毕业设计（论文）-钛合金与UHMWPE界面间的往复摆动.doc

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1、本科生毕业设计姓 名： 学 号 学 院： 材料科学与工程学院 专 业： 材料科学与工程 设计题目： 钛合金与UHMWPE界面间的往复摆动 摩擦磨损特性研究 专 题： 指导教师： 职 称： 教授 职 称： 教授 年 月 摘 要在颈椎退变的治疗中，人工椎间盘置换术（TDR）具有保持手术节段正常活动度和稳定性、改善邻近椎间隙内压力、减少邻近节段新发病率等优点，被认为是最有发展前景的脊柱生物力学重建技术。TDR使用的人工颈椎间盘中，球窝型人工椎间盘作为最常用的一种，其关节面间的摩擦磨损是影响TDR的重要因素。本文选用Ti6Al4V合金(TC4)窝和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）球为配副材料，研究球窝

2、型摩擦副在不同生物介质中往复摆动摩擦磨损性能。往复摆动角度分别为2.5、5、7.5，接触载荷分别为50N、100N、150N，润滑条件分别为干摩擦、模拟体液和小牛血清。利用摩擦副间摩擦系数变化、光学表面形貌、UHMWPE的磨损量和磨屑粒度等分析其磨损机理。结果表明：摩擦副的磨损随往复摆动角度和接触载荷的增大而加剧。干摩擦条件下摩擦副的磨损状况最严重，钛合金的磨损以磨粒磨损和氧化磨损为主，UHMWPE的磨损以粘着磨损和磨粒磨损为主；在模拟体液、牛血清润滑条件下，摩擦系数、磨损量和表面擦伤均有不同程度的降低。润滑条件下磨损机理以粘着磨损和磨粒磨损为主，并存在少量的氧化磨损。关键词：人工椎间盘； 钛

3、合金； 超高分子量聚乙烯； 往复摆动； 摩擦磨损特性 ABSTRACTTotal disc replacement (TDR) can be used to replace a degenerated intervertebral disc in the spine. Its a motion preservation device which can improve pressure within the intervertebral space adjacent and reduce a high incidence of adjacent disc degeneration. There

4、fore, TDR is considered as the most promising spinal biomechanics reconstruction. One important part used in TDR is artificial cervical disc. Among current designs, ball-and-socket combination is one of the most common artificial cervical discs. The friction and wear between the bearing surfaces wer

5、e significant factors influencing TDR. The present work attempts to explore the friction and wear properties of ball-and-socket combination in various biological media under jigging motion conditions, using titanium alloy socket and ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) ball. The tribolo

6、gical tests were performed at the swing angles of 2.5，5and7.5, under the contact loads of 50，100and 150N, in SBF and new born calf serum lubrication condition, respectively. The friction coefficient，wear rate，worn shape characteristic and wear debris were measured to analyze the wear mechanisms.The

7、results reveal that the wear amounts of ball-and-socket combination increases with the increasing of angles and loads and are the worst under the dry friction. The wear mechanisms of titanium are mainly the combination of abrasive wear and oxidation wear, while the wear mechanisms of UHMWPE are the

8、combination of adhesive wear and abrasive wear. Compared to the dry condition, the friction coefficient and wear rate both decreased under saline and serum lubrication conditions. And the wear mechanisms present primarily adhesive wear combined with little oxidation wear. Keywords：Artificial disc; T

9、itanium alloy; UHMWPE; Jigging motion; Friction and wear properties目 录1 绪论11.1研究背景11.1.1骨关节疾病11.1.2颈椎病及其治疗11.2人工颈椎间盘研究现状21.2.1人工椎间盘21.2.2人工颈椎间盘材料21.2.3人工颈椎间盘的失效41.3球-窝型人工颈椎键盘往复摆动研究意义51.4研究内容52 实验材料和实验方法62.1 实验材料62.1.1实验材料62.1.2试样形状72.1.3 UHMWPE试样制备72.1.4 Ti6Al4V试样制备72.2 实验仪器82.3实验设备改装92.4 实验方案102.5

