钛合金与UHMWPE界面间的往复摆动.docx
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钛合金与UHMWPE界面间的往复摆动.docx
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钛合金与UHMWPE界面间的往复摆动
中国矿业大学
本科生毕业设计
姓名:
郝田青学号14085573
学院:
材料科学与工程学院
专业:
材料科学与工程
设计题目:
钛合金与UHMWPE界面间的往复摆动
摩擦磨损特性研究
专题:
指导教师:
欧雪梅职称:
教授
张德坤职称:
教授
二O一三年六月徐州
中国矿业大学毕业设计任务书
学院材料学院专业年级科学09-3班学生姓名郝田青
任务下达日期:
2013年2月25日
毕业设计日期:
2013年2月25日至2013年6月9日
毕业设计题目:
钛合金与UHMWPE界面间的往复摆动摩擦磨损特性研究
毕业设计主要内容和要求:
针对人体颈椎人工关节的运动形式,本论文选用钛合金和超高分子量聚乙烯作为研究对象,研究超高分子量聚乙烯球-钛合金窝在摆动角度分别为±2.5°、±5°、±7.5°,接触载荷分别为50N、100N、150N,润滑条件分别为干摩擦、模拟体液、牛血清条件下的往复摆动摩擦磨损特性。
毕业设计要求为:
1、毕业设计的学生应充分认识毕业论文对培养自己能力和素质的重要性,要以严肃认真的态度进行工作,要有高度的责任感和自觉感,力争高质量地完成毕业论文。
2、毕业设计的学生既要虚心接受指导老师的指导,又要充分发挥主观能动性。
要结合课题,独立思考,努力钻究,勇于实践,敢于创新。
3、毕业论文期间要遵守学校及所在单位的劳动纪律和规章制度,严格按照本科生毕业论文的要求和规范撰写毕业论文,不得虚假,不得抄袭,剽窃他人的论著或成果,并要求正文部分的字数不少于15000字,参考文献不少于25篇,其中英文文献不少于5篇。
院长签字:
指导教师签字:
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语(①基础理论及基本技能的掌握;②独立解决实际问题的能力;③研究内容的理论依据和技术方法;④取得的主要成果及创新点;⑤工作态度及工作量;⑥总体评价及建议成绩;⑦存在问题;⑧是否同意答辩等):
成绩:
指导教师签字:
年月日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语(①选题的意义;②基础理论及基本技能的掌握;③综合运用所学知识解决实际问题的能力;④工作量的大小;⑤取得的主要成果及创新点;⑥写作的规范程度;⑦总体评价及建议成绩;⑧存在问题;⑨是否同意答辩等):
成绩:
评阅教师签字:
年月日
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩:
答辩委员会主任签字:
年月日
学院领导小组综合评定成绩:
学院领导小组负责人:
年月日
摘要
在颈椎退变的治疗中,人工椎间盘置换术(TDR)具有保持手术节段正常活动度和稳定性、改善邻近椎间隙内压力、减少邻近节段新发病率等优点,被认为是最有发展前景的脊柱生物力学重建技术。
TDR使用的人工颈椎间盘中,球窝型人工椎间盘作为最常用的一种,其关节面间的摩擦磨损是影响TDR的重要因素。
本文选用Ti6Al4V合金(TC4)窝和超高分子量聚乙烯(UHMWPE)球为配副材料,研究球窝型摩擦副在不同生物介质中往复摆动摩擦磨损性能。
往复摆动角度分别为±2.5°、±5°、±7.5°,接触载荷分别为50N、100N、150N,润滑条件分别为干摩擦、模拟体液和小牛血清。
利用摩擦副间摩擦系数变化、光学表面形貌、UHMWPE的磨损量和磨屑粒度等分析其磨损机理。
结果表明:
摩擦副的磨损随往复摆动角度和接触载荷的增大而加剧。
干摩擦条件下摩擦副的磨损状况最严重,钛合金的磨损以磨粒磨损和氧化磨损为主,UHMWPE的磨损以粘着磨损和磨粒磨损为主;在模拟体液、牛血清润滑条件下,摩擦系数、磨损量和表面擦伤均有不同程度的降低。
润滑条件下磨损机理以粘着磨损和磨粒磨损为主,并存在少量的氧化磨损。
关键词:
人工椎间盘;钛合金;超高分子量聚乙烯;往复摆动;摩擦磨损特性
ABSTRACT
Totaldiscreplacement(TDR)canbeusedtoreplaceadegeneratedintervertebraldiscinthespine.It’samotionpreservationdevicewhichcanimprovepressurewithintheintervertebralspaceadjacentandreduceahighincidenceofadjacentdiscdegeneration.Therefore,TDRisconsideredasthemostpromisingspinalbiomechanicsreconstruction.OneimportantpartusedinTDRisartificialcervicaldisc.Amongcurrentdesigns,ball-and-socketcombinationisoneofthemostcommonartificialcervicaldiscs.ThefrictionandwearbetweenthebearingsurfacesweresignificantfactorsinfluencingTDR.
