人工髖關(guān)節(jié)表面改性及摩擦學(xué)性能研究.pdf

1、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和鈷鉻鉬合金(CoCrMo)是目前臨床應(yīng)用廣泛的人工關(guān)節(jié)材料。關(guān)節(jié)在使用過程中會(huì)產(chǎn)生UHMWPE磨屑,可以導(dǎo)致關(guān)節(jié)周圍界膜形成和骨吸收,導(dǎo)致無菌松動(dòng),同時(shí)金屬腐蝕、金屬磨損顆粒以及金屬的撞擊等產(chǎn)生的金屬離子也會(huì)在人體內(nèi)產(chǎn)生一系列化學(xué)反應(yīng),影響關(guān)節(jié)使用壽命。
　　 為了提高UHMWPE耐磨性,減少磨屑產(chǎn)生,本文利用電子回旋共振(ECR)等離子技術(shù)對(duì)UHMWPE進(jìn)行表面改性；為了研究CoCrMo材料生

2、物摩擦學(xué)特性,本文利用電化學(xué)的方法檢測(cè)金屬的磨損過程；為了評(píng)價(jià)關(guān)節(jié)頭表面類金剛石(DIC)薄膜改性以及等離子浸沒離子注入(PⅢ)改性對(duì)人工關(guān)節(jié)耐磨性的影響,本文利用人工關(guān)節(jié)模擬試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)其耐磨性。
　　 本文以氬氣和氧氣為處理氣體,利用ECR等離子體技術(shù)對(duì)UHMWPE進(jìn)行表面改性,利用傅里葉紅外光譜(FTIR)、X射線光電子能譜(XPS)分析材料表面化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)；利用納米劃痕實(shí)驗(yàn)分析材料表面力學(xué)性能；利用循環(huán)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)

3、材料摩擦磨損性能；用SEM觀察劃痕和磨痕形貌,分析磨損機(jī)制。
　　 研究結(jié)果表明,等離子體處理過程在UHMWPE表面形成了C—O、C=O等含氧官能團(tuán),增加了材料表面浸潤(rùn)性。等離子體處理以后材料表面交聯(lián)度提高,材料表面硬度以及剪切強(qiáng)度提高,使樣品抵抗劃擦的能力增強(qiáng)。特別是氧等離子體處理以后,UHMWPE劃痕實(shí)驗(yàn)幾乎沒有破壞試樣表面。等離子體處理后的樣品表現(xiàn)出良好的耐磨性,特別是抵抗磨粒磨損以及疲勞磨損的能力提高。
　　 對(duì)

4、CoCrMo合金磨損腐蝕行為的研究中,設(shè)定不同的磨損參數(shù)(載荷和頻率),通過電化學(xué)響應(yīng)監(jiān)測(cè)(開路電位和陽極極化)手段研究材料磨損機(jī)制、摩擦和腐蝕相互作用關(guān)系以及腐蝕介質(zhì)中蛋白質(zhì)的作用機(jī)制。研究結(jié)果表明:Co合金表面鈍化膜在磨損過程中被磨壞,但是又可以在容易中再次重建；金屬磨損的過程其實(shí)是鈍化膜破壞和重建同時(shí)進(jìn)行的過程,當(dāng)這兩個(gè)過程達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡以后,開路電位也就穩(wěn)定,穩(wěn)定電位不隨載荷和磨損頻率的改變而變化；極化實(shí)驗(yàn)表明,與靜態(tài)極化實(shí)驗(yàn)相比

5、,磨損可以加速材料的腐蝕作用,使更多的金屬離子釋放到溶液中,小牛血清中的蛋白質(zhì)可以與溶液中的金屬離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成新的惰性層,有效的阻止金屬離子的釋放；但是由于蛋白質(zhì)的存在會(huì)加速金屬的腐蝕作用,因此金屬擊穿電位降低。
　　 本文以UHMWPE-CoCrMo人工關(guān)節(jié)為研究對(duì)象,利用磁過濾真空離子鍍(FCVA)方法在CoCrMo關(guān)節(jié)頭上制備了DLC薄膜,利用PⅢ方法對(duì)CoCrMo關(guān)節(jié)頭進(jìn)行氮離子注入改性。利用人工關(guān)節(jié)磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)

6、價(jià)改性前后人工關(guān)節(jié)的耐磨性,計(jì)算磨損質(zhì)量大小,并通過光鏡和掃描電鏡分析磨損形貌。研究結(jié)果表明:與未磨損的樣品相比,磨損后UHMWPE關(guān)節(jié)臼內(nèi)表面有明顯的鏡面拋光效果,對(duì)光的反射效果更好,并且磨損區(qū)域可以根據(jù)磨損形貌的不同分為4個(gè)區(qū)域:極地磨損區(qū)、中間磨損區(qū)、邊界磨損區(qū)和未磨損區(qū)；FCVA制備的DLC薄膜有良好的結(jié)合力和耐磨性,在關(guān)節(jié)頭完成200萬轉(zhuǎn)的磨損以后,薄膜依然完好無損；注氮層表面由于高能離子的轟擊和注入作用,表面有很多大小顆粒,