具有梯度结构UHMWPE人工关节的制备及其力学性能研究

超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 人工关节，在使用中的磨损是制约其使用寿命的关键问题，传统加工方法而即熔融模压成型法无法从本质上解决其磨损问题。羟基磷灰石（HA）是人体骨骼主要无机盐成分，具有优良的生物活性。.本项目采用溶液凝胶的技术制备UHMWPE/HA复合材料作为髋臼材料，基于其生物力学特征，结构上设计为HA成分呈梯度变化，即与股骨头接触面的HA含量较高，以提高表面硬度、降低磨损量，内部HA含量逐渐减少，以使受力时应力可以向更深层传递，在髋臼最外侧，采用UHMWPE纤维增强UHMWPE树脂的自增强结构。这样既解决了传统方法制备的髋臼材料中可能存在的微纳米UHMWPE颗粒的问题，在结构上也体现了仿生学的特性。通过详细研究梯度复合材料的形态结构与力学性能的关系，并用有限元法对其应力分布进行模拟，为研究UHMWPE人工关节材料的仿生学结构特性、解决磨损问题提供一种新的途径和科学依据。

本项目基于降低超高分子量聚乙烯(UHMWPE) 人工关节在使用中的磨损、分散其应力的思路，研究新型人工关节髋臼材料。采用溶液凝胶的技术制备UHMWPE与羟基磷灰石（HA）复合材料，基于生物力学特征，结构上设计为HA浓度呈梯度变化的UHMWPE/HA复合材料，探讨了不同溶剂条件下UHMWPE及其复合溶液的凝胶化机理，以及对形成的材料的结构的影响,详细研究了梯度复合材料的形态结构与力学性能的关系。并模拟人体关节软骨梯度结构，制备了水凝胶填充UHMWPE/HA复合材料，考察了其结构和摩擦性能。主要研究结果有以下几点：.首先, 探讨了分别以十氢萘和石蜡油作溶剂时，UHMWPE溶液及UHMWPE/HA共混溶液的凝胶化机理。结果表明，由于石蜡油分子结构与UHMWPE分子链结构类似，可起到交联点作用， UHMWPE分子链在比较高的温度（106~108 ℃）发生凝胶化，且凝胶化与相分离关系不大。而十氢萘作溶剂制备的UHMWPE溶液，旋节线分离温度为较低，UHMWPE溶液通过相分离形成聚合物富集区，导致凝胶化。尽管两种溶剂制备的UHMWPE溶液的凝胶结晶机理不同，但得到干凝胶膜中的片晶结构基本相同。分别以两种溶剂制备UHMWPE/ HA复合溶液时发现，十氢萘作溶剂制备UHMWPE/HA复合溶液的凝胶化时间，随着HA含量的增加逐渐缩短。而石蜡油作溶剂时，趋势相反。HA在UHMWPE的石蜡油溶液中分散的更均匀。.然后，利用溶液凝胶法制备了HA的含量呈梯度变化的UHMWPE/ HA复合材料。结果表明，热压成型温度与材料的聚集态结构和摩擦性能的关系密切相关，在一个较窄的温度范围（145~153 ℃）下热压成型的UHMWPE/HA材料，由于UHMWPE的（110）结晶面平行于膜的表面取向，表面具有更好的抗磨损性。复合拉伸模量，剪切模量和泊松比受压膜温度的影响不大。摩擦系数、磨损率和弯曲测试性能都表明，溶液法制备的UHMWPE/HA复合材料的结果要优于常规的熔融法制备的材料。.最后，利用合成锂皂石（laponite）作为模板，原位合成HA，用NaCl作为致孔剂，通过溶液法制备多孔UHMWPE/HA复合材料，模拟人体关节软骨梯度结构制备的复合聚乙烯醇填充UHMWPE/HA梯度人工关节复合材料，在负载1200 N时，摩擦系数可达0.017左右，接近人体关节软骨的摩擦系数，有望得到实际推广应用。