10、实验步骤113 钛合金球窝与UHMWPE球往复摆动磨损机理研究123.1 往复摆动摩擦系数的变化规律123.1.1润滑条件对摩擦系数的影响123.1.2摆动角度对摩擦系数的影响143.1.3接触载荷对摩擦系数的影响153.2磨损量153.2.1润滑条件对磨损量的影响153.2.2接触载荷对磨损量的影响173.2.3 UHMWPE球面的粗糙度173.3 TC4磨痕形貌分析183.4磨屑尺寸分布213.4.1 润滑条件对磨屑尺寸的影响213.4.2 摆动角度对磨屑尺寸的影响223.4.3 接触载荷对磨屑尺寸的影响234 结 论24参考文献25翻译部分27英文原文27中文译文39致 谢49毕业设计（

11、论文）第48页1 绪论 1.1研究背景1.1.1骨关节疾病随着社会的发展与科学技术的进步，人类越来越重视自身的生命健康质量1。但是目前仍有百万计的患者承受着骨关节炎、关节损伤等疾病带来的行动不便、关节疼痛的折磨，而且这一趋势向着年轻活跃的人群扩散，并已成为严重危害人类生命健康质量的重要因素之一。骨关节炎、心血管疾病和癌症被世界卫生组织（WTO）列为威胁人类生命健康的三大杀手。骨关节炎又被称为不死的癌症。1998 年WTO统计数据显示，世界约有3.55亿骨关节病患者，平均25人中就有一例关节炎患者，而亚太地区则是平均10人中就有1例。北京大学2011年骨关节国际论坛指出当前中国约有1.3亿患者被

12、不同程度的骨关节病困扰。据调查2，每年全世界需要更换关节的人数高达4000-6000万。人工关节置换是指采用生物相容性、耐蚀性与机械性能良好的材料制成类似人体骨关节结构的假体，来替代病变或损伤的关节并恢复其功能或修复肢体长度等目的3。早在1963年John Charnley利用不锈钢材料制作关节头，以聚四氟乙烯（PTFE）制作髋臼，用聚甲基丙烯酸（骨水泥）固定，形成Charnley型低摩擦全髋关节假体，来治疗类风湿性髋关节骨性关节炎，奠定了现代人工关节置换术的基础4。从此，人工关节置换技术迅速发展，逐渐成为恢复患者关节功能和解除患者痛苦的重要医疗手段。1.1.2颈椎病及其治疗颈椎病是一种由于椎

13、间盘退行性病变而导致的脊柱疾患，已成为显著影响生活质量的常见病和高发病。随着人口老龄化、更多人长期伏案面对电脑、车祸频发造成的颈椎损伤逐年增加，颈椎病发病率快速攀升。颈椎病一般是中老年人的一种多发病，4060岁为高发年龄，而70岁以后患病率达90%5。但近年来的研究表明,颈椎病患病率呈现年轻化趋势，目前我国发病率约为7%-10%6，30岁以下青年但改变了颈椎的正常生物力学环境，导致病变节段生理活动度丧失，相邻节段运动及负荷增患者已占到总患病人数的11%7 。在颈椎退变的治疗中，颈前路减压融合术（ACDF）见效快、疗效好、手术简单，加从而使术后临近节段退变加速8。研究发现融合术后有约25.6%的

14、患者术后10年内出现邻近节段继发病变，在长达21年的随访中，14%的患者需再次手术9。为解决减压后的不稳，维持椎间隙高度，并保留椎节间适度生理活动，受髋关节置换术启发，人工椎间盘置换术（TDR）应运而生。与ACDF相比，TDR具有保持手术节段正常活动度和稳定性、改善邻近椎间隙内压力、减少邻近节段新发病率等优点，被认为是最有发展前景的脊柱生物力学重建技术10。而TDR使用的人工颈椎间盘，则理所当然地成为国际研究开发的重点和热点。图1-1 正常的椎间盘和病变的椎间盘1.2人工颈椎间盘研究现状1.2.1人工椎间盘按照界面不同人工颈椎间盘可以分为：（1）金属对金属假体，如 CerviCore、Bristol 和 Prestige 假体；（2）金属对聚合物假体，如 Bryan 假体、ProDisc-C 假体和 Porous Coated假体。美国等医疗器械生产大国长期投入大量资金开发出多款人工颈椎间盘，其中最成熟、应用最广泛的运动设计为固定球-槽关节（以Discover为代表）。Discover以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）构成球部关节并固定于下终板，上终板采用特殊加工工艺形成高抛光度凹面，上终板与球部髓核间形成关节配合。该设计可较好保留颈椎自然生理运动（屈曲伸展、侧屈、旋转），上下终板形状尺寸和整体高度可设计成多个系列，更好的满足个体差