论文部分内容阅读
在人工髋关节置换临床手术中获得广泛应用的关节材料主要有金属类，陶瓷类以及聚乙烯等。由于材料组配及相应的接触力学分析在关节生物制造工程中尤为重要，选用合理的材料组配有助于人工关节综合生物摩擦学性能的提高。本文将选取金属类的典型材料钴铬钼合金（CoCrMo），陶瓷类的典型材料氧化铝（Al2O3）以及聚乙烯（UHMWPE）材料作为研究对象，采取金属对金属（MOM）、金属对陶瓷（MOC）、陶瓷对陶瓷（COC）、陶瓷对聚乙烯（COP）、金属对聚乙烯（MOP）五组材料组配，对其进行相应的接触力学性能分析与比较，了解不同材料组配人工髋关节的摩擦、磨损性能，为关节生物制造工程提供参考依据。具体通过以下三个分析过程依次实现：(1)通过对不同材料匹配后的人工髋关节施加静态载荷，等效模拟人工髋关节受载后的接触效应，分析不同材料匹配人工髋关节在施加同等载荷情况下，各自的接触力学性能并对磨损进行预测。分析说明选择弹性模量过大或者过小的材料应用在人工髋关节上并不理想，通过实验所选择材料匹配的人工髋关节接触应力分析，从接触力学性能方面来考虑人工髋关节的磨损情况以及对人工髋关节的使用寿命影响，选用金属对金属（MOM）和金属对陶瓷（MOC）匹配的人工髋关节，可以获得更好的接触力学性能。(2)根据人体正常行走步态情况，绘制人体髋关节在正常行走步态完整周期过程中承受的载荷曲线。通过有限元方法分析人工髋关节在正常行走步态下的接触应力分布情况，并根据人工髋关节接触界面上接触应力变化绘制接触应力曲线，按照人工髋关节界面的接触应力变化曲线，预测人体正常行走步态过程中最容易发生磨损的步态阶段。数值模拟表明，在人体正常行走步态周期中，出现单脚支撑身体的行走阶段，人工髋关节的接触界面最容易发生磨损。(3)根据人体正常行走步态情况，髋关节承受的动态载荷及髋关节髋臼与股骨头之间的接触界面的相对滑动速度，编程离散处理Hamrock and Dowson的最小油膜厚度计算公式，来评定人体正常行走步态情况下人工髋关节接触界面的润滑状态，通过润滑效果来预测人工髋关节的接触界面在正常行走过程中的磨损情况。数值分析表明，当人体在正常行走情况下，人体处于单脚支撑身体时，髋关节接触界面处于重载荷、低相对滑动速度，这个阶段接触界面之间的最小油膜厚度最小。如金属对金属(MOM)、陶瓷对陶瓷(COC)、金属对陶瓷(MOC)的硬质材料人工髋关节，润滑状态为混合润滑和边界润滑。以聚乙烯材料为髋臼的人工髋关节，润滑状态处于边界润滑状态。