纳米纤维增强人工软骨梯度材料制备及其摩擦学性能研究

After being implanted in human body for a long period of time, artificial joint materials would be wear by repeat load and shear, then fragmentation, synovitis or prosthetic loosening will occur. This research proposes preparation method of artificial graded cartilage with nanofiber reinforcement and effects on tribological properties by these modification methods. The artificial cartilage material is polyvinyl alcohol hydrogel, which has potential clinical application. To improve the dispersion and compatibility of nanofibers in artificial graded cartilage materials, modify method and parameters of bacterial cellulose and carbon nanotubes will be examined. Then the mechanical and tribological properties of the composites will be studied. The research includes mutual effects between mechanical properties, friction performance and gradient structure performance in artificial graded cartilage materials. Finally, the interaction mechanism of the above three properties will be clarified，and the controllable preparation of artificial graded cartilage materials will be achieved.

人工关节材料在植入人体长期使用过程中，将承受反复的压力和剪切作用，会导致磨损失效，进而引起材料碎裂、滑膜炎以及假体松动等并发症而危害健康。本项目提出纳米纤维增强高分子基仿生梯度软骨材料的设计和构筑方案，研究纳米级纤维即细菌纤维素和碳纳米管与高分子基仿生软骨材料复合后的摩擦学性能，采用的高分子基仿生软骨材料为具有临床应用潜力的聚乙烯醇水凝胶。通过研究复合材料中细菌纤维素和碳纳米管改性方法和构筑参数，确定提高纳米纤维在高分子基仿生软骨材料中的分散性和相容性工艺，研究其对复合材料力学和摩擦学性能影响。通过对纳米纤维增强高分子基仿生软骨材料力学性能、摩擦性能和梯度结构性能的相互影响进行研究，将揭示复合材料上述三大性能的相互作用机制，促进医用复合关节材料的摩擦学可控设计制备。

人工关节的摩擦、磨损问题是生物摩擦学领域中重要且基础性问题，人工关节的磨损失效会带来各种并发症并危及身体健康。通过本项目的资助，申请人对新型纳米纤维梯度人工关节软骨材料进行研究，并初步研究了该型复合材料的力学和摩擦学性能，并采用天然软骨材料进行对比研究。具体为通过生物力学试验，测试其抗拉压强度，获得材料在模拟承载状况下的表现；在实验室条件下，通过部分模拟人体关节软骨的运动特点和组织液环境，使用多类型摩擦试验机测试其摩擦磨损特性，通过扫描电子显微镜观察材料表面变化情况，并对材料表面进行元素分析以及粗糙度分析，解析其摩擦磨损机制，进一步研究优化材料摩擦磨损特性的措施和方向。本项目研究成果对进一步提高人工关节的抗磨损性能，提高人工关节的使用寿命具有十分重要的科学意义。