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天然猪骨关节软骨生物摩擦学性能研究

作　者: 崔涛
导　师: 熊党生
学　校: 南京理工大学
专　业: 材料学
关键词: 关节软骨 含水率 力学性能 摩擦系数 磨损量 生物摩擦学性能 磨损机理
分类号: Q66
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


本文通过多种实验手段研究了天然猪骨关节软骨的结构,在40℃的真空恒温箱内,测定纯软骨、底质骨和软骨在不同挥发时间下的质量损失,并以此确定软骨不同含水率的挥发时间,研究了含水率对关节软骨拉伸力学性能的影响。在实验室自行设计的销—盘式摩擦磨损试验机上考察了天然关节软骨在润滑条件、小牛血清浓度、载荷、滑动速度、同一关节不同位置、不同配副下的生物摩擦学特性,分析摩擦磨损机理。实验结果表明:1、天然关节软骨表面不是很平,呈波纹状,出现平行的结缔组织,有沟、峰交替结构。软骨明显分为非钙化层、钙化层和软骨下骨三层,钙化层与非钙化层以沟壑镶嵌方式相互嵌合;钙化层与软骨下骨间呈凹凸不平的梳齿状结构。2、在40℃下,纯软骨、底质骨和软骨的质量损失与挥发时间呈非线性增加,粗略确定了软骨的含水率为75%、5O%、25%和0%的挥发时间分别是15min、32min、50min和90min。3、天然关节软骨的拉伸应力随应变的变化规律呈现出非线性关系,表现出典型的粘弹性。较高的含水率产生较大的拉伸变形、较高的抗拉强度和模量,表现为与流动有关和与流动无关的粘弹性机制。关节软骨的拉伸断裂是韧性断裂,断口是塑性变形过程中内部纤维状多孔结构微裂纹不断扩展和相互连接造成的。4、摩擦系数和磨损量由大到小的顺序为干摩擦、蒸馏水、生理盐水、小牛血清。随着小牛血清浓度的增加,摩擦系数和磨损量出现先减小后增大的趋势。相同的转速,不同的润滑方式下,低载荷下的摩擦系数和磨损量小于高载荷;相同的载荷下,高速下的摩擦系数和磨损量小于低速。关节软骨自摩擦副的摩擦系数和磨损量小于关节软骨/超高分子量聚乙烯摩擦副,关节软骨/超高分子量聚乙烯摩擦副略小于关节软骨/不锈钢摩擦副。同一关节关节头最前端的经常和关节窝接触的关节软骨最耐磨,摩擦系数和磨损量最小,周围次之,关节头根部最大。5、在无润滑条件下,摩擦磨损机理表现为疲劳磨损、磨粒磨损和磨料磨损,表面磨损严重。在润滑条件下,摩擦磨损机理主要表现为粘着磨损、疲劳磨损和微磨粒磨损,表面磨损相对较轻。干摩擦下,表面出现平行的犁沟,而在小牛血清润滑下表面相对光滑的多,只出现少量滑痕。不同实验条件下的摩擦磨损表面形貌与相对应条件下的摩擦系数和磨损量呈的规律一致。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-8
目录  8-11
1 绪论  11-23
  1.1 引言  11-12
  1.2 关节软骨的结构及性能  12-13
    1.2.1 关节软骨的结构  12-13
    1.2.2 关节软骨的力学性能  13
  1.3 天然关节中毛孔形态变化与流体流动对关节润滑的研究  13-16
  1.4 天然关节润滑  16-17
  1.5 天然关节及人工关节的摩擦学与润滑学研究  17-21
    1.5.1 人工关节摩擦学的实验方法和设备  17-19
    1.5.2 天然关节及人工关节的润滑及润滑液  19-21
  1.6 仿生润滑系统结构设计  21-22
    1.6.1 天然关节润滑系统  21
    1.6.2 “软垫弹性支撑”结构  21
    1.6.3 仿生关节囊  21-22
  1.7 本文研究的主要内容及意义  22-23
2 实验与研究方法  23-28
  2.1 实验技术路线  23
  2.2 试样的制备  23-24
    2.2.1 关节软骨结构表征试样的制备  24
    2.2.2 关节软骨质量损失和力学性能试样的制备  24
    2.2.3 摩擦磨损试样的制备  24
  2.3 实验过程  24-28
    2.3.1 关节软骨结构表征实验  24-25
    2.3.2 关节软骨质量损失和力学性能实验  25-26
    2.3.3 关节软骨摩擦磨损实验  26-27
    2.3.4 关节软骨摩擦磨损表面形貌观察实验  27-28
3 天然关节软骨的结构及力学性能研究  28-38
  3.1 引言  28
  3.2 实验过程  28-29
  3.3 结果与讨论  29-37
    3.3.1 关节软骨的结构  29-32
    3.3.2 软骨质量损失与挥发时间的关系  32-34
    3.3.3 关节软骨的力学性能  34-37
  3.4 本章小结  37-38
4 天然关节软骨自配副的生物摩擦学性能研究  38-53
  4.1 引言  38
  4.2 实验过程  38-39
  4.3 结果与讨论  39-51
    4.3.1 润滑方式对摩擦系数的影响  39-40
    4.3.2 小牛血清浓度对摩擦系数的影响  40-42
    4.3.3 载荷对摩擦系数的影响  42-43
    4.3.4 滑动速度对摩擦系数的影响  43-44
    4.3.5 不同配副对摩擦系数的影响  44-45
    4.3.6 同一关节不同位置关节软骨对摩擦系数的影响  45-46
    4.3.7 关节软骨的磨损量  46-51
    4.3.8 根据摩擦系数变化规律摩擦磨损机理分析  51
  4.4 本章小结  51-53
5 天然关节软骨摩擦磨损表面形貌分析  53-65
  5.1 引言  53
  5.2 实验过程  53
  5.3 结果与讨论  53-64
    5.3.1 不同润滑方式下天然关节软骨摩擦磨损表面形貌分析  53-55
    5.3.2 不同小牛血清浓度下天然关节软骨摩擦磨损表面形貌分析  55-57
    5.3.3 不同载荷下天然关节软骨摩擦磨损表面形貌分析  57-58
    5.3.4 不同滑动速度下天然关节软骨摩擦磨损表面形貌分析  58-59
    5.3.5 不同配副下天然关节软骨摩擦磨损表面形貌分析  59-61
    5.3.6 同一关节不同位置天然关节软骨摩擦磨损表面形貌分析  61
    5.3.7 根据摩擦磨损表面形貌规律摩擦磨损机理分析  61-62
    5.3.8 润滑膜厚度的计算及润滑机制的确定  62-64
  5.4 本章小结  64-65
6 结论、创新与工作展望  65-67
  6.1 本文的主要工作及结论  65-66
  6.2 创新  66
  6.3 工作展望  66-67
致谢  67-68
参考文献  68-73
附录  73

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中图分类: > 生物科学 > 生物物理学 > 生物力学
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