论文部分内容阅读
超高分子量聚乙烯（UHMWPE）因其良好的生物相容性、耐化学腐蚀性、耐磨性和抗冲击性等特点,是人工关节中重要的组件材料。但人工关节由于没有关节囊,因此外源性润滑液易流失。此外相较于金属和陶瓷,UHMWPE薄弱易被磨损,在人工关节的使用中产生磨屑,诱发关节假体周围骨溶解,导致无菌性松动和假体失效。因此,构建仿天然关节性质和结构改善人工关节内UHMWPE的润滑对于延长人工关节的寿命,提升患者的生活质量有着非常重要的意义。天然关节软骨的表面多孔结构有助于储存天然滑液,在软骨受压时滑液从孔隙中渗出润滑关节表面,随压力去除后,部分滑液又能重新渗回到孔隙中,使软骨拥有长期自润滑性的效果;天然滑液具有剪切稀化特性,使其在低剪切速率下粘度较高,能够较好地形成挤压膜保护关节,随着剪切速率的增加,天然滑液粘度下降,可更好地润滑关节,减小关节间的磨损。课题组前期采用来源于天然生物质蛋白（明胶）、多糖（海藻酸钠）和多酚（单宁酸）合成了具有可触变的水凝胶（GTS）,该水凝胶具有受到剪切力时,由凝胶态转变为溶胶态,而停止剪切力作用后,由溶胶态转变为凝胶态的性质。本文以上述可触变性水凝胶作为润滑液,模拟天然关节滑液的润滑性能;采用生物相容性良好的羟基磷灰石作为致孔剂,利用薄层平铺法和致孔剂-滤除法制备了表面仿生多孔UHMWPE,结合两者设计仿生人工关节系统,利用可触变性水凝胶在摩擦过程中的剪切稀化性起到润滑作用,停止摩擦后表面多孔结构可储存可触变性水凝胶的机理实现长效润滑。论文主要研究和结果如下:（1）采用羟基磷灰石粉末（HA）作为造孔剂,通过薄层平铺HA和UHMWPE粉末共热压,然后酸去除HA,制备了不同表面孔隙率的表面仿生多孔UHMWPE。光镜和扫描电镜观察结果显示孔隙分散均匀,孔隙率分别为25%、36%和44%,孔径尺寸在50-80?m范围内,多孔层平均厚度约为70?m。表面多孔结构降低了UHMWPE的水接触角,随着孔隙率增大,其表面水接触角由102.4±1.3°降低到了80.4±2.0°。随着孔隙率增大表层的多孔结构会显著降低UHMWPE的杨氏模量、拉伸强度和断裂伸长率,但对屈服强度的影响不明显,均在19-21MPa范围内,所有样品的力学性能均符合GB/T 1971.2—2016/ISO 5834-2:2011标准。表面多孔结构能够降低在触变性水凝胶（GTS）、生理盐水（NS）和25%小牛血清水溶液（CS）润滑条件下表面的摩擦系数,随着孔隙率增大,摩擦系数在GTS润滑条件下由0.069降低到了0.036,并且表面多孔结构能储存GTS,即具有一定持液性,储存GTS的质量最大可达2.1mg。（2）分别对GTS、NS和CS与表面仿生多孔UHMWPE构成的仿生关节润滑系统进行了润滑性能评价。采用数字粘度计和旋转流变仪测量上述三种润滑液的粘度及流变学性能,其粘度分别26.353、0.002和0.005 Pa·s,且GTS具有剪切稀化性和触变性。通过赫兹接触理论计算在载荷10、20和30N条件下摩擦过程中的最大接触应力,分别为14.6、18.4和20.1MPa,均在屈服强度以下,因此实验过程中最大接触应力满足胡克弹性应变要求,表面多孔结构发生弹性形变,能够通过挤压作用将储存在孔隙中的润滑液释放出来,提供“二次润滑”。采用最小油膜厚度经验公式计算最小油膜厚度及膜厚比,结合Stribeck曲线判断润滑状态,结果表明,在无孔隙UHMWPE摩擦时,GTS润滑条件下,Stribeck曲线出现突变区域,摩擦系数随摩擦速度增大而减小,由0.11左右降低到了0.07左右,润滑状态由边界润滑转变为混合润滑;而NS和CS润滑条件下Stribeck曲线无明显变化,摩擦系数分别稳定在0.08和0.09左右,均为边界润滑。在表面仿生多孔UHMWPE摩擦时,三种润滑液构成的润滑系统Stribeck曲线均出现突变区域,摩擦系数均随摩擦速度增大而减小,通过计算最小油膜厚度与表面粗糙度算数均方根值的比值得到膜厚比,由膜厚比结果可知,GTS、NS和CS润滑条件下膜厚比分别由0.51上升至2.81、0.25上升至1.41和0.27上升至1.51,膜厚比均从1以下上升至1以上,润滑状态由边界润滑转变为混合润滑。GTS润滑条件下的膜厚比与NS和CS更高,因此GTS表现出比NS和CS更加优异的承载能力,具有更好的润滑性能。（3）分别对GTS、NS和CS与表面仿生多孔UHMWPE构成的仿生关节润滑系统进行了长效磨损实验,实验时间分别为3600、5400和7200min。摩擦系数的结果表明,GTS、NS和CS润滑条件下的平均摩擦系数分别为0.037、0.059和0.054左右,GTS具有更低的摩擦系数。磨损量和磨损因子的结果表明,经过7200min摩擦实验后,在GTS、NS和CS润滑条件下的磨损量分别为160×10-3、190×10-3和220×10-3mm~3左右。GTS润滑条件下短期内磨损量与NS和CS润滑条件下相比略高,但随着时间推移,NS和CS润滑条件下磨损量突增而GTS润滑条件下磨损量变化平稳。磨损形貌的变化表明,GTS润滑条件下的磨损机制主要为磨粒磨损,NS润滑条件下的磨损机制主要为磨粒磨损及轻微的黏着磨损,CS润滑条件下的磨损机制主要为磨粒磨损和严重的黏着磨损。对触变性水凝胶GTS的流变学测试表明,在长效润滑实验后,GTS仍然具有剪切稀化性和触变性。研究结果表明:通过薄层平铺法和致孔剂-去除法制备的表面仿生多孔UHMWPE,结合触变性水凝胶构建的仿关节润滑系统具有良好的长效润滑和低摩擦磨损性能,为延长人工关节使用寿命提供了一种新思路。