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超高分子量聚乙烯/Al2O3人工关节副磨合期磨损颗粒的形态特征
背景:人工关节磨粒作为一种载体不但包含了关节磨损的大量信息,而且也有研究表明磨粒的存在是引起Charnley型全髋关节置换术失败的主要原因.目的:考察蒸馏水润滑条件下超高分子量聚乙烯/Al2O3关节副在关节模拟试验机上运行时产生的磨粒形态特征及超高分子量聚乙烯髋臼的磨损机制.设计:在关节模拟试验机上进行模拟试验.单位:徐州工程学院机电工程学院.材料:髋臼材料为超高分子量聚乙烯(UHMWPE),相对分子质量 3 000 000,密度0.935 g/cm3,硬度30 HB,断裂强度35 MPa,吸水率 < 0.01%.关节球材料为Al2O3陶瓷,密度4 g/cm3,硬度90 HRA,抗拉强度 > 450 MPa,韧性7 MPaM1/2.方法:实验于2003–12/2005–07在中国矿业大学摩擦学试验室完成.采用髋关节模拟试验机评价Al2O3-UHMWPE关节副的摩擦学性能.试验条件:室温,相对转速100 r/min,接触载荷784 N,蒸馏水润滑,试验周期为1.5×106转.超高分子量聚乙烯髋臼的磨损量每隔3×105转测量一次.测量时髋臼取出后置于超声波清洗器中用蒸馏水清洗 3 min,在80 ℃烘箱中烘干40 min后在干燥器中冷却至室温.采用感量为0.01 mg的BT211D型电子天平,并按"参考试样法"测量髋臼试件的磨损质量损失,计算磨损率.称重停机时同时提取一次润滑液样品(20 mL).用扫描电镜观察样品中的磨粒形貌以及超高分子量聚乙烯髋臼的磨损表面.用X射线能量色散谱确定磨粒成分.用LS100R型激光粒度分析仪(含LS SVM Plus分析平台)测量磨粒粒度分布情况.主要观察指标:磨粒的形态特征及粒度分布;超高分子量聚乙烯髋臼的磨损率及磨损情况.结果:超高分子量聚乙烯/Al2O3关节副产生的磨粒尺寸在0.3～180 μm间变化,绝大部分磨粒尺寸为5～20 μm.磨粒群体中99%以上是超高分子量聚乙烯磨粒,根据形态特征可分为5类:球形磨粒、撕裂磨粒、片状磨粒、疲劳剥块及杆状磨粒.Al2O3磨粒主要表现为边界平直的片状或立方体状.在关节副磨合阶段,随着超高分子量聚乙烯髋臼磨损率的降低,磨粒分布曲线呈现出由凸、陡向平缓发展的趋势,且磨粒群体中积聚数量多的磨粒的尺寸在逐渐减小.电镜观察结果显示,超高分子量聚乙烯髋臼的磨损面上存在由磨粒磨损形成的多方向性犁沟、粘着磨损及微观接触疲劳磨损和大范围塑性变形的痕迹.结论:①超高分子量聚乙烯髋臼的主要磨损机制是磨料磨损、粘着磨损、微观疲劳磨损和由塑性变形引起的剥块.②磨粒群体中积聚数量多的磨粒的尺寸较小.
关键词： 生物材料 超高分子量聚乙烯髋臼 Al2O3关节球 形态
