仿生多孔UHMWPE的制备与摩擦学问题研究

人工关节材料的耐磨损性能是制约关节置换患者生命质量的重要因素之一。本课题模拟人体软骨层的多孔可渗透结构，利用多孔泡沫镍和UHMWPE粉体为原料，制备多孔UHMWPE人工关节材料，研究多孔特征与试样机械性能、润湿性能之间的联系；采用摩擦学的基础理论和研究方法，针对多孔人工关节材料UHMWPE的摩擦学问题进行研究，据此分析多孔结构的"软骨泵"机理；研究摩擦学试验后磨屑在孔隙中的分布情况，构建多孔结构特征与其吸纳磨屑能力之间的联系；综合上述三方面的研究结果，获得最佳的多孔特征参数，并建立多孔结构与其机械性能、摩擦磨损性能、吸纳磨屑能力之间的内在联系。通过本课题研究，能推动多孔结构的润滑减磨及吸收磨屑机理研究，为新型人工关节的设计奠定理论依据。

在基金的资助下，本课题组人员按照项目书计划，对仿生多孔UHMWPE试样的制备和摩擦学性能进行研究。运用模板溶解法，以多孔镍为制孔模板，以UHMWPE粉末为基体材料，在一定温度下热压成型，随后浸入稀硝酸中，待多孔镍完全溶解后取出，即获得具有贯通性多孔结构的仿生UHMWPE试样。通过改变试样中多孔镍的参数，能获得具有不同孔径、孔隙率和多孔层厚度的UHMWPE试样。利用万能材料试验机对多孔试样的强度进行了测试，试验结果显示随着孔隙率的升高，试样抗压能力随孔隙率的升高而呈现急剧下降趋势。且当压力超过一定值后试样表面发生明显的压溃现象。. 利用摩擦磨损试验机对试样进行摩擦学性能测试。通过考察不同润滑剂、不同配副材料和不同孔隙参数对摩擦学结果的影响，发现当牛血清做润滑剂时试样的耐磨减摩性能普遍得到提高，与普通UHMWPE盘试样相比，与不锈钢盘材料对磨时多孔UHMWPE试样的摩擦系数稍低，但是其磨损量增幅较大。原因在于不锈钢盘表面的凸峰对多孔UHMWPE试样表面产生较为严重的犁沟效应，增大了磨损量。随后试验重点研究的是多孔参数对其摩擦学性能影响。试验发现，随着孔隙率增加，多孔试样的摩擦系数和磨损量有所下降，原因在于孔隙率越高，多孔UHMWPE试样表面更容易形成混合润滑区域，从而降低接触面的摩擦磨损行为。牛血清因具有较高粘度而显现出更好的润滑效果。随着多孔层厚度的增加，试样摩擦磨损性能有所提高，但是与其他影响因素相比，对结果的影响不大。原因在于多孔材料表面的润滑性能及其持液释放能力仅与表层材料结构及属性有关。. 原计划对多孔试样孔隙所特有的磨屑吸纳能力进行研究，但是经过一段时间的研究后发现难于对孔隙内的磨屑进行测量和表征，为此对研究内容作了一些调整。鉴于多孔UHMWPE特殊的多孔结构能降低其摩擦系数和磨损量，我们在UHMWPE试样表面制造出一些规则的孔洞，在一定环境下进行摩擦学测试，并与普通UHMWPE试样的结果进行对比，最后利用ANSYS、Fluent软件对其进行建模和分析。方差分析表的结果显示，多孔材料的直径和试验载荷对摩擦学结果影响程度较大，而试验转速的影响较小。多孔试样的有限元分析显示，试样的磨损量曲线与有限元分析的等效应力值曲线较为一致，说明试样表面的等效应力是影响磨损量的主因。