| 聚醚醚酮人工关节材料摩擦学机理研究与摩擦界面调控 | |
| Alternative Title | 无 |
| 刘根 | |
| Thesis Advisor | 张嘎 |
| 2021-11-26 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Place of Conferral | 北京 |
| Degree Name | 工学博士 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 聚合物复材料, 人工关节, 摩擦膜润滑, 机理, 腐蚀磨损 |
| Abstract | 随着当今社会人口老龄化程度加剧与肥胖发病率升高，膝关节和髋关节骨性关节炎在肉体疼痛、残疾和治疗费用方面对患者的负面影响越来越大。为了提高膝关节或髋关节晚期骨关节炎(OA)患者的生活质量，进行全关节置换术是目前最为成功的治疗方法，在可预见的未来仍将是主要选择。假体材料的性能对全关节置换手术的成功与否有重要的影响。然而，在人工关节使用过程中存在材料退化和术后不稳定等问题，研制高性能的关节假体材料具有重要的意义。聚醚醚酮(poly-ether-ether-ketone， PEEK)是近年来有巨大应用前景的人工关节材料，其力学性能，化学稳定性，生物相容性经过了充分的验证并已作为颅骨假体和脊椎假体等应用于临床。但是，PEEK在关节领域的应用仍处于起步阶段，尤其摩擦学机理的欠缺阻碍了PEEK材料作为人工关节假体的应用。已有工程领域的研究表明，在摩擦界面形成具有高承载和易剪切特性的摩擦膜可提高材料的摩擦学性能，摩擦膜的微/纳尺度结构与性能对材料的宏观摩擦学性能有重要的影响。尤其，关节处于含有复杂成分的人体体液环境中，有机质、无机盐、氧化性物质均可能影响摩擦界面的结构与性能。基于对摩擦界面物理与化学作用本质的深刻理解，调控关节材料成分与结构，促使摩擦界面高性能摩擦膜生长，是设计高可靠、长寿命人工关键材料的关键。本工作原位考察了模拟体液介质中PEEK基复合材料-不锈钢配副的腐蚀磨损性能，系统分析了摩擦物理与化学，深入表征了摩擦膜的结构，阐明了摩擦膜的生长机制与改变宏观摩擦学性能的作用机理，获得了摩擦膜结构与功能的调控原则。主要的工作内容与结论如下： (1) 在PEEK基体材料中分别引入可摩擦水解的B4C和SiC颗粒，系统研究了PEEK复合材料-金属配副在Hank’s溶液中的腐蚀磨损行为。研究发现，在PEEK中添加B4C或SiC纳米颗粒可显著降低聚合物材料的摩擦和磨损。当B4C的体积分数低于4%时，PEEK的耐磨性能随B4C含量的增加而提高，摩擦系数随含量的上升而下降。在PEEK中加入体积分数为3%的SiC纳米颗粒时，材料的摩擦系数和磨损率分别降低80%和99%，即材料的耐磨性能提高了2个数量级。原位电化学测试结果表明，在PEEK中添加B4C或SiC可显著抑制不锈钢对偶的腐蚀磨损。摩擦界面的纳米结构表征结果证实，释放于摩擦界面的B4C或SiC颗粒发生摩擦化学反应并生成硼酸或者硅酸等产物，并促进模拟体液中包含的无机盐离子在不锈钢表面沉积形成摩擦膜，不但提高了配副的边界润滑效果，而且增强了不锈钢表面的钝化作用。 (2) 对比考察了碳纤维(CF)与SiC以及SiC与h-BN对PEEK材料在Hank’s 溶液中摩擦学性能的可能协同作用。研究发现，在CF/PEEK复合材料中进一步添加1-3% 体积分数的SiC纳米颗粒可减少约50% 的磨损。SiC纳米颗粒的水解产物与CF的碎片形成的杂化结构摩擦膜可提高聚合物-金属配副的腐蚀磨损性能。与添加单一种类SiC或h-BN纳米颗粒的PEEK复合材料相比，添加SiC/h-BN的PEEK基多元纳米复合材料表现出更加优异的腐蚀磨损性能，直接证实了SiC与h-BN的显著协同作用。深入的界面分析表明，SiC纳米颗粒的水解产物可能提高摩擦膜的承载能力和对金属对偶表面的遮蔽作用，而嵌入摩擦膜的h-BN纳米颗粒可能提升边界润滑界面的易剪切特性。本工作为发展高性能人工关节材料提供了新思路和新途径，研制的多元纳米复合材料在人工关节移植领域具有重要应用潜力。 (3) 系统研究了PEEK基材料-不锈钢配副在不同模拟体液中的摩擦学规律。研究发现，纯PEEK-不锈钢配副在牛血清白蛋白(BSA)介质中表现出较大的摩擦系数。与在Hank’s溶液中的测试结果规律一致，在PEEK基体中引入的SiC或B4C具有显著的减摩抗磨作用，推测认为SiC和B4C的水解产物可能促进BSA向摩擦界面转移。此外，体液中的盐组分对摩擦膜结构也有重要影响，尤其Ca2+和PO43-离子在不锈钢表面的沉积可促使转移膜生长。此外，对比测试结果证实，K+，HCO3-，Mg2+和SO42-离子的对转移膜生长的影响并不明显。 (4) 合成了羟基磷灰石(HA)纳米颗粒，考察了在PEEK基材料中加入HA其摩擦学性能的影响规律。研究结果表明，在纯PEEK和5SiC/CF/PEEK材料中进一步添加HA并不显著改变PEEK基材料的摩擦学性能。然而，HA纳米颗粒的加入诱导Ca2+和PO43-离子在PEEK基材料表面的沉积，形成无定形疏松结构的磷酸钙，证明HA的加入提高了PEEK基材料的骨传导性。 |
| Other Abstract | 无 |
| MOST Discipline Catalogue | 工学 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/30072 |
| Collection | 中国科学院材料磨损与防护重点实验室/先进润滑与防护材料研究发展中心 |
| Affiliation | 1.中国科学院兰州化学物理研究所; 2.中国科学院大学 |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 刘根. 聚醚醚酮人工关节材料摩擦学机理研究与摩擦界面调控[D]. 北京. 中国科学院大学,2021. |
| Files in This Item: | ||||||
| File Name/Size | DocType | Version | Access | License | ||
| 202215刘根.pdf（10617KB） | 学位论文 | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | ||
Items in the repository are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Edit Comment