Thepresentworkattemptstoexplorethefrictionandwearpropertiesofball-and-socketcombinationinvariousbiologicalmediaunderjiggingmotionconditions,usingtitaniumalloysocketandultrahighmolecularweightpolyethylene(UHMWPE)ball.Thetribologicaltestswereperformedattheswinganglesof±2.5°,±5°and±7.5°,underthecontactloadsof50,100and150N,inSBFandnewborncalfserumlubricationcondition,respectively.Thefrictioncoefficient,wearrate,wornshapecharacteristicandweardebrisweremeasuredtoanalyzethewearmechanisms.
Theresultsrevealthatthewearamountsofball-and-socketcombinationincreaseswiththeincreasingofanglesandloadsandaretheworstunderthedryfriction.Thewearmechanismsoftitaniumaremainlythecombinationofabrasivewearandoxidationwear,whilethewearmechanismsofUHMWPEarethecombinationofadhesivewearandabrasivewear.Comparedtothedrycondition,thefrictioncoefficientandwearratebothdecreasedundersalineandserumlubricationconditions.Andthewearmechanismspresentprimarilyadhesivewearcombinedwithlittleoxidationwear.
Keywords:
Artificialdisc;Titaniumalloy;UHMWPE;Jiggingmotion;Frictionandwearproperties
目录
1绪论1
1.1研究背景1
1.1.1骨关节疾病1
1.1.2颈椎病及其治疗1
1.2人工颈椎间盘研究现状2
1.2.1人工椎间盘2
1.2.2人工颈椎间盘材料2
1.2.3人工颈椎间盘的失效4
1.3球-窝型人工颈椎键盘往复摆动研究意义5
1.4研究内容5
2实验材料和实验方法6
2.1实验材料6
2.1.1实验材料6
2.1.2试样形状7
2.1.3UHMWPE试样制备7
2.1.4Ti6Al4V试样制备7
2.2实验仪器8
2.3实验设备改装9
2.4实验方案10
2.5实验步骤11
3钛合金球窝与UHMWPE球往复摆动磨损机理研究12
3.1往复摆动摩擦系数的变化规律12
3.1.1润滑条件对摩擦系数的影响12
3.1.2摆动角度对摩擦系数的影响14
3.1.3接触载荷对摩擦系数的影响15
3.2磨损量15
3.2.1润滑条件对磨损量的影响15
3.2.2接触载荷对磨损量的影响17
