納米填充與輻照交聯(lián)UHMWPE的力學(xué)及摩擦學(xué)性能研究.pdf

1、超高分子量聚乙烯(Ultra High Molecular Weight Polyethylene,簡(jiǎn)稱UHMWPE)是一種具有低摩擦,低磨耗的熱塑性工程塑料,作為承載材料用于人工關(guān)節(jié)臼杯已有五十年的歷史,臨床上目前主要應(yīng)用于人工髖關(guān)節(jié),膝關(guān)節(jié)和腕關(guān)節(jié),與金屬合金或者陶瓷關(guān)節(jié)球頭配合使用。在人體生理沖擊加載條件下,UHMWPE關(guān)節(jié)臼杯表面固有的機(jī)加工缺陷在人體關(guān)節(jié)所特有的多向力運(yùn)動(dòng)下,經(jīng)長(zhǎng)期磨損之后會(huì)產(chǎn)生大量細(xì)小的磨屑,從而誘發(fā)巨噬細(xì)胞

2、產(chǎn)生一系列不良生理反應(yīng),釋放溶骨因子,導(dǎo)致固定和配合良好的人工關(guān)節(jié)發(fā)生無菌松動(dòng),最終失效。由無菌松動(dòng)所導(dǎo)致的人工關(guān)節(jié)失效比例占到其失效比例的50％以上,因此,可以認(rèn)為磨損是人工關(guān)節(jié)失效的主要原因。由此可以看出,降低UHMWPE的磨損率,提高UHMWPE關(guān)節(jié)臼杯的承載能力是提高人工關(guān)節(jié)使用壽命的關(guān)鍵所在。
　　 輻照交聯(lián)可以有效地提高UHMWPE的耐磨性,但輻照后材料部分力學(xué)性能下降,抗壓向載荷的能力減弱,尤其是在空氣輻照條件下,

3、力學(xué)性能的下降和材料氧化老化現(xiàn)象更為明顯。為避免空氣中氧氣對(duì)材料制備的影響,將真空熱壓成型,真空包裝輻照及真空熔融熱處理引入材料制備過程,采用納米填充的辦法解決UHMWPE輻照后材料變軟,承載能力減弱的問題。
　　 本研究根據(jù)人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn),自主設(shè)計(jì)了三工作站膝關(guān)節(jié)磨損實(shí)驗(yàn)機(jī),首先從輻照交聯(lián)改性入手,研究了輻照交聯(lián)對(duì)自制模壓UHMWPE和商用擠出UHMWPE材料摩擦學(xué)性能,力學(xué)性能及微觀結(jié)構(gòu)的影響;在此基礎(chǔ)之上,采用輻照交

4、聯(lián)和納米填充聯(lián)合改性的方法,優(yōu)先選用良好生物相容性的納米羥基磷灰石(簡(jiǎn)稱nano-HAP)作為填充材料,研究輻照交聯(lián)和納米填充對(duì)UHMWPE摩擦學(xué)性能,力學(xué)性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響;最后研究以常規(guī)耐磨添加材料納米二氧化硅(nano-SiO2)作為填料時(shí),輻照交聯(lián)材料在多向運(yùn)動(dòng)磨損條件下的耐磨性,構(gòu)建表面耐磨層。
　　 輻照交聯(lián)減小了低速直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)小牛血清潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù),有效地提高UHMWPE在單向高速運(yùn)動(dòng),低速直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)和

5、膝關(guān)節(jié)磨損條件下的耐磨性,提高了材料抗粘著磨損和磨粒磨損的能力。輻照交聯(lián)后,UHMWPE的凝膠含量隨輻照劑量逐漸增加,結(jié)晶度顯著下降。結(jié)晶度和交聯(lián)度的變化降低了UHMWPE的塑性和抗壓向載荷的能力。輻照后UHMWPE的紅外光譜表明真空熱壓,真空包裝及真空熔融熱處理可以有效地避免UHMWPE在輻照過程中的氧化問題。
　　 適量Nano-HAP的加入有效降低了UHMWPE的摩擦系數(shù)和磨損率,提高了UHMWPE表面抵抗粘著磨損的能力。

6、輻照后的填充材料表面納米粒子能夠形成有效承載使得聯(lián)合改性具有協(xié)同增強(qiáng)耐磨性的作用。填充納米粒子后UHMWPE結(jié)晶度的顯著增加使得UHMWPE的彈性模量和抗壓向載荷的能力得到顯著提高。輻照交聯(lián)材料的摩擦學(xué)性能與摩擦體系的綜合彈性模量存在顯著的數(shù)學(xué)關(guān)系。納米粒子的加入對(duì)輻照交聯(lián)UHMWPE的凝膠含量沒有顯著影響,輻照后UHMWPE/nano-HAP的紅外光譜表明真空熱壓,真空包裝及真空熔融熱處理同樣可以有效地避免UHMWPE在輻照過程中的氧

7、化問題,同時(shí)填料中的含氧基團(tuán)在輻照過程中對(duì)UHMWPE沒有氧化作用。
　　 在多向運(yùn)動(dòng)條件下,未輻照和輻照交聯(lián)UHMWPE/nano-SiO2的磨損率隨著納米填料的增加逐漸減小,相同機(jī)加工條件下不同填充量材料表面的粗糙度未見顯著差異,磨損后材料表面的粗糙度顯著降低。UHMWPE/nano-SiO2與UHMWPE/nano-HAP相比表現(xiàn)出較好的塑性變形的能力。對(duì)填充后的粉末進(jìn)行真空輻照,未見輻照粉末存在明顯的氧化現(xiàn)象,由此構(gòu)建出