【摘 要】
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随着我国人口老龄化加剧,髋关节疾病发病率逐年上升,重大疾病或意外伤害导致髋关节疾病患者数量日益增多,使得人们对高质量人工髋关节的需求更加迫切。其中人工髋关节材料组配,接触界面的力学性能以及摩擦磨损是影响其使用性能的重要因素,因此分析人工髋关节的接触压力和摩擦磨损特性对于提高其使用性能具有重要理论参考价值。本文采用有限元分析和摩擦试验两种方法对人工髋关节的接触力学性能和摩擦磨损情况进行研究。选取“硬
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随着我国人口老龄化加剧,髋关节疾病发病率逐年上升,重大疾病或意外伤害导致髋关节疾病患者数量日益增多,使得人们对高质量人工髋关节的需求更加迫切。其中人工髋关节材料组配,接触界面的力学性能以及摩擦磨损是影响其使用性能的重要因素,因此分析人工髋关节的接触压力和摩擦磨损特性对于提高其使用性能具有重要理论参考价值。本文采用有限元分析和摩擦试验两种方法对人工髋关节的接触力学性能和摩擦磨损情况进行研究。选取“硬-硬”和“硬-软”等7组材料配副,采用有限元软件ANSYS Workbench对其进行相应的接触力学性能分析,结果表明:“硬-硬”材料配副的接触压力远大于“硬-软”,且易出现应力集中,同一结构参数下陶瓷对陶瓷的接触压力是金属对超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的10倍;不同结构参数中小间隙和大股骨头直径分别使接触压力下降率超过70%和42%,较大外展角可以降低接触压力,当外展角由30°增加到60°时,7组材料配副中陶瓷对陶瓷接触压力下降率最大为12.32%,但过大外展角会使得接触压力急剧增加并导致边缘接触,通过对髋臼内边缘倒圆角可以降低边缘接触,并且圆角越大效果越好;“硬-软”材料配副在各结构参数下接触压力峰值和变化率均比较小,其中金属对UHMWPE接触压力最大值仅为9.726MPa,UHMWPE作为髋臼杯时接触压力最小,但容易出现边缘接触,从接触力学性能考虑,选择“硬-软”中的陶瓷/聚醚醚酮（PEEK）和金属/PEEK材料配副更有利于提高人工髋关节的力学性能;在完整步态下,7组材料配副的接触压力最大值均出现在一个周期的15%和55%处,在0.55s时最容易发生磨损,此时人体处于单脚着地的时刻。采用摩擦试验机对不同材料配副在不同转速、载荷、润滑条件下的摩擦磨损情况进行测试,结果表明:各组材料配副的摩擦系数均随转速的增大而减小,随载荷的增大而增大,牛血清蛋白（BSA）溶液可以显著降低摩擦系数,其中不锈钢/钴铬钼（CoCrMo）摩擦系数在0.265～0.322之间,陶瓷/PEEK、陶瓷/CoCrMo配副的摩擦系数分别在0.066～0.083和0.067～0.088之间,通过电子显微镜观察摩擦痕迹,发现陶瓷和PEEK材料磨痕较小,计算球体磨损体积,不锈钢/CoCrMo配副下球体磨损体积最大为1.3×10-3mm3,陶瓷/PEEK配副下球体磨损体积最小为3.0911×10-5mm3。综合力学分析和试验结果发现,陶瓷/PEEK材料配副在小间隙、大股骨头直径、适当外展角下接触力学和摩擦磨损性能均比较优异,据此可以为人工髋关节设计安装和材料的选择提供一定参考价值。
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