仿生关节软骨的生物力学特性及其生物摩擦学研究

发布时间：2017-06-17 09:20

  本文关键词：仿生关节软骨的生物力学特性及其生物摩擦学研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：人工关节的磨损是关节置换无菌性松动的重要原因之一,当人工关节假体植入到人体后,由于假体界面发生磨损,磨损颗粒会引起局部界面骨溶解,导致假体无菌松动,最终造成人工关节置换失败。从改善润滑机制出发,仿照人体天然关节的结构,设计具有减摩特性的软骨-软骨关节的人工关节配副,为从根本上解决人工关节的磨损和无菌松动具有重要的研究意义。本文利用化学结合法制备出带有仿生软骨层的仿生关节软骨结构,利用MTT法对仿生关节软骨的生物相容性进行了研究,仿生关节软骨的细胞毒性分级为1级,无细胞毒性,符合生物材料的医用标准,仿生关节软骨与天然软骨有相似的表面轮廓及力学性能。基于粘-弹理论建立仿生关节软骨的蠕变及应力松弛行为模型,运用有限元法分析其蠕变及应力松弛机理;并对仿生关节软骨的动态力学性能进行系统研究,结果表明:仿生关节软骨的蠕变变形与液体流动速度呈现指数函数关系;多元Kelvin模型与广义Maxwell模型能够很好地描述仿生关节软骨的蠕变与应力松弛行为;仿生关节软骨的储能模量与频率呈对数函数关系,并随液-固比的下降逐渐下降,其损耗因子与天然软骨较为接近。利用有限元法考察了仿生关节软骨的启动摩擦行为,探讨仿生关节软骨的承载润滑机理,利用吸附理论建立滑动速度-摩擦系数、载荷-摩擦系数的关系,深入分析仿生关节软骨的摩擦机理,根据两相理论建立仿生关节软骨滑动摩擦与液体承载的关系,结果表明:仿生关节软骨内部的液相从接触表面渗出,起到液体承载作用;不同速度下摩擦系数与液体承载能力的关系方程为:1.17 1.51/f???W W;仿生关节软骨在滑动摩擦时,摩擦系数与载荷呈现幂函数的关系:0.28??0.077 p,不同载荷下摩擦系数与液体承载能力的关系方程为:1.4 1.83/f???W W。根据人体关节运动方式,考察了仿生关节软骨的摆动、扭动摩擦行为,研究载荷、摆动角度及扭动角度对其生物摩擦学行为的影响,利用有限元建立仿生关节软骨摩擦模型,研究摩擦条件下的液体承载机制、接触力学特征及润滑机理,建立仿生关节软骨摩擦系数与液体承载的关联关系。结果表明:摆动、扭动摩擦系数与法向载荷、摆动角度、扭动角度均呈幂函数关系,摩擦系数与液体承载能力均呈负线性关系,随着载荷及角度的增大,接触界面的水分流失增多,结构发生变化,接触区域的网状结构越紧密,其剪切强度增大,摩擦运动时所需的能量也越大,因此摩擦逐渐增大;扭动摩擦时仿生关节软骨表面的液相逐渐流失,液体承载能力下降,接触界面的状态由完全滑移状态转变为粘滑混合状态,随着载荷的增大,仿生关节软骨中心的粘着区逐渐增大,随着扭动角度的增大,钴铬钼球与仿生关节软骨之间的滑动倾向增大,导致滑移区增大,仿生关节软骨中心的粘着区逐渐减小。首次利用化学结合法制备出带有仿生关节软骨层的关节窝,并尝试在髋关节模拟器上进行生物摩擦学实验,结果表明:仿生关节窝具有优良的载荷缓冲能力,缓冲能力较UHMWPE仿生关节提升了约10%,高载荷循环作用下,仿生关节软骨的液体大量流失,使得仿生关节软骨承载能力下降,引起仿生关节软骨的磨损,最终导致仿生关节窝中仿生软骨层的破裂。
【关键词】：仿生关节软骨 有限元 生物摩擦学 液体承载 润滑机理
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：R318.17
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• Extended Abstract9-29
• 变量注释表29-30
• 1 绪论30-48
• 1.1 课题来源30
• 1.2 研究背景与意义30-32
• 1.3 天然关节软骨的研究现状32-38
• 1.4 仿生关节软骨的研究现状38-45
• 1.5 研究内容与技术路线45-48
• 2 仿生关节软骨的制备及性能表征48-60
• 2.1 引言48
• 2.2 实验材料与方法48-53
• 2.3 结果与讨论53-59
• 2.4 本章小结59-60
• 3 仿生关节软骨的粘弹性能研究60-88
• 3.1 引言60
• 3.2 实验材料与方法60-65
• 3.3 结果与讨论65-87
• 3.4 本章小结87-88
• 4 仿生关节软骨的滑动摩擦行为研究88-112
• 4.1 引言88-89
• 4.2 实验材料与方法89-91
• 4.3 结果与讨论91-111
• 4.4 本章小结111-112
• 5 仿生关节软骨的摆动摩擦行为研究112-130
• 5.1 引言112
• 5.2 实验材料与方法112-115
• 5.3 结果与讨论115-129
• 5.4 本章小结129-130
• 6 仿生关节软骨的扭动摩擦行为研究130-150
• 6.1 引言130
• 6.2 实验材料与方法130-133
• 6.3 结果与讨论133-148
• 6.4 本章小结148-150
• 7 运动方式对仿生关节软骨摩擦行为的影响150-162
• 7.1 引言150
• 7.2 实验材料与方法150-152
• 7.3 结果与讨论152-160
• 7.4 本章小结160-162
• 8 结论与展望162-166
• 8.1 全文主要内容和结论162-164
• 8.2 论文创新点164-165
• 8.3 全文展望165-166
• 参考文献166-180
• 作者简历180-184
• 学位论文数据集184

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：457864