仿生關節(jié)囊生物力學及其摩擦學研究.pdf

1、人工關節(jié)置換是對因腫瘤、疾病或其它事故造成的關節(jié)破壞進行修復、解除痛苦、畸形和功能障礙等，來重建一個功能接近正常的人工假肢。人工關節(jié)目前存在的主要問題是關節(jié)配副磨損嚴重，磨損量大，且磨屑引起體內異物反應，從而使假體松動、下沉，影響運動功能。國內外在人工關節(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節(jié)潤滑狀況，磨損顆粒引起的相關問題依然大量存在。人工關節(jié)與人體天然關節(jié)相比，由于沒

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

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

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

5、研究。結果表明在復合滑液潤滑作用下磨損最小，復合滑液表現出的優(yōu)良潤滑性能可能與復合滑液在摩擦副表面形成的一層類似球形分子結構的膜有關。 通過對仿生關節(jié)囊生物力學仿真，以及靜力強度和動態(tài)疲勞的實驗研究，獲悉用以制備關節(jié)囊材料所要滿足的力學性能和強度要求。經對不同潤滑劑潤滑下的CoCrMo/UHMWPE摩擦磨損實驗，考察不同潤滑劑的潤滑性和降磨性。本論文的相關結果將為關節(jié)囊結構的優(yōu)化設計、仿生人工關節(jié)的不斷完善提供有益的借鑒和指導。