3.2.3UHMWPE球面的粗糙度17
3.3TC4磨痕形貌分析18
3.4磨屑尺寸分布21
3.4.1润滑条件对磨屑尺寸的影响21
3.4.2摆动角度对磨屑尺寸的影响22
3.4.3接触载荷对磨屑尺寸的影响23
4结论24
参考文献25
翻译部分27
英文原文27
中文译文39
致谢49
1绪论
1.1研究背景
1.1.1骨关节疾病
随着社会的发展与科学技术的进步,人类越来越重视自身的生命健康质量[1]。
但是目前仍有百万计的患者承受着骨关节炎、关节损伤等疾病带来的行动不便、关节疼痛的折磨,而且这一趋势向着年轻活跃的人群扩散,并已成为严重危害人类生命健康质量的重要因素之一。
骨关节炎、心血管疾病和癌症被世界卫生组织(WTO)列为威胁人类生命健康的三大杀手。
骨关节炎又被称为不死的癌症。
1998年WTO统计数据显示,世界约有3.55亿骨关节病患者,平均25人中就有一例关节炎患者,而亚太地区则是平均10人中就有1例。
北京大学2011年骨关节国际论坛指出当前中国约有1.3亿患者被不同程度的骨关节病困扰。
据调查[2],每年全世界需要更换关节的人数高达4000-6000万。
人工关节置换是指采用生物相容性、耐蚀性与机械性能良好的材料制成类似人体骨关节结构的假体,来替代病变或损伤的关节并恢复其功能或修复肢体长度等目的[3]。
早在1963年JohnCharnley利用不锈钢材料制作关节头,以聚四氟乙烯(PTFE)制作髋臼,用聚甲基丙烯酸(骨水泥)固定,形成Charnley型低摩擦全髋关节假体,来治疗类风湿性髋关节骨性关节炎,奠定了现代人工关节置换术的基础[4]。
从此,人工关节置换技术迅速发展,逐渐成为恢复患者关节功能和解除患者痛苦的重要医疗手段。
1.1.2颈椎病及其治疗
颈椎病是一种由于椎间盘退行性病变而导致的脊柱疾患,已成为显著影响生活质量的常见病和高发病。
随着人口老龄化、更多人长期伏案面对电脑、车祸频发造成的颈椎损伤逐年增加,颈椎病发病率快速攀升。
颈椎病一般是中老年人的一种多发病,40~60岁为高发年龄,而70岁以后患病率达90%[5]。
但近年来的研究表明,颈椎病患病率呈现年轻化趋势,目前我国发病率约为7%-10%[6],30岁以下青年但改变了颈椎的正常生物力学环境,导致病变节段生理活动度丧失,相邻节段运动及负荷增患者已占到总患病人数的11%[7]。
在颈椎退变的治疗中,颈前路减压融合术(ACDF)见效快、疗效好、手术简单,加从而使术后临近节段退变加速[8]。
研究发现融合术后有约25.6%的患者术后10年内出现邻近节段继发病变,在长达21年的随访中,14%的患者需再次手术[9]。
为解决减压后的不稳,维持椎间隙高度,并保留椎节间适度生理活动,受髋关节置换术启发,人工椎间盘置换术(TDR)应运而生。
与ACDF相比,TDR具有保持手术节段正常活动度和稳定性、改善邻近椎间隙内压力、减少邻近节段新发病率等优点,被认为是最有发展前景的脊柱生物力学重建技术[10]。
而TDR使用的人工颈椎间盘,则理所当然地成为国际研究开发的重点和热点。
图1-1正常的椎间盘和病变的椎间盘
1.2人工颈椎间盘研究现状
1.2.1人工椎间盘
按照界面不同人工颈椎间盘可以分为:
(1)金属对金属假体,如CerviCore、Bristol和Prestige假体;
(2)金属对聚合物假体,如Bryan假体、ProDisc-C假体和PorousCoated假体。
