不同材料匹配人工髖關(guān)節(jié)的接觸力學(xué)及潤滑分析.pdf

1、在人工髖關(guān)節(jié)置換臨床手術(shù)中獲得廣泛應(yīng)用的關(guān)節(jié)材料主要有金屬類,陶瓷類以及聚乙烯等。由于材料組配及相應(yīng)的接觸力學(xué)分析在關(guān)節(jié)生物制造工程中尤為重要,選用合理的材料組配有助于人工關(guān)節(jié)綜合生物摩擦學(xué)性能的提高。本文將選取金屬類的典型材料鈷鉻鉬合金(CoCrMo),陶瓷類的典型材料氧化鋁(Al2O3)以及聚乙烯(UHMWPE)材料作為研究對象,采取金屬對金屬(MOM)、金屬對陶瓷(MOC)、陶瓷對陶瓷(COC)、陶瓷對聚乙烯(COP)、金屬對聚乙

2、烯(MOP)五組材料組配,對其進(jìn)行相應(yīng)的接觸力學(xué)性能分析與比較,了解不同材料組配人工髖關(guān)節(jié)的摩擦、磨損性能,為關(guān)節(jié)生物制造工程提供參考依據(jù)。具體通過以下三個分析過程依次實(shí)現(xiàn):
　　 (1)通過對不同材料匹配后的人工髖關(guān)節(jié)施加靜態(tài)載荷,等效模擬人工髖關(guān)節(jié)受載后的接觸效應(yīng),分析不同材料匹配人工髖關(guān)節(jié)在施加同等載荷情況下,各自的接觸力學(xué)性能并對磨損進(jìn)行預(yù)測。分析說明選擇彈性模量過大或者過小的材料應(yīng)用在人工髖關(guān)節(jié)上并不理想,通過實(shí)驗所選

3、擇材料匹配的人工髖關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力分析,從接觸力學(xué)性能方面來考慮人工髖關(guān)節(jié)的磨損情況以及對人工髖關(guān)節(jié)的使用壽命影響,選用金屬對金屬(MOM)和金屬對陶瓷(MOC)匹配的人工髖關(guān)節(jié),可以獲得更好的接觸力學(xué)性能。
　　 (2)根據(jù)人體正常行走步態(tài)情況,繪制人體髖關(guān)節(jié)在正常行走步態(tài)完整周期過程中承受的載荷曲線。通過有限元方法分析人工髖關(guān)節(jié)在正常行走步態(tài)下的接觸應(yīng)力分布情況,并根據(jù)人工髖關(guān)節(jié)接觸界面上接觸應(yīng)力變化繪制接觸應(yīng)力曲線,按照人工髖

4、關(guān)節(jié)界面的接觸應(yīng)力變化曲線,預(yù)測人體正常行走步態(tài)過程中最容易發(fā)生磨損的步態(tài)階段。數(shù)值模擬表明,在人體正常行走步態(tài)周期中,出現(xiàn)單腳支撐身體的行走階段,人工髖關(guān)節(jié)的接觸界面最容易發(fā)生磨損。
　　 (3)根據(jù)人體正常行走步態(tài)情況,髖關(guān)節(jié)承受的動態(tài)載荷及髖關(guān)節(jié)髖臼與股骨頭之間的接觸界面的相對滑動速度,編程離散處理Hamrock and Dowson的最小油膜厚度計算公式,來評定人體正常行走步態(tài)情況下人工髖關(guān)節(jié)接觸界面的潤滑狀態(tài),通過潤滑