本文關(guān)鍵詞：仿生關(guān)節(jié)軟骨的生物力學特性及其生物摩擦學研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：人工關(guān)節(jié)的磨損是關(guān)節(jié)置換無菌性松動的重要原因之一,當人工關(guān)節(jié)假體植入到人體后,由于假體界面發(fā)生磨損,磨損顆粒會引起局部界面骨溶解,導致假體無菌松動,最終造成人工關(guān)節(jié)置換失敗。從改善潤滑機制出發(fā),仿照人體天然關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu),設(shè)計具有減摩特性的軟骨-軟骨關(guān)節(jié)的人工關(guān)節(jié)配副,為從根本上解決人工關(guān)節(jié)的磨損和無菌松動具有重要的研究意義。本文利用化學結(jié)合法制備出帶有仿生軟骨層的仿生關(guān)節(jié)軟骨結(jié)構(gòu),利用MTT法對仿生關(guān)節(jié)軟骨的生物相容性進行了研究,仿生關(guān)節(jié)軟骨的細胞毒性分級為1級,無細胞毒性,符合生物材料的醫(yī)用標準,仿生關(guān)節(jié)軟骨與天然軟骨有相似的表面輪廓及力學性能。基于粘-彈理論建立仿生關(guān)節(jié)軟骨的蠕變及應(yīng)力松弛行為模型,運用有限元法分析其蠕變及應(yīng)力松弛機理;并對仿生關(guān)節(jié)軟骨的動態(tài)力學性能進行系統(tǒng)研究,結(jié)果表明:仿生關(guān)節(jié)軟骨的蠕變變形與液體流動速度呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)關(guān)系;多元Kelvin模型與廣義Maxwell模型能夠很好地描述仿生關(guān)節(jié)軟骨的蠕變與應(yīng)力松弛行為;仿生關(guān)節(jié)軟骨的儲能模量與頻率呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系,并隨液-固比的下降逐漸下降,其損耗因子與天然軟骨較為接近。利用有限元法考察了仿生關(guān)節(jié)軟骨的啟動摩擦行為,探討仿生關(guān)節(jié)軟骨的承載潤滑機理,利用吸附理論建立滑動速度-摩擦系數(shù)、載荷-摩擦系數(shù)的關(guān)系,深入分析仿生關(guān)節(jié)軟骨的摩擦機理,根據(jù)兩相理論建立仿生關(guān)節(jié)軟骨滑動摩擦與液體承載的關(guān)系,結(jié)果表明:仿生關(guān)節(jié)軟骨內(nèi)部的液相從接觸表面滲出,起到液體承載作用;不同速度下摩擦系數(shù)與液體承載能力的關(guān)系方程為:1.17 1.51/f???W W;仿生關(guān)節(jié)軟骨在滑動摩擦時,摩擦系數(shù)與載荷呈現(xiàn)冪函數(shù)的關(guān)系:0.28??0.077 p,不同載荷下摩擦系數(shù)與液體承載能力的關(guān)系方程為:1.4 1.83/f???W W。根據(jù)人體關(guān)節(jié)運動方式,考察了仿生關(guān)節(jié)軟骨的擺動、扭動摩擦行為,研究載荷、擺動角度及扭動角度對其生物摩擦學行為的影響,利用有限元建立仿生關(guān)節(jié)軟骨摩擦模型,研究摩擦條件下的液體承載機制、接觸力學特征及潤滑機理,建立仿生關(guān)節(jié)軟骨摩擦系數(shù)與液體承載的關(guān)聯(lián)關(guān)系。結(jié)果表明:擺動、扭動摩擦系數(shù)與法向載荷、擺動角度、扭動角度均呈冪函數(shù)關(guān)系,摩擦系數(shù)與液體承載能力均呈負線性關(guān)系,隨著載荷及角度的增大,接觸界面的水分流失增多,結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,接觸區(qū)域的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)越緊密,其剪切強度增大,摩擦運動時所需的能量也越大,因此摩擦逐漸增大;扭動摩擦時仿生關(guān)節(jié)軟骨表面的液相逐漸流失,液體承載能力下降,接觸界面的狀態(tài)由完全滑移狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檎郴旌蠣顟B(tài),隨著載荷的增大,仿生關(guān)節(jié)軟骨中心的粘著區(qū)逐漸增大,隨著扭動角度的增大,鈷鉻鉬球與仿生關(guān)節(jié)軟骨之間的滑動傾向增大,導致滑移區(qū)增大,仿生關(guān)節(jié)軟骨中心的粘著區(qū)逐漸減小。