人工髋关节磨粒特征及磨损机理研究

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1、分类号UDC学校代码!Q塑2学号武旌理歹大穿学位论文题目△墨壁苤茔麈鳖挂堑盈麈塑垫垄叠塞英文——StudyontheCharacterisationoftheWearParticlesandth—e题目鳖丛M曼鱼鱼垫i墨堡Q￡垒照i鱼鱼垒!H砸＆i堕!研究生姓名基壶莲姓名芒堑±职称整撞学位盛±指导教师单位名称丝塑鱼邈左墨猩堂瞳邮编430063申请学位级别盛±学科专业名称氢重墨县重旦三猩论文提交13期2013．3论文答辩日期学位授予单位盍墨垄墨盘堂学位授予日期答辩委员会主席2013年5月评阅人2013．5独创性声明

2、本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特NJJI]以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：望鱼盗日期：翌竺：墨窆学位论文使用授权书本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工

3、大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。(保密的论文在解密后应遵守此规定)研究生(签名)．城督导师(签名)劣戡日期：姒7．矽武汉理工大学博士学位论文摘要lUllqIllUllqllIIIilllIIIIIY2363222国际货物贸易的实现依赖航运业的发展，因此航运业被各国视为国际贸易的一个传统支柱行业。由于航运业的国际性，参与此行业的重要成员—船员

4、的工作条件和职业能力受到国际社会，特别是国际劳工组织的广泛关注。研究表明：由于船员处在与陆地环境完全迥异的海洋环境中作业，封闭狭小的工作空间，单调、重复的机械工作，极易造成他们的关节劳损或者罹患严重的骨关节炎。人工关节作为治疗骨关节炎最为有效的手段之一，其发展为克服船员的职业病、提高其日后的生活质量及改善劳工关系提供了积极的保障。因此，研究人工关节的有关问题，对于发展航运业也具有十分重要的意义。当人工置换关节植入人体后，在关节长期运动过程中无法避免的会产生磨损颗粒。而这些磨损颗粒目前已成为人工关节研究的热点问题之

5、一。其原因为：首先，磨损颗粒包含有丰富的摩擦学信息，能反映置换关节的磨损状态和机理。其次，人工关节骨质溶解和无菌松动的发生与磨损颗粒的特征有着密切的相关性。本文利用磨损试验机制备并提取了人工髋关节超高分子量聚乙烯(ultra-highmolecularweightpolyethylene，UHMWPE)磨粒，对磨粒的二维尺寸及形态、三维几何轮廓、表面形貌以及弹性模量进行了系统的研究，目的是探讨磨粒形成的规律及机理，总结典型磨粒的特征及影响，从而为置换关节的使用状态监测及使用寿命预测提供坚实的基础，并且为考察磨粒的

6、生物相容性以及新型人工关节材料的研发提供更多的实验依据。本文利用原子力显微镜技术在纳米尺度下对UHMWPE磨粒的三维几何轮廓、表面形貌以及弹性模量进行考察。研究表明：纳米、亚微米级磨粒同微米级磨粒、UHMWPE基体材料相比，其形态、表面形貌以及弹性模量都有显著区别。粒状的纳米级和亚微米级磨粒其厚度小于UHMWPE材料片晶厚度和片晶空间间隔的厚度、同时拥有更大的弹性模量和更为平滑的表面。分析认为，纳米级和亚微米级磨粒是由UHMWPE材料微观尺度上的磨料磨损产生。而微米级磨粒是由UHMWPE材料宏观尺度上的粘着磨损或

7、疲劳磨损产生。同时研究还发现，不同形态的磨粒，其表面的润滑功能特性也有显著差异。粒状磨粒和块状磨粒的形态稳定性、表面对称性、耐磨性以及储液能力都优于纤维磨粒和片状磨粒。在实验室条件下进行的人工髋关节模拟磨损实验除了可以考察生物材料的摩擦学特性之外，还可以在实验室条件下制备与临床中产生的磨粒具有相同特武汉理工大学博士学位论文征的磨粒，并将制备的磨粒运用到考察磨粒生物反应的实验研究中。润滑状况和摩擦副表面初始形貌是影响材料磨损状态和磨粒形态的两个非常重要的因素。因此本文在不同实验条件下，综合运用白光干涉仪和扫描电镜等

8、技术和手段，研究磨损表面、磨损颗粒的形态和三维形貌特性以及之间的相互关系，从而探讨磨损机理及合理的磨粒制备方法。研究了销盘磨损试验机、人工髋关节模拟磨损试验机以及人体内人工髋关节磨粒的形态，并探讨了它们与磨损机理的关系。同时对这三种磨损形式下的磨粒进行了对比。结果发现，三种磨损形式下产生的磨粒不但形态上有所不同，并且尺寸分布以及尺寸均值也有所不同。与髋关节模拟磨损试验机和