒的平均长度明显大于在实验室条件下产生的纳米级磨粒。造成这种差异的原因分析可能是由于磨粒迁移或磨损状态不同。从这些研究中获取的结果将为合理选择研究方法和手段提供了有价值的依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 人工髋关节磨粒特征研究现状

1．2．1 人工髋关节材料研究现状

1．2．2 人工髋关节磨损研究方法

1．2．3 人工髋关节磨粒分析方法

1．2．4 人工髋关节磨粒特征描述方法

1．2．5 人工髋关节磨损特性

1．2．6 人工髋关节磨粒特性与生物反应的关系

1．2．7 当前研究中存在的问题

1．3 课题研究目的及意义

1．4 课题来源

1．5 本文研究的主要内容

第2章 实验设备及分析方法

2．1 人工髋关节磨损实验装置

2．2 人工髋关节磨损量的测定及磨损率的计算

2．3 人工髋关节摩擦副表面分析手段

2．3．1 基于扫描电镜方法(SEM)的磨损表面研究

2．3．2 基于白光干涉仪方法的三维表面形貌研究

2．3．3 基于原子力显微镜方法(AFM)的三维表面形貌研究

2．3．4 基于原子力显微镜方法(AFM)的机械特性研究

2．4 人工髋关节磨粒分析手段

2．4．1 人工髋关节UHMWPE磨粒分离提取方法

2．4．2 基于扫描电镜方法(SEM)的二维形态研究

2．4．3 基于原子力显微镜方法(AFM)的三维表面形貌和机械特性研究

2．5 研究流程

2．6 本章小结

第3章 人工髋关节磨粒特征描述及分类方法研究

3．1 人工髋关节磨粒二维形态特征描述

3．2 人工髋关节磨粒三位形貌特征描述

3．3 人工髋关节磨粒特征参数的有效约减

3．3．1 相关分析法

3．3．2 主成分分析法

3．4 人工髋关节磨粒分类方法及磨粒特征主参数的确定

3．4．1 模糊c均值聚类分析法(FCM)

3．4．2 Xie-Beni聚类有效性评价指标

3．4．3 磨粒特征主参数的确定

3．5 人工髋关节UHMWPE磨粒分类的实例

3．5．1 UHMWPE磨粒几何形态特征参数

3．5．2 UHMWPE磨粒形态特征参数的约减结果

3．5．3 UHMWPE磨粒的分类及磨粒特征主参数的确定结果

3．6 本章小结

第4章 人工髋关节UHMWPE磨粒弹性模量研究

4．1 材料及实验

4．2 实验结果

4．2．1 材料弹性模量

4．2．2 磨粒三维几何轮廓

4．2．3 磨损表面和磨粒的表面形貌

4．3 讨论

4．4 本章小结

第5章 人工髋关节UHMWPE磨粒表面三维形貌研究

5．1 材料及实验

5．2 实验结果

5．2．1 磨粒三维几何轮廓

5．2．2 磨粒表面形貌

5．3 讨论

5．4 本章小结

第6章 润滑条件及关节配副表面初始形貌对磨粒形态的影响

6．1 材料及实验

6．2 数据分析

6．3 实验结果

6．3．1 润滑条件对材料磨损和磨粒形态的影响

6．3．2 摩擦副的表面初始纹理对材料磨损和磨粒形态的影响

6．4 讨论

6．4．1 水润滑条件的磨损机理

6．4．2 血清润滑的磨损机理

6．4．3 UHMWPE试样和有划痕的金属试样对磨的磨损机理

6．4．4 磨粒制备方法的选择

6．5 本章小结

第7章 人工髋关节UHMWPE磨粒图谱

7．1 销盘磨损试验机产生的UHMWPE磨粒

7．2 人工髋关节模拟磨损试验机产生的UHMWPE磨粒

7．3 人体内人工髋关节UHMWPE磨粒

7．4 三种磨损形式产生的磨粒尺寸分布对比

7．5 本章小结

第8章 结论与展望

8．1 研究工作的总结

8．2 主要成果和结论

8．3 创新点

8．4 研究展望

致谢

参考文献

攻读博士期间发表的主要论文及参加的科研项目