美国等医疗器械生产大国长期投入大量资金开发出多款人工颈椎间盘,其中最成熟、应用最广泛的运动设计为固定球-槽关节(以Discover为代表)。
Discover以超高分子量聚乙烯(UHMWPE)构成球部关节并固定于下终板,上终板采用特殊加工工艺形成高抛光度凹面,上终板与球部髓核间形成关节配合。
该设计可较好保留颈椎自然生理运动(屈曲伸展、侧屈、旋转),上下终板形状尺寸和整体高度可设计成多个系列,更好的满足个体差异,手术过程快捷简便安全。
国内开展TDR手术已有近20年历史,已有大量临床病例,但遗憾的是所使用的产品全部为进口。
由于人工颈椎间盘研发的技术门槛很高,普通企业很难具备多学科交叉的完整研发能力,目前尚没有任何国产人工颈椎间盘进入市场。
然而,随着脊柱非融合技术的快速发展,TDR术的日益普及并广泛认可,国人颈椎病的发病率持续攀升,开发国产化的人工颈椎间盘产品已势在必行。
1.2.2人工颈椎间盘材料
人工关节采用生物相容性、耐蚀性与机械性能良好的材料制成类似人体骨关节结构的假体,以代替病变或损伤的关节并恢复其功能[11]。
生物材料应该满足以下一些条件:
1)良好的生物相容性。
生物相容性是指材料在生理环境中,生物体对植入材料的反应和有效作用的能力。
2)良好的生物摩擦学性能。
这主要是要求材料有相对较低的摩擦因数,和良好的耐磨能力和低的磨损颗粒生成率,从而保证置换假体有较长的使用寿命;近来,由于磨粒细胞反应的发现,人们还关注材料磨粒的性质,如大小与形态。
同时,生物材料还应具有良好的工艺性能,包括表面处理和强化的工艺性能。
3)良好的耐腐蚀、耐疲劳性能。
植入物材料多用于受力复杂的负重植入体,如人工关节必须保证整个关节的安全承载能力至少大于7倍体重,在负重情况下,植入体同时承受拉、压、扭转、剪切、疲劳的综合作用,因此要求假体材料必须有足够的强度、硬度、韧性、塑形等整体性能。
4)良好的生物力学相容性[12]。
5)良好的生物结合性能;这主要是要求人工生物材料与周围生物骨组织结合良好[13],使用过程中不发生凸出、下沉和相对的移动。
6)一定的可降解性。
主要是考虑生物材料长期使用过程中,形成的磨损颗粒可以被周围的组织吸收,另可进一步设想,所使用的生物材料可以逐渐被人体再生骨组织所替代。
国外已进入临床实验的人工颈/腰椎间盘假体主要材料配对有钴铬合金-钴铬合金、不锈钢-不锈钢、钴铬合金-UHMWPE、钛合金-UHMWPE、陶瓷-陶瓷,每种材料均有待改进之处:
金属-金属配对(不锈钢和钴铬合金)耐磨损性能尚可,但金属离子长期释放的影响不容忽视;全陶瓷假体的全面应用则仍需克服严重的破裂风险;而钛合金-UHMWPE材料配对,因具备合适的硬度弹性,影像学性能优异(脊柱手术对影像学有高要求),是目前最常用和最有前景的人工椎间盘关节材料[14]。
金属材料应用最早,而且在目前临床中的应用也最为广泛,金属材料在生物医学方面主要用来修复骨骼、关节、牙齿以及血管等,目前最主要的金属材料有不锈钢,形状记忆合金,钛合金和钴基合金。
如今用于生物材料的不锈钢多为316L奥氏体不锈钢,主要用作关节柄和关节头材料,但临床表明316L不锈钢植入人体后,在生理环境中,有时会产生缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀破裂[15]等问题,从而引起假体松动,并且会因摩擦磨损等原因释放出Ni2+、Cr3+和Cr5+金属离子,特别是镍离子可能引起人体金属过敏问题,最终导致植入体失效,其弹性模量远高于人体自然骨,其产生的“应力屏蔽”往往导致骨质疏松和骨吸收,我国已禁止不锈钢作为假体材料[16]。
