人工膝關(guān)節(jié)材料界面間的生物摩擦學(xué)研究.pdf

1、鈷鉻鉬合金和超高分子量聚乙烯因具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐磨性和耐腐蝕性而成為目前膝關(guān)節(jié)植入物領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的材料。但是在人體運動的周期載荷作用下，組合式人工膝關(guān)節(jié)假體股脛配合面間存在多種運動形式的摩擦磨損，長期作用可能會造成植入體失效甚至危害人體健康。因此，研究人工膝關(guān)節(jié)股脛接觸界面間的各種運動形式下的摩擦學(xué)特性具有重要意義。
　　本文以CoCrMo合金與UHMWPE為研究對象，分別開展了在不同運動形式、不同加載形式下CoCrMo/

2、UHMWPE接觸面間的摩擦磨損實驗研究，結(jié)合多種分析手段，揭示了不同實驗條件下UHMWPE與CoCrMo接觸面間摩擦學(xué)特性和損傷機理，獲得了如下結(jié)論：
　　1.動態(tài)擺動摩擦試驗表明，在動態(tài)載荷下 CoCrMo/UHMWPE接觸面間的擺動摩擦系數(shù)變化曲線分為三個階段，即下降階段、上升階段及穩(wěn)定階段，且擺動摩擦系數(shù)穩(wěn)定值隨著法向最大載荷和擺動角度幅值的增大而增大。動態(tài)扭動摩擦試驗表明，在動態(tài)載荷下CoCrMo/UHMWPE接觸面間的摩

3、擦扭矩變化曲線亦分為三個階段，即下降階段、上升階段及穩(wěn)定階段。
　　2.靜態(tài)擺動和靜態(tài)扭動摩擦試驗表明，在靜態(tài)載荷下 CoCrMo/UHMWPE接觸面間的擺動摩擦系數(shù)和摩擦扭矩變化曲線分為兩個階段，即上升階段和穩(wěn)定階段，且靜態(tài)載荷下的擺動摩擦系數(shù)和摩擦扭矩穩(wěn)定值均大于動態(tài)載荷下的穩(wěn)定值。復(fù)合運動摩擦試驗表明，復(fù)合運動時的擺動摩擦系數(shù)和摩擦扭矩分量值均小于單一運動時的擺動摩擦系數(shù)和摩擦扭矩，復(fù)合運動中的擺動分量和扭動分量有相互分擔(dān)的

4、作用。
　　3.摩擦試驗中UHMWPE磨損量分析表明，動態(tài)載荷下UHMWPE的磨損量比靜態(tài)載荷下UHMWPE的磨損量大，復(fù)合運動UHMWPE的磨損量比單一運動下UHMWPE的磨損量大；卸載靜置對CoCrMo/UHMWPE接觸面間的摩擦磨損有很大的減輕作用。
　　4. CoCrMo/UHMWPE接觸面間的摩擦試驗表明，磨損后的UHMWPE表面粗糙度變小，CoCrMo對其有“拋光”作用，而磨損后的CoCrMo表面粗糙度增大。通過

5、磨損形貌可知，擺動摩擦中的試樣表面出現(xiàn)沿擺動方向的磨痕；扭動摩擦中的試樣表面邊緣部分出現(xiàn)圓弧狀的擦傷和犁溝，且靜態(tài)扭動時UHMWPE磨損表面的中心部分因與 CoCrMo相對運動小未出現(xiàn)明顯損傷，而動態(tài)扭動時UHMWPE磨損表面的中心部分因承受 CoCrMo的交變應(yīng)力出現(xiàn)凹陷和凸起現(xiàn)象；復(fù)合摩擦中的試樣表面僅出現(xiàn)沿擺動方向的磨痕，因此可知復(fù)合運動主要受擺動分量控制。CoCrMo的損傷機制主要表現(xiàn)為磨粒磨損，而UHMWPE的損傷機制主要表現(xiàn)