人工髋关节的磨损行为及磨粒形态研究

自行研制了人工髋关节模拟试验机。运动分析表明,该试验机运转过程中能在被测偶副表面间产生交叉状、多向复合滑动运动。在该试验机上以不同滑动方式对比考察UHMWPE-Al2O3 人工关节偶副的生物摩擦学行为时发现,多向复合滑动方式下UHMWPE 的主要磨损机制是磨粒磨损、粘着磨损及塑性变形导致的表层材料损失,此时UHMWPE 的磨损率明显高于单向滑动方式,蒸馏水润滑时二者之比约为2.5:1。分析表明UHMWPE 在多向复合滑动方式下的磨损机理、磨损率及产生的磨粒均与临床观测结果相一致。试验中以蒸馏水及血浆作润滑剂时发现,二者均能够阻止UHMWPE 向Al2O3陶瓷表面的材料转移。血浆润滑时,UHMWPE 的磨损率比蒸馏水润滑时高出25%左右,试验后在UHMWPE 及Al2O3陶瓷对摩表面上均发现有血浆蛋白沉积现象发生,且测试结果显示血浆蛋白沉积后的UHMWPE 表面摩擦系数变大。试验过程中产生的人工关节磨粒的长度尺寸基本位于0.3～180μm 范围内,85%的磨粒粒径小于20μm。磨粒轮廓形态、表面纹理等相差较大,且与人工关节材料、磨损机理等密切相关。对磨粒表征参数的分析表明,建立在欧氏几何和统计学基础之上的传统磨粒表征参数由于与分析尺度密切相关,在表征外形复杂的磨粒时往往表现出很强的不确定性,因此这些参数在表征人工关节磨粒并提取磨粒本质特征方面的应用受到很大限制。研究表明,人工关节磨粒的轮廓及积聚数量分布都表现出明显的分形行为,可用相应的各阶分形维数来表达。在UHMWPE-Al2O3关节副磨合阶段,对应于UHMWPE的主要磨损机制由磨料磨损向粘着磨损、微观疲劳磨损过渡,粘着磨粒逐渐取代撕裂磨粒而成为磨粒群体中的主要磨粒形式,磨粒群体尺寸逐渐发散且积聚分布的“重心”向小粒径方向移动。与此相对应,磨粒群体的轮廓分形维数Dm、小粒径磨粒积聚维数D1、大粒径磨粒积聚维数D2及拐点位置S_t均表现出逐渐下降的趋势。统计分析表明, Dm、D1、D2 及St 与磨损状态间均存在较好的关联性。