常用的钴基材料是铸造钴铬钼合金[17],与不锈钢比具有优越的耐腐蚀性、耐磨性,强度高、弹性模量低等优点。
但该材料会造成组织中的Co、Cr离子浓度升高,引起过敏和毒性反应,从生物相容性的角度考擦,钴基材料不是理想的假体材料。
钛合金是人工颈椎间盘首选金属材料[18,19],这是因为相对于其他金属材料,钛合金的生物相容性更优,耐腐蚀性强、机械强度更高,同时弯曲强度只有不锈钢和钴铬钼合金的一半,扭转、轴向强度更接近骨骼,应力遮挡较小,更重要的是因颈椎部位神经血管较为密集,对术后成像特性要求高(MRI,CT),相对于钴铬合金与不锈钢,钛合金具有极佳的成像性能。
但不良的摩擦学性能限制了进一步的应用。
钛基材料的研究主要集中在采用表面改性技术提高其摩擦学性能和开发不含Al、V的新型钛系生物材料。
第一代使用的钛合金主要是纯钛和T-6Al-4V(TC4)合金。
为避免内固定植入物的断裂失效,提高植入物的强度,国外采用了高强度T-6Al-4V(ISO5832-3)合金代替纯钛,该合金在室温下组织为α+β两项混合组织,通过固溶和时效处理,可显著提高其力学性能。
目前80%以上钛合金植入物产品都使用这种合金。
虽然T-6Al-4V(TC4)合金具有优异的性能,但其耐磨性差,V元素可引起恶性组织反应,可能对人体产生毒副作用[20],而且其弹性模量与自然骨相比依然很大,容易产生应力遮蔽,导致植入物周围出现骨吸收,最终引起植入物松动或断裂导致植入物失败[21]。
第二代钛合金是α+β型钛合金。
以德国开发的Ti-6Al-2.5Fe和瑞士的Ti-6Al-7Nb合金为代表,其中Ti-6Al-7Nb(ISO5832-11)合金的临床应用更为成功[22]。
20世纪90年代以来,在钛合金植入体材料的临床应用方面,不断的有关于Al对人体存在潜在危险的报告,认为Al会引起骨质疏松和精神紊乱等病症[23]。
第三代钛合金生物相容性更好、弹性模量更低、不含V和Al的β型钛合金[24]。
目前已被临床允许采用的该类钛合金有Ti-13Nb-13Zr合金和Ti-12Mo-2Fe合金[25]。
在传统钛合金获得广泛应用的基础上,其他新型钛合金植入物材料的研究也取得了快速发展,如多孔钛合金、钛合金复合材料等,这类钛合金主要以改善其生物相容性,提高生物活性为目的,虽然尚处于临床研究阶段,但该类新型钛合金所展示的发展前景是令人乐观的。
超高分子量聚乙烯UHMWPE(ultrahighmoleculrweightpolyethylene)分子式:
—(—CH2—CH2—)n—,它的分子结构和普通高密度聚乙烯(HDPE)完全相同,是没有侧面分支的长链型的线性结构聚合物。
通常以晶区和非晶区两相的形式共存,其中晶区有稳定的正交相和亚稳的单斜相,分子构相均为平面锯齿形[26]。
另外,UHMWPE的相对分子质量比普通高密度聚乙烯的要高得多,普通的高密度聚乙烯的分子质量约在(2~30)×104的范围内,而UHMWPE则具有106以上的分子量,UHMWPE是一种线型结构的热塑性工程塑料,具有一般高密度聚乙烯所不能比拟的一系列优异性能[27]。
在医学上也表现出良好的生物相容性,作为使用最广泛的植入物摩擦副材料,已成功用于人工膝关节的衬垫和人工髋关节的髋臼等。
由粉末冶金技术衍生的挤压成型方法生产出来的产品韧性更强。