首次利用化學結(jié)合法制備出帶有仿生關(guān)節(jié)軟骨層的關(guān)節(jié)窩,并嘗試在髖關(guān)節(jié)模擬器上進行生物摩擦學實驗,結(jié)果表明:仿生關(guān)節(jié)窩具有優(yōu)良的載荷緩沖能力,緩沖能力較UHMWPE仿生關(guān)節(jié)提升了約10%,高載荷循環(huán)作用下,仿生關(guān)節(jié)軟骨的液體大量流失,使得仿生關(guān)節(jié)軟骨承載能力下降,引起仿生關(guān)節(jié)軟骨的磨損,最終導致仿生關(guān)節(jié)窩中仿生軟骨層的破裂。
【關(guān)鍵詞】：仿生關(guān)節(jié)軟骨 有限元 生物摩擦學 液體承載 潤滑機理
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：R318.17
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-9
• Extended Abstract9-29
• 變量注釋表29-30
• 1 緒論30-48
• 1.1 課題來源30
• 1.2 研究背景與意義30-32
• 1.3 天然關(guān)節(jié)軟骨的研究現(xiàn)狀32-38
• 1.4 仿生關(guān)節(jié)軟骨的研究現(xiàn)狀38-45
• 1.5 研究內(nèi)容與技術(shù)路線45-48
• 2 仿生關(guān)節(jié)軟骨的制備及性能表征48-60
• 2.1 引言48
• 2.2 實驗材料與方法48-53
• 2.3 結(jié)果與討論53-59
• 2.4 本章小結(jié)59-60
• 3 仿生關(guān)節(jié)軟骨的粘彈性能研究60-88
• 3.1 引言60
• 3.2 實驗材料與方法60-65
• 3.3 結(jié)果與討論65-87
• 3.4 本章小結(jié)87-88
• 4 仿生關(guān)節(jié)軟骨的滑動摩擦行為研究88-112
• 4.1 引言88-89
• 4.2 實驗材料與方法89-91
• 4.3 結(jié)果與討論91-111
• 4.4 本章小結(jié)111-112
• 5 仿生關(guān)節(jié)軟骨的擺動摩擦行為研究112-130
• 5.1 引言112
• 5.2 實驗材料與方法112-115
• 5.3 結(jié)果與討論115-129
• 5.4 本章小結(jié)129-130
• 6 仿生關(guān)節(jié)軟骨的扭動摩擦行為研究130-150
• 6.1 引言130
• 6.2 實驗材料與方法130-133
• 6.3 結(jié)果與討論133-148
• 6.4 本章小結(jié)148-150
• 7 運動方式對仿生關(guān)節(jié)軟骨摩擦行為的影響150-162
• 7.1 引言150
• 7.2 實驗材料與方法150-152
• 7.3 結(jié)果與討論152-160
• 7.4 本章小結(jié)160-162
• 8 結(jié)論與展望162-166
• 8.1 全文主要內(nèi)容和結(jié)論162-164
• 8.2 論文創(chuàng)新點164-165
• 8.3 全文展望165-166
• 參考文獻166-180
• 作者簡歷180-184
• 學位論文數(shù)據(jù)集184

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前5條

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3 潘育松;熊黨生;馬如銀;;聚乙烯醇水凝膠/鈦合金摩擦磨損特性的正交試驗研究[J];摩擦學學報;2007年02期

4 趙銘,鄭啟新;人工關(guān)節(jié)材料的研究進展[J];生物骨科材料與臨床研究;2004年07期

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  本文關(guān)鍵詞：仿生關(guān)節(jié)軟骨的生物力學特性及其生物摩擦學研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：457864