【摘要】：國際貨物貿(mào)易的實現(xiàn)依賴航運業(yè)的發(fā)展,因此航運業(yè)被各國視為國際貿(mào)易的一個傳統(tǒng)支柱行業(yè)。由于航運業(yè)的國際性,參與此行業(yè)的重要成員—船員的工作條件和職業(yè)能力受到國際社會,特別是國際勞工組織的廣泛關(guān)注。研究表明：由于船員處在與陸地環(huán)境完全迥異的海洋環(huán)境中作業(yè),封閉狹小的工作空間,單調(diào)、重復(fù)的機械工作,極易造成他們的關(guān)節(jié)勞損或者罹患嚴重的骨關(guān)節(jié)炎。人工關(guān)節(jié)作為治療骨關(guān)節(jié)炎最為有效的手段之一,其發(fā)展為克服船員的職業(yè)病、提高其日后的生活質(zhì)量及改善勞工關(guān)系提供了積極的保障。因此,研究人工關(guān)節(jié)的有關(guān)問題,對于發(fā)展航運業(yè)也具有十分重要的意義。 當人工置換關(guān)節(jié)植入人體后,在關(guān)節(jié)長期運動過程中無法避免的會產(chǎn)生磨損顆粒。而這些磨損顆粒目前已成為人工關(guān)節(jié)研究的熱點問題之一。其原因為：首先,磨損顆粒包含有豐富的摩擦學信息,能反映置換關(guān)節(jié)的磨損狀態(tài)和機理。其次,人工關(guān)節(jié)骨質(zhì)溶解和無菌松動的發(fā)生與磨損顆粒的特征有著密切的相關(guān)性。本文利用磨損試驗機制備并提取了人工髖關(guān)節(jié)超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene, UHMWPE)磨粒,對磨粒的二維尺寸及形態(tài)、三維幾何輪廓、表面形貌以及彈性模量進行了系統(tǒng)的研究,目的是探討磨粒形成的規(guī)律及機理,總結(jié)典型磨粒的特征及影響,從而為置換關(guān)節(jié)的使用狀態(tài)監(jiān)測及使用壽命預(yù)測提供堅實的基礎(chǔ),并且為考察磨粒的生物相容性以及新型人工關(guān)節(jié)材料的研發(fā)提供更多的實驗依據(jù)。 本文利用原子力顯微鏡技術(shù)在納米尺度下對UHMWPE磨粒的三維幾何輪廓、表面形貌以及彈性模量進行考察。研究表明：納米、亞微米級磨粒同微米級磨粒、UHMWPE基體材料相比,其形態(tài)、表面形貌以及彈性模量都有顯著區(qū)別。粒狀的納米級和亞微米級磨粒其厚度小于UHMWPE材料片晶厚度和片晶空間間隔的厚度、同時擁有更大的彈性模量和更為平滑的表面。分析認為,納米級和亞微米級磨粒是由UHMWPE材料微觀尺度上的磨料磨損產(chǎn)生。而微米級磨粒是由UHMWPE材料宏觀尺度上的粘著磨損或疲勞磨損產(chǎn)生。同時研究還發(fā)現(xiàn),不同形態(tài)的磨粒,其表面的潤滑功能特性也有顯著差異。粒狀磨粒和塊狀磨粒的形態(tài)穩(wěn)定性、表面對稱性、耐磨性以及儲液能力都優(yōu)于纖維磨粒和片狀磨粒。 在實驗室條件下進行的人工髖關(guān)節(jié)模擬磨損實驗除了可以考察生物材料的摩擦學特性之外,還可以在實驗室條件下制備與臨床中產(chǎn)生的磨粒具有相同特征的磨粒,并將制備的磨粒運用到考察磨粒生物反應(yīng)的實驗研究中。潤滑狀況和摩擦副表面初始形貌是影響材料磨損狀態(tài)和磨粒形態(tài)的兩個非常重要的因素。因此本文在不同實驗條件下,綜合運用白光干涉儀和掃描電鏡等技術(shù)和手段,研究磨損表面、磨損顆粒的形態(tài)和三維形貌特性以及之間的相互關(guān)系,從而探討磨損機理及合理的磨粒制備方法。 研究了銷盤磨損試驗機、人工髖關(guān)節(jié)模擬磨損試驗機以及人體內(nèi)人工髖關(guān)節(jié)磨粒的形態(tài),并探討了它們與磨損機理的關(guān)系。同時對這三種磨損形式下的磨粒進行了對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn),三種磨損形式下產(chǎn)生的磨粒不但形態(tài)上有所不同,并且尺寸分布以及尺寸均值也有所不同。與髖關(guān)節(jié)模擬磨損試驗機和人體內(nèi)人工髖關(guān)節(jié)相比,銷盤磨損試驗機上產(chǎn)生的納米級磨粒數(shù)量明顯較高；而微米級磨粒的數(shù)量卻明顯較少。造成上述差異的原因,分析認為是由于試驗機運動形式以及受力情況不同造成。人體內(nèi)的人工髖關(guān)節(jié)在摩擦磨損過程中產(chǎn)生的納米級磨粒的平均長度明顯大于在實驗室條件下產(chǎn)生的納米級磨粒。造成這種差異的原因分析可能是由于磨粒遷移或磨損狀態(tài)不同。從這些研究中獲取的結(jié)果將為合理選擇研究方法和手段提供了有價值的依據(jù)。
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2013
【分類號】：R318.17;U676.2

【參考文獻】

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