UHMWPE是典型的生物摩擦材料,然而,UHMWPE临床使用所面临的磨损及磨粒引发的溶骨反映所导致的假体松动问题却一直难以解决,假体松动不仅直接影响人工关节的使用寿命,而且临床上关节假体的下沉或断裂等问题也多由松动引发。
就目前人工关节材料的研发技术而言,尚不可能完好的解决UHMWPE使用中的磨损问题,在未发现比UHMWPE更好的有机高分子材料的情况下,UHMWPE的使用仍将持续相当长的时间。
第二个问题是长期蠕变,蠕变结合摩擦的复合作用同样是引发人工关节失效的重要因素。
因此,提高UHMWPE的耐磨性能和抗蠕变性能或开发相匹配的低摩擦少磨损的新型关节材料是材料学与临床医学所面临的共同挑战。
UHMWPE的表面改性主要是利用表面处理技术,改变其表面分子结构、物理和化学特性,达到提高抗磨损性能和生物力学相容性,解决磨粒引发的生物学问题等目的。
交联改性UHMWPE、离子注入UHMWPE和UHMWPE的填充改性是目前主要的改性方法。
1.2.3人工颈椎间盘的失效
人工椎间盘假体在植入人体后,同时承受拉力、压力、扭转和界面剪切力以及疲劳、磨损、腐蚀的综合作用,严重影响着人工椎间盘置换后的效果及寿命[28]。
临床研究发现,假体在人体复杂力学/生理环境下,关节面材料出现不同形式的摩擦磨损,产生一定量磨屑。
各种磨损微粒与骨组织作用诱发炎症反应,致使假体周围骨溶解和骨吸收,最后出现假体松动,导致假体寿命严重不足[29,30]。
人工关节长期使用导致的无菌性松动是导致人工关节置换术失败的主要原因[31]。
因此,研究人工椎间盘材料界面间的磨损机理对改进假体材料、优化假体设计、完善手术操作技术以延长假体的生命周期具有重要的意义。
1.3球-窝型人工颈椎键盘往复摆动研究意义
人工颈椎间盘植入人体后,由于体内环境的复杂性,人工颈椎间盘配副的磨损行为变幻莫测,而且目前无法进行在线检测其磨损状态。
由于对磨间的相互作用,人工颈椎间盘配副在体内服役的过程中,部分基体会出现挤压、脱落、剥离现象,而形成磨屑。
不同形态、尺寸、成分的磨屑可以反应人工椎间盘不同的摩擦磨损行为和机理,而且研究表明磨屑是造成人工颈椎间盘松动的主要原因。
因此,对获得的磨屑形态分析可探明人工颈椎间盘在体内的摩擦磨损趋势。
根据人体颈椎人工关节的运动形式,选用钛合金和超高分子量聚乙烯进行体外模拟实验,是为了研究球窝形人工颈椎间盘的往复摆动摩擦磨损机理。
只有掌握了磨损量随磨损过程的规律,才能准确的预测其体内的磨损的情况,进而有效的预防并发症的发生,为临床术后提供指导,从而可以减轻患者的心理和经济压力。
1.4研究内容
本文以钛合金球窝及UHMWPE球为研究对象,分别研究球窝型人工椎间盘在不同摆动角度、不同轴向载荷和不同润滑条件的摩擦磨损特性。
主要包括以下研究内容:
1)根据人体颈椎人工关节的运动形式,分析可能影响实验的因素,由影响因素设置实验方案。
2)钛合金球窝及UHMWPE球头关节配副的制备,然后在改进后的膝关节试验机上进行往复摆动摩擦磨损实验。
3)对试验后钛合金球窝及UHMWPE球头关节配副关节配副的表面形貌,磨屑,磨损量以及摩擦系数进行分析。
4)根据实验结果,分析球窝型人工椎间盘摩擦副在不同条件下的摩擦磨损特性。
2实验材料和实验方法
2.1实验材料
2.1.1实验材料
本实验采用目前人工
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