超高分子量聚乙烯关节的生物降解行为研究

摘要

超高分子量聚乙烯（UHMWPE）具有优越的物理、化学性能和良好的生物相容性，是比较理想的医用高分子材料，广泛应用于人工关节领域。随着设计、加工、制造以及置换手术水平的提高，UHMWPE关节的使用寿命最长可达20年以上。据不完全统计，2011年我国骨科医生共实施人工关节置换术约20万例，2012年约24万例，呈逐年增长趋势，导致虽然人工关节失效比例不断下降，每年报告的失效案例数目仍不断增加，引起医院、关节厂商和研究人员的普遍关注。
　　本文通过整理、总结UHMWPE关节的生物降解机理，得出UHMWPE关节使用性能的变化主要来源于凝聚态结构的改变，本质上是高聚物链段分子在环境作用下发生的松驰运动。通过物理化学、高分子物理的基本原理，从理论上给出了温度、应力、溶剂水分子对UHMWPE关节降解影响的单一作用机制及协同效应，建立了UHMWPE关节降解的数学模型，并通过体外生物降解加速实验进行了验证。
　　通过对UHMWPE降解过程力学性能变化的研究，发现其蠕变性能在比较大的尺度内与降解时间的关系稳定性最好，可以用作降解程度评价及预测。
　　根据生物降解UHMWPE的球压蠕变曲线，拟合得到模拟线性高聚物粘弹性的Burgers模型以及材料的本征方程，发现生物降解过程UHMWPE的弹性降低、粘性增加，分析了模型参数随降解时间的变化规律及原因。
　　模拟流变实验的测试条件，通过对Burgers模型（本征方程）的理论研究得到生物降解 UHMWPE的动态粘弹性能，由此得出随降解时间增加，UHMWPE的缠绕分子量提高，缠绕点数量下降；重均分子量提高，分子量分布变宽，分子量较低组分数量减少；长支链含量上升。同时发现，单振动周期弹性能、损耗能随降解时间分别增加、下降，据此对UHMWPE髋关节植入手术后1个月内脱位失效高发、植入半年内磨损率大的问题，提供了一种理论上可能的解释。同时，提出一种基于蠕变测试的新型重均分子量表征方法。

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变量注释表

1. 绪论

1.1研究背景及意义(Research Background)

1.2国内外研究现状(Present Research Status)

1.3研究目的(Research Objective)

1.4研究内容(Research Contents)

2. 超高分子量聚乙烯的生物降解试验方法

2.1引言(Introduction)

2.2材料制备与测试方法(Materials and Test Methods)

2.3试验方法(Experiment Process)

3. 超高分子量聚乙烯关节生物降解模型

3.1引言(Introduction)

3.2降解机制分析(Analysis of Biodegradation Mechanism)

3.3等效性方程推导(Equivalence Equation Deduction)

3.4理论模型的试验验证(Validation of Theoretical Model through Experiment)

3.5降解程度预测方程(Predictive Equation)

3.6降解程度定量评价方法(Quantitative Evaluation Method)

3.7本章小结(Summary)

4. 生物降解超高分子量聚乙烯的动态粘弹性分析

4.1引言(Introduction)

4.2粘弹性力学模型(Dynamic Viscoelasticity Model)

4.3本构方程的建立(Establishing Constitutive Equation)

4.4应力应变的动态响应(Dynamic Stress-Strain Response)

4.5缠结分子量(Entanglement Molecular Weight)

4.6长链支化 (Long Chain Branched)

4.7松弛时间谱(Relaxation Time Spectrum)

4.8重均分子量(Weight-average Molecular Weight)

4.9本章小结(Summary)

5. 结论(Conclusions)

5.1本文工作总结(Conclusions)

5.2论文创新点(Innovations)

5.3工作展望(Prospect)

参考文献

作者简历

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