仿生关节囊生物力学与其摩擦学研究

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1、河大学埘l学位论殳摘要人工关节詈换是对因肿瘤、疾病或其它事故造成的关节破坏进行修复、解除痛苫、畸形和功能障碍等，束重建一个功能接近『F常的人工假肢。人]：关节目酊存在的主要问题是关节配副磨损严重．磨损量大，日．磨屑引起体内异物反应，从而使假体松动、下沉，影响运动功能。国内外在人工关节配副材料及表面涂层上做了大量的研究，期望以提高人工关节配副削磨性来减少磨损和磨屑，但并未显著改善人工关节润滑状况，磨损颗粒引起的相关问题依然大量存在。人工关节与人体天然关节相比，由于没有分泌和储存滑液的关节囊组织，从而不具有天然关节那种优异摩擦学特性和润滑性能。因此，要解决人工关节磨损

2、严重以及由磨损引起的一系列人工关节置换失效等问题，丌展仿生人工关节囊的研究是一个很有意义的方案。本文茸先建立了基于解剖基嗉关节的仿生人工关节囊仿真模璎，将计算机仿真技术应用于仿生关节囊研究，经对立占立态和步态仿真，获悉其受力情况。通过对不同厚度仿生关节囊的力学仿真，研究仿生关节囊厚度对关节囊中所受力大小及分栉的影响规律。结果表明：无论在何种情况卜，仿生关节囊中最大应力都发生在囊和关节的紧密接合处，仿生关节囊厚度对关节囊中应力大小及分布规律影响与其所处状态有关。在本文的研究中，仿真得出关节囊的最大应力为1．62MPa。实验制备了两种仿生人_[关节囊材料(尼龙／有机硅

3、复合仿7卜人工关节囊材料和不含尼龙支架的有机硅仿，￡人工关节囊材料)并在Zwick／RoellZ020材料实验机上考察了两种仿生人工关节囊材料的静力学强度。结果表明：制备的两种仿生人工关节囊材料强度分别为702MPa，7．51MPa，与仿真结果相比是安全可靠的。利用自制的仿牛人工关节模拟实验评价装置，列自制的有机硅仿生关节囊进行了长时帕J的弯曲／伸展动念疲劳循环实验。经历6×10。次疲劳实验后的关节囊经扫拈电镜(SEM)观察分析，没有发现疲劳损伤，保持着完好状态。本实验证明采用关节囊完全可以阻Lr麝屑侵入体内。最后对仿生关节囊密封F的CoCrMo球头和超高分子黾聚

4、乙烯(UHMWPE)F1人工关节摩擦副在不同润滑剂洞滑下，进行了摩擦磨损初步实验研究。结果表明在复合滑液涧V卜湘人学坝I‘学位论文—————————————————————————————一滑作用下磨损最小，复合滑液表现出的优良润滑性能可能与复合滑液在摩擦乱表面形成的一层类似球形分子结构的膜有关。通过对仿生关节囊生物力学仿真，以及静力强度和动态疲劳的实验研究，获悉用以制备关节囊材料所要满足的力学性能和强度要求。经对不同润滑剂润滑F的coCrMo／UHMWPE摩擦磨损实验，考察不同洞滑剂的润滑性和降磨性。本论文的相关结果将为关节囊结构的优化设计、仿生人：I：关节的不

5、断完善提供关键词：仿生关节囊：生物润滑：仿真；动态疲劳Vl沟人学坝{+学位论文ABSTRACTArtificialjointprostheseswereusedtorecoverthedamagedjointscausingbyknubs，diseases，oraccidents．Researchershavealsofoundoutthatthelateprostheseslooseningwereassociatedwiththeexcessiveincreaseofweardebrisandtheweardebriscausingadversecellula

6、rreactionsTherefore．1ifetimeofartificialjointswasshortenedprimarilybylooseningcausedbyosteolysisthatinducedbyparticlesofweardebris．AlotofresearcheshavebeendoneOnthenewmaterials，surfacecoatingsandprosthesesdesign，inordertoimprovetheanti—wearpropertiesoftheartificialjointsButresultsaren

7、otsatisfyingandproblemsrelatedtoweardebrisandosteolysisstillexist．Currently，theartificialjointsarelackofarticularcartilageandarticularcapsulewhichtakesthefunctionsasstoringandreleasingsynovialfluid．anditalsoomitthefunctionsofsynobialfluid．AndSO，theartificialjointdoesn’thavetheexcellen

8、ttrib