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人工关节磨屑表征及磨屑生物反应研究

刘洪涛  
【摘要】: 人工关节一个主要的失效方式是植入人体后产生了无菌性松动,该失效方式与人工关节产生的磨屑形态及人体对磨屑产生的生物反应有很大关系。本文利用全髋关节模拟试验机对常用的人工关节材料进行了性能测试,制备并提取了人工关节磨屑,对人工关节磨屑的生成过程、存在状态及生物反应等进行了系统性研究。目的是发现磨屑在人体内产生的规律和影响,从而为人工关节材料的改良和发展,人工关节模拟试验设备的研制提供更多的实验和理论依据。 本文对CoCrMo-UHMWPE和Ti6Al4V-UHMWPE摩擦副进行了摩擦磨损试验,试验结果表明,中国矿业大学摩擦学及可靠性工程研究所开发的全髋关节模拟试验机Ⅱ型是更加符合人体实际情况的新一代人工关节试验机。 研究了UHMWPE人工关节磨屑、钛合金人工关节磨屑及人体病变骨关节磨屑形态,并分析了磨屑形态与人工关节材料、磨损机理、磨损状态之间的对应关系。通过对人工关节磨屑的厚度分布规律的研究,建立了磨屑初级厚度和次级厚度数学模型,提出了磨屑厚度的不变性原理和磨屑特征粒度的概念。 通过对磨屑分布及团聚的研究,得到了人工关节磨屑的粒度分布和团聚的规律,探知和描述了磨屑群体存在的重要形式,并发现纳米级磨屑的团聚过程存在双峰分布现象,在分散剂中团聚依然存在软团聚和硬团聚两种团聚形式。 基于磨屑破碎过程和尺寸分布的统计自相似性,根据颗粒破碎后质量守恒定律,建立了磨屑破碎过程的多重分形模型,并利用多重分形模型对人工关磨屑和人体关节磨屑的分布及破碎过程进行了表征,并以数论和矩阵2种方式对模拟过程进行了论述。 建立了两种新的磨屑轮廓表征方法——雷达图分形表征和鱼骨图分形表征方法,并以雷达图分形表征方法为例,论述了该方法的对磨屑轮廓表征的惟一性和相对于其它轮廓分形表征方法的优越性,论述了雷达图分形表征方法计算机编程自动实现过程。 对超高分子量聚乙烯磨屑进行了生物体外成骨细胞反应试验和体内反应试验,设计了磨屑生物反应的细胞培养瓶。研究表明,超高分子量聚乙烯磨屑具有抑制成骨细胞的增殖的作用,并可以刺激巨噬细胞增生并释放多种炎症介质,诱导破骨细胞形成和增生增生,引起邻近骨质吸收和骨重建紊乱,使关节产生无菌性松动。


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