聚合物基仿生人工软骨材料的制备与摩擦学性能研究

摘要

骨与关节损伤是人们生活中常见的症状之一.目前广泛采用人工关节置换术来解决这一问题,但人工关节材料在运动过程中会发生较强的摩擦磨损行为,其使用寿命还达不到人们的要求.人们希望能找到最佳的人工关节置换材料来提高患者的生命质量. 本文从天然软骨层独特的结构和性能着手研究,结合仿生学的理论和方法,对目前研究较多的两种软骨材料进行仿生设计和研究,期望能最终获得具有性能适宜的人工关节软骨材料,它应当有一定的承载能力和较好的可润滑、抗磨损性能,并可与人工关节材料良好连接;或者具有一定的生物活性,能直接与人体关节产生生物结合.针对这个目标,我们在如下几个方面开展了研究工作: 1.对人工关节材料超高分子量聚乙烯(UHMWPE)进行仿生结构设计和性能研究.利用模板--滤取(Template-Leaching)法,制备具有不同孔隙率的多孔UHMWPE试样;孔隙率为27.7﹪的试样具有适宜的机械强度和多孔结构;这种多孔结构能降低试样与水或牛血清之间的接触角,提高了试样的可润滑性能,从而降低其磨损量;γ辐射处理能增加试样表面的交联度,进一步提高多孔UHMWPE与水或牛血清的可润滑性能,降低试样的磨损量;同时对试样进行梯度结构设计,获得具有较好连接强度的多孔UHMWPE/UHMWPE梯度材料. 2.在对聚乙烯醇水凝胶(PVA-H)试样性能进行研究的基础上,优化其制备参数.利用不同的交联方法,制备出PVA水凝胶;利用不同的羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)微粒及不同的复合方法,制备了聚乙烯醇水凝胶/羟基磷灰石(PVA-H/HA)复合试样.物理交联试样具有接近于人体天然软骨的含水性能,化学交联法能更好地能提高试样的交联度,强化内部网络结构,从而增强PVA水凝胶的机械性能和摩擦学性能;原位复合法比超声共混法能更好的提高PVA-H/HA复合水凝胶的机械性能和摩擦学性能,其中HA含量为3﹪～4﹪时能获得抗磨损性能最佳的强韧性基体. 3.较全面考察了不同条件下PVA-H/HA复合试样的摩擦学性能,研究了其与摩擦副试样之间的润滑、减磨的

目录

文摘

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第一章绪论

1.1课题背景

1.2生物摩擦学和仿生摩擦学

1.2.1生物摩擦学的发展

1.2.2仿生摩擦学

1.3人工软骨的国内外研究现状

1.3.1软垫支撑型关节概念以及模型

1.3.2设计制造关节软骨的国内外研究现状

1.4人工软骨材料的研究

1.4.1 UHMWPE的相关研究

1.4.2 PVA材料的相关研究

1.5选题意义和研究内容

1.5.1选题来源和意义

1.5.2本文主要研究内容

第二章天然软骨的性能以及仿生设计基础研究

2.1前言

2.2人体关节系统

2.3关节软骨系统

2.3.1软骨的生化结构

2.3.2软骨的成分与结构

2.3.3软骨的机械性能

2.3.4软骨的摩擦学性能研究

2.4关节软骨仿生设计研究

2.4.1结构仿生

2.4.2材料仿生

2.4.3功能仿生

2.5关节软骨仿生模型和设计思路

2.6本章小结

第三章仿生多孔UHMWPE软骨材料的性能研究

3.1前言

3.2试验过程

3.2.1试样的制备

3.2.2分析测试方法

3.3多孔UHMWPE仿生软骨材料的性能研究

3.3.1材料失重与孔隙度研究

3.3.2仿生多孔UHMWPE材料的机械性能测定

3.3.3表面和断面SEM形貌观察

3.3.4 UHMWPE材料的摩擦磨损性能

3.3.5仿生多孔UHMWPE的润滑模型分析

3.4多孔UHMWPE仿生软骨材料表面γ辐照改性

3.4.1试验过程

3.4.2表面SEM观察

3.4.3表面改性对UHMWPE的摩擦学性能影响

3.5 UHMWPE试样的浸润性能研究

3.5.1接触角测试方法

3.5.2测试结果与分析

3.6梯度UHMWPE试样的研究

3.6.1试验过程

3.6.2梯度试样的结合强度研究

3.7本章小结

第四章PVA基人工复合软骨材料的性能优化研究

4.1前言

4.2试验过程

4.2.1原材料准备

4.2.2纯PVA-H试样的制备

4.2.3 PVA-H/HA复合水凝胶的制备

4.2.4试验参数选择

4.2.5分析测试方法

4.3 PVA水凝胶试样性能分析

4.3.1 PVA含量和交联方法对试样含水性能的影响

4.3.2 PVA含量和交联方法对机械性能影响

4.3.3 PVA含量和交联方法对摩擦磨损性能的影响

4.3.4载荷对试样摩擦学性能的影响

4.4增强相对试样磨擦学性能的影响

4.4.1试验参数

4.4.2增强相对复合材料含水性能的影响

4.4.3增强相对复合材料机械性能的影响

4.4.4增强相对复合材料摩擦学性能的影响

4.5复合方法对试样摩擦学性能的影响

4.5.1试验参数

4.5.2原位成型法制备试样中HA晶态结构分析

4.5.3复合方法对试样性能的影响

4.5.4磨损表面分析

4.6本章小结

第五章PVA-H/HA复合材料的摩擦学行为和生物活性研究

5.1前言

5.2 PVA-H/HA复合材料的摩擦学试验参数选择

5.2.1载荷范围

5.2.2磨损速度

5.2.3摩擦副材料

5.2.4润滑剂

5.3载荷和速度对复合材料的摩擦磨损行为影响

5.3.1载荷对复合材料摩擦磨损性能影响

5.3.2滑动速度对试样摩擦性能的影响

5.4润滑条件对复合材料的摩擦磨损行为影响

5.4.1试验参数

5.4.2 PVA复合试样在不同润滑条件下的摩擦磨损性能

5.4.3不同润滑条件下PVA-H/HA磨损表面形貌分析

5.5不同配副材料对复合材料的摩擦磨损行为影响

5.5.1不同配副材料对试样摩擦磨损性能影响

5.5.2表面粗糙度对试样摩擦磨损性能影响

5.6 PVA水凝胶材料在模拟生理体液中的行为研究

5.6.1试验过程

5.6.2浸泡时间对试样性能的影响

5.6.3浸泡前后SBF溶液的变化

5.6.4复合水凝胶生物活性研究

5.6.5浸泡前后表面SEM形貌分析

5.7本章小结

第六章多孔UHMWPE与PVA-H/HA的性能对比研究

6.1多孔UHMWPE与PVA-H/HA的摩擦学性能研究

6.1.1试验参数

6.1.2实验结果与分析

6.2多孔UHMWPE与PVA-H/HA的润滑机理分析

6.2.1 Stribeck曲线

6.2.2试验方法

6.2.3水润滑下的摩擦学分析

6.2.4牛血清润滑下的摩擦学分析

6.3本章小结

第七章全文总结与展望

7.1全文总结

7.2本文的创新点和主要贡献

7.3今后研究工作展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文

致谢