仿生關(guān)節(jié)囊生物力學(xué)及其摩擦學(xué)研究.pdf

1、人工關(guān)節(jié)置換是對因腫瘤、疾病或其它事故造成的關(guān)節(jié)破壞進(jìn)行修復(fù)、解除痛苦、畸形和功能障礙等，來重建一個(gè)功能接近正常的人工假肢。人工關(guān)節(jié)目前存在的主要問題是關(guān)節(jié)配副磨損嚴(yán)重，磨損量大，且磨屑引起體內(nèi)異物反應(yīng)，從而使假體松動(dòng)、下沉，影響運(yùn)動(dòng)功能。國內(nèi)外在人工關(guān)節(jié)配副材料及表面涂層上做了大量的研究，期望以提高人工關(guān)節(jié)配副耐磨性來減少磨損和磨屑，但并未顯著改善人工關(guān)節(jié)潤滑狀況，磨損顆粒引起的相關(guān)問題依然大量存在。人工關(guān)節(jié)與人體天然關(guān)節(jié)相比，由于沒

2、有分泌和儲(chǔ)存滑液的關(guān)節(jié)囊組織，從而不具有天然關(guān)節(jié)那種優(yōu)異摩擦學(xué)特性和潤滑性能。因此，要解決人工關(guān)節(jié)磨損嚴(yán)重以及由磨損引起的一系列人工關(guān)節(jié)置換失效等問題，開展仿生人工關(guān)節(jié)囊的研究是一個(gè)很有意義的方案。 本文首先建立了基于解剖基膝關(guān)節(jié)的仿生人工關(guān)節(jié)囊仿真模型，將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于仿生關(guān)節(jié)囊研究，經(jīng)對站立態(tài)和步態(tài)仿真，獲悉其受力情況。通過對不同厚度仿生關(guān)節(jié)囊的力學(xué)仿真，研究仿生關(guān)節(jié)囊厚度對關(guān)節(jié)囊中所受力大小及分布的影響規(guī)律。結(jié)果表明

3、：無論在何種情況下，仿生關(guān)節(jié)囊中最大應(yīng)力都發(fā)生在囊和關(guān)節(jié)的緊密接合處，仿生關(guān)節(jié)囊厚度對關(guān)節(jié)囊中應(yīng)力大小及分布規(guī)律影響與其所處狀態(tài)有關(guān)。在本文的研究中，仿真得出關(guān)節(jié)囊的最大應(yīng)力為1.62MPa。實(shí)驗(yàn)制備了兩種仿生人工關(guān)節(jié)囊材料(尼龍/有機(jī)硅復(fù)合仿生人工關(guān)節(jié)囊材料和不含尼龍支架的有機(jī)硅仿生人工關(guān)節(jié)囊材料)并在Zwick/RoellZ020材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上考察了兩種仿生人工關(guān)節(jié)囊材料的靜力學(xué)強(qiáng)度。結(jié)果表明：制備的兩種仿生人工關(guān)節(jié)囊材料強(qiáng)度分別為7

4、.02MPa，7.51MPa，與仿真結(jié)果相比是安全可靠的。利用自制的仿生人工關(guān)節(jié)模擬實(shí)驗(yàn)評價(jià)裝置，對自制的有機(jī)硅仿生關(guān)節(jié)囊進(jìn)行了長時(shí)間的彎曲/伸展動(dòng)態(tài)疲勞循環(huán)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)歷6×106次疲勞實(shí)驗(yàn)后的關(guān)節(jié)囊經(jīng)掃描電鏡(SEM)觀察分析，沒有發(fā)現(xiàn)疲勞損傷，保持著完好狀態(tài)。本實(shí)驗(yàn)證明采用關(guān)節(jié)囊完全可以阻止磨屑侵入體內(nèi)。最后對仿生關(guān)節(jié)囊密封下的CoCrMo球頭和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)臼人工關(guān)節(jié)摩擦副在不同潤滑劑潤滑下，進(jìn)行了摩擦磨損初步實(shí)驗(yàn)

5、研究。結(jié)果表明在復(fù)合滑液潤滑作用下磨損最小，復(fù)合滑液表現(xiàn)出的優(yōu)良潤滑性能可能與復(fù)合滑液在摩擦副表面形成的一層類似球形分子結(jié)構(gòu)的膜有關(guān)。 通過對仿生關(guān)節(jié)囊生物力學(xué)仿真，以及靜力強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)疲勞的實(shí)驗(yàn)研究，獲悉用以制備關(guān)節(jié)囊材料所要滿足的力學(xué)性能和強(qiáng)度要求。經(jīng)對不同潤滑劑潤滑下的CoCrMo/UHMWPE摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，考察不同潤滑劑的潤滑性和降磨性。本論文的相關(guān)結(jié)果將為關(guān)節(jié)囊結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿生人工關(guān)節(jié)的不斷完善提供有益的借鑒和指導(dǎo)。