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[学位]

UHMWPE人工髋关节磨损测试、仿真及应用研究

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Author:

任旭辉 (任旭辉.)

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学位论文库

Abstract:

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)髋关节的磨损会引起骨溶解,导致人工关节的无菌性松动,因此磨损性能是其临床可靠性的重要指标之一。体外磨损测试是人工髋关节临床前的磨损性能评估方法,但是该方法成本较高、时间周期长,不适合用来进行一些髋关节假体的参数化分析,此时利用计算机仿真模型进行辅助磨损预测就显得更为合适。同时不同材料配副及尺寸的国产髋关节假体产品之间的磨损性能差异还不清楚,有必要通过磨损测试和磨损仿真的方法对其进行研究。此外,髋关节磨损测试只是在ISO标准步态下进行,而其他的活动步态对于人工髋关节磨损的影响还不得知,对这一问题的研究也有重要的学术价值和一定的实际意义。因此本文首先建立了的人工髋关节磨损仿真模型,然后利用磨损测试方法和磨损仿真模型分别对金属/聚乙烯关节和陶瓷/聚乙烯关节(两种尺寸)进行了磨损性能的评估,对比分析了两种方法得到的结果。最后利用仿真模型进一步探究了直径和径向间隙两个尺寸参数以及四种不同活动步态对于人工髋关节磨损的影响。
本文首先建立了基于有限元显式动态分析方法的UHMWPE人工髋关节的磨损预测模型。在模型中,提供了臼杯“变形体设置”和“刚体设置”两种不同的接触算法,后者相比前者虽然计算精度略微降低,但计算效率得到了提高。同时模型考虑了UHMWPE材料的交变剪切效应以及蠕变效应,使得磨损仿真过程更接近实际。模型计算过程中的关键结果,包括臼杯内表面的滑移轨迹、交变剪切率分布、磨损系数K的分布和磨损深度分布都进行了可视化的图像输出,磨损预测结果经过了文献的验证。
然后本文对不同材料配副不同尺寸的国产人工髋关节进行了磨损性能的对比评估,测试样品包括一种尺寸(直径28mm)的钴铬钼合金/聚乙烯配副关节和两种不同尺寸(直径28mm和36mm)的第四代复合陶瓷/聚乙烯配副关节。在磨损评估过程中,进行了称重法和三坐标体积测量两种测量方法的比较,测量结果一致性较好。三种样品最终测得的体积磨损率分别为54.8mm3/百万转(金属-聚乙烯配副),21.9mm3/百万转(36mm直径陶瓷-聚乙烯配副)和16.8 mm3/百万转(28mm直径陶瓷-聚乙烯配副)。接着进行了磨损预测值与实测值的对比分析,在臼杯变形体设置下,磨损率预测值能够较好地接近实测值,同时不同尺寸的关节磨损率变化趋势相吻合。此外还对样品的表面粗糙度和臼杯磨损显微形貌进行了测量与观察,结果显示,金属球头粗糙度显著大于陶瓷球头粗糙度,并且认为这是造成磨损差异的主要原因。
最后本文利用磨损仿真模型,从设计参数和动力学输入两方面对人工髋关节磨损的影响进行了研究。首先探究了直径和径向间隙两个参数对髋关节磨损的影响,根据计算结果得出结论:随着直径的增大,接触面积增大,磨损增大;随着径向间隙的增大,接触面积减小,磨损减小。然后探究了正常行走、上楼梯、坐下站起和屈膝活动四种不同步态单独作用以及综合作用时人工髋关节的磨损差异。结果发现:上楼梯对髋的磨损影响最大,预测得到的磨损率为18.9mm3/百万转,坐下-站起次之,然后是正常行走,最小的是屈膝活动。而多种步态综合作用造成的磨损要大于正常行走单独作用造成的磨损。

Keyword:

多种步态 磨损预测 人工髋关节 陶瓷-UHMWPE

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学机械工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学硕士

Mentor: 靳忠民

Year: 2017

Language: Chinese

Cited Count:

WoS CC Cited Count: 0

30 Days PV: 17

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