论文部分内容阅读
肩关节在人们的日常生活有着极其重要的作用,是人体上肢最重要的摩擦副关节之一。然而,肩部疼痛和功能障碍在人群中的发生率较高,肩关节疾患也是常见的疾病,病情较重时只能通过肩关节置换以恢复功能。人工肩关节置换手术开展得较早,但发展较慢;肩关节置换术将成为21世纪最具发展潜力、潜在需求量最大的人工关节。因此,开展肩关节假体的摩擦磨损实验以评价肩关节配副材料的摩擦磨损特性,这对于制备性能优异的人工肩关节材料及促进肩关节置换术的发展具有重要的意义。本文以锻造CoCrMo合金、Ti6Al4V合金两种金属材料和生物医用超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料组合成的人工关节摩擦副为研究基础,设计出肩关节假体的摩擦磨损试验方案。开展人工肩关节磨损对比试验,考察并比较不同人工肩关节配副的阶段与累计失重量、阶段与累计体积磨损量以及线性磨损率的大小及变化规律。利用Abaqus软件,建立简化的肩关节臼-肱骨头模型,获得了接触区域的应力分布。同时,进行Ti6Al4V/UHMWPE、CoCrMo/UHMWPE配副的生物摩擦学性能测试,分析并比较两种金属材料在人工肩关节材料中的应用。与CoCrMo、Ti6Al4V配副的UHMWPE关节窝阶段磨损体积分别在200万转和300万转达到最大值,其值分别是69.75 mm~3和87.51 mm~3,由此可预测CoCrMo和Ti6Al4V材料在植入肩部后最严重磨损时期分别是前2年和前3年。达到稳定阶段时,与CoCrMo、Ti6Al4V配副的UHMWPE体积磨损量大约为53mm~3和76 mm~3。500万次结束后,Ti6Al4V/UHMWPE的累计磨损体积约是CoCrMo/UHMWPE配副的1.38倍。线性拟合后,与CoCrMo、Ti6Al4V配副的UHMWPE的累计磨损体积与试验转数的方程斜率分别是56.150和77.456;从而为预测UHMWPE臼的使用寿命提供一种可用的方法。与CoCrMo和Ti6Al4V配副的UHMWPE臼的平均线性磨损率分别为0.1118 mm/MC和0.1310 mm/MC。简化模型的接触区域集中UHMWPE臼的中上部区域,应力集中分布在接触区域的中上部。在同等载荷作用下,与CoCrMo配副的UHMWPE臼的最大应力值较大,与UHMWPE臼配副的CoCrMo肱骨头的最大应力值较大。在干摩擦试验过程中,Ti6Al4V/UHMWPE的摩擦系数高于同一时期的CoCrMo/UHMWPE配副。而在牛血清润滑试验过程中,Ti6Al4V/UHMWPE配副的摩擦系数均低于同一时期的CoCrMo/UHMWPE配副。在两种不同的润滑条件下,Ti6Al4V/UHMWPE配副的磨损率均高于CoCrMo/UHMWPE配副的磨损率。