聚合物基仿生人工软骨材料的制备与摩擦学性能研究

【摘要】： 骨与关节损伤是人们生活中常见的症状之一。目前广泛采用人工关节置换术来解决这一问题,但人工关节材料在运动过程中会发生较强的摩擦磨损行为,其使用寿命还达不到人们的要求。人们希望能找到最佳的人工关节置换材料来提高患者的生命质量。 本文从天然软骨层独特的结构和性能着手研究,结合仿生学的理论和方法,对目前研究较多的两种软骨材料进行仿生设计和研究,期望能最终获得具有性能适宜的人工关节软骨材料,它应当有一定的承载能力和较好的可润滑、抗磨损性能,并可与人工关节材料良好连接;或者具有一定的生物活性,能直接与人体关节产生生物结合。针对这个目标,我们在如下几个方面开展了研究工作: 1.对人工关节材料超高分子量聚乙烯(UHMWPE)进行仿生结构设计和性能研究。利用模板——滤取(Template-Leaching)法,制备具有不同孔隙率的多孔UHMWPE试样;孔隙率为27.7%的试样具有适宜的机械强度和多孔结构;这种多孔结构能降低试样与水或牛血清之间的接触角,提高了试样的可润滑性能,从而降低其磨损量;γ辐射处理能增加试样表面的交联度,进一步提高多孔UHMWPE与水或牛血清的可润滑性能,降低试样的磨损量;同时对试样进行梯度结构设计,获得具有较好连接强度的多孔UHMWPE/ UHMWPE梯度材料。 2.在对聚乙烯醇水凝胶(PVA-H)试样性能进行研究的基础上,优化其制备参数。利用不同的交联方法,制备出PVA水凝胶;利用不同的羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)微粒及不同的复合方法,制备了聚乙烯醇水凝胶/羟基磷灰石(PVA-H/HA)复合试样。物理交联试样具有接近于人体天然软骨的含水性能,化学交联法能更好地能提高试样的交联度,强化内部网络结构,从而增强PVA水凝胶的机械性能和摩擦学性能;原位复合法比超声共混法能更好的提高PVA-H/HA复合水凝胶的机械性能和摩擦学性能,其中HA含量为3%～4%时能获得抗磨损性能最佳的强韧性基体。 3.较全面考察了不同条件下PVA-H/HA复合试样的摩擦学性能,研究了其与摩擦副试样之间的润滑、减磨的“软垫轴承”系统,降低摩擦副试样的表面粗糙度和牛血清润滑等条件有利于降低试样的磨损量;研究了纯PVA-H和PVA-H/HA复合试样在模拟体液(SBF)中浸泡后的变化:SBF溶液浸泡后纯PVA试样略有收缩,降低含水性能而提高机械强度,但是不会引导SBF溶液中的Ca2+离子沉积;PVA-H/HA复合水凝胶浸泡后的SBF溶液中Ca、P离子浓度降低,试样表面沉积了一层白色的物质,傅立叶红外光谱仪(FTIR)和X射线衍射(XRD)分析结果证明为具有生物活性的碳酸羟基磷灰石(HCA),表明PVA-H/HA有较好的生物活性,在植入人体后可能与人体骨产生生物结合。 4.在相同摩擦学条件下比较了多孔UHMWPE与PVA-H/HA试样的摩擦磨损特性:干摩擦状态下UHMWPE有着较小的磨损量,水或牛血清润滑时PVA-H/HA的磨损量明显降低,说明有润滑条件下PVA-H/HA试样的抗磨损性能更佳。Stribeck曲线分析表明,在适当的运动条件下,PVA-H/HA复合试样能与不锈钢摩擦副形成流体动力润滑区域,有效降低摩擦磨损现象。但该材料能形成流体润滑区域的Sommerfield条件与人体关节实际服役条件还有一定差距。 最后对课题的下一步工作进行展望:降低软骨材料的磨损量、提高PVA-H/HA的生物活性以及进行动物试验等。