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外科植入物用超高分子量聚乙烯中钛含量测定
目的：建立外科植入物用超高分子量聚乙烯中杂质元素钛（Ti）含量的检测方法。方法：采用微波消解和电感耦合等离子体质谱仪（I C P-M S）测定消解液中钛元素。结果：钛元素标准曲线的R2值大于0.9996，回收率为94.4%~96.4%，10次重复测定结果的相对标准偏差（R S D%）为1.3%。结论：所建立的方法精密度高、准确性好、干扰较少、快速简单，可用于超高分子量聚乙烯中钛元素的含量测定。
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人体体温下UHMWPE人工髋臼材料压缩性能的试验研究
模拟人体体温下对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)人工髋臼材料进行了压缩力学性能的试验研究,并与室温下的试验结果进行了对比.当由室温22℃升高到体温37℃和40℃时,其屈服应力呈明显的下降趋势,分别下降了23.1%和31.9%,由体温37℃升高到40℃时,二者仅差3℃,其屈服应力亦下降了11.5%.同时还对不同加载速度下UHMWPE试件压缩变形过程进行了红外辐射温度的监测与分析.不同加载速度下试件压缩变形过程中的红外辐射温度均有明显升高,加载时间越长,试件平均红外辐射温度越高.试验结果分析表明,不能忽视植入人体后UHMWPE人工髋臼局部受压时温度的升高,特别不能忽视植入人体后在人体体温作用下其力学性能的改变和下降,人体体温的作用是UHMWPE人工髋臼出现过早失效的原因之一.本试验研究为UHMWPE材料在人体环境中的应用研究提供了参考.
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氮离子注入超高分子量聚乙烯的生物摩擦学性能
用高能离子注入机对超高分子量聚乙烯(UHMWPE)进行N+注入改性,注入能量为450KeV,剂量分别为5×1014/cm2,2.5×1015/cm2和1.25×1016/cm2.以ZrO2球为上销样,UHMWPE为下盘样组成摩擦副,在销盘摩擦试验机上评价它们在干摩擦、蒸馏水和血浆润滑条件的摩擦磨损行为.结果表明,几种剂量N+注入均提高了UHMWPE的摩擦系数,增强了其在血浆润滑条件下的耐磨性.未注入UHMWPE的磨损表现为粘着、疲劳、塑性变形和犁沟,注入UHMWPE的磨损主要为磨粒磨损.
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人工髋关节置换术后功能锻炼及康复训练
人工关节是用金属和超高分子量聚乙烯等部件来代替患者受损害的骨和软骨,模仿正常关节的结构和生量功能,以使患者恢复正常的生活.绝大数病人接受人工关节置换术后都能获得一个无痛的关节,并能够明显地改善关节功能,提高生活质量.
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人工髋关节假体摩擦界面的进展
20世纪60年代Jone Charnley根据髋关节低摩擦生物学原理，提出金属股骨头和聚乙烯髋臼组合获得巨大成功，一度成为衡量其他关节关节置换手术的金标准。随着全髋关节置换术的广泛开展，人们逐渐认识到影响人工关节寿命主要的原因是假体无菌性松动[1]，其常见的发生机制是关节假体磨损产生的颗粒导致的骨溶解，文献报道主要的磨损颗粒是聚乙烯颗粒[2]。为了改善传统超高分子量聚乙烯抗磨损性差的缺点，随着材料学和制造工艺进步，近年来临床上对金属-高交联聚乙烯、金属-金属、陶瓷-陶瓷界面组合进行了更多的应用和研究，取得阶段性成果，这些进展给了医生更多的选择。
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关于假体的设计与材料
关节假体目前面临大的问题之一在于术后假体的松动,而导致松动主要的原因是关节面磨损所产生的骨溶解效应.对于膝关节假体而言,一般的超高分子量聚乙烯(ultra-high molecuar weight polyethylene,UHMWPE)是目前胫骨衬垫的主要材料.众所周知,聚乙烯磨损颗粒是导致骨吸收的重要因子,这就提出所谓交联聚乙烯,以用于减少磨损.与此同时,有研究指出,传统聚乙烯与交联聚乙烯所产生的磨损颗粒在尺寸及体积上呈现不同的结果[1,2].
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通过取出物研究回顾采用28 mm和32 mm直径假体的全髋关节置换术
对翻修取出的直径为28 mm和32 mm的球头研究发现,髋臼和股骨颈部撞击可能经常发生.超高分子量聚乙烯、钴铬合金和氧化铝陶瓷界面可能都会因此受累.其中,钴铬合金界面和氧化铝陶瓷界面的坚硬内衬和金属被托设计使它们发生撞击的风险增加.造成不良影响的常见途径包括撞击、金属磨削转移和条状磨损.这些行为与采用陶瓷假体的全髋置换术后的异响有关.我们对老化的36 mm的氧化铝基复合陶瓷(AMC)球头(BIOLOX(R)delta, CeramTec AG, Plochingen, Germany)进行模拟试验机磨损试验,在微分离模式下进行100万次的负载周期测试,发现条状磨损区的单斜相部分比主要磨损区和无磨损区的要高.这与我们之前对未老化陶瓷材料进行的模拟试验机试验结果 一样,在那项研究中我们对纯氧化铝陶瓷(BIOLOXforte,同一生产商)和氧化铝基复合陶瓷都进行了对比研究,在经过500万次负载周期后我们发现,与对照组Forte球头-Forte内衬相比,Delta球头-Forte内衬和Delta球头-Delta内衬可以分别使磨损降低3倍和7倍.这表明Delta球头比Forte球头更能抵抗条状磨损的形成.因此,在髋关节假体的设计中使用大直径Delta陶瓷界面应该具有临床效益.
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人工髋臼接触力学特性的有限元分析
目的 考察人工超高分子量聚乙烯髋关节臼的接触力学特性.方法 建立人工髋臼模型,对模型进行网格划分,在接触区域建立接触对,按真实人体关节对模型进行边界条件的设定后进行有限元接触力学分析.对不同条件下(摩擦系数0～0.25,髋臼厚度6～12 mm,髋臼直径26～32 mm)的髋臼分别进行步态分析.结果 计算结果显示压缩变形量在接触面摩擦系数增大、髋臼直径增加情况下均呈现下降趋势.接触层厚及接触面积受髋臼厚度的影响在不同尺寸处体现不同的特性,接触面积和层厚对于植入假体的稳定性及磨粒的产生有重要影响.结论 综合考虑两者的作用效果认为7～9 mm厚的髋臼表现效果较好.
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钛合金球头镀类金刚石碳膜人工髋关节磨屑分析
目的 分析钛合金球头镀类金刚石碳(diamond-like carbon,DLC)膜人工髋关节的磨屑特征.方法 实验设置3组:进口关节组(A),钴铬钼合金球头对超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)臼杯(CoCrMo-UHMWPE,Zimmer,America);镀膜关节组(B),镀类金刚石碳膜钛合金球头对超高分子量聚乙烯臼杯(Ti-DLC-UHMWPE,京航,中国);国产关节组(C),钴铬钼合金球头对超高分子量聚乙烯臼杯(CoCrMo-UHMWPE,京航,中国).髋关节模拟机运行0.33×106转后,收集含有磨屑的小牛血清润滑液,经酸消解过滤后,用扫描电镜-能量色散X线分析仪鉴定滤膜上的磨屑.采用Image-Pro Plus 6.0对电镜图片进行图像分析获取颗粒大小、形状、数量信息,比较各组的差异.结果 能量色散X线分析显示磨屑的元素峰主要为碳(C)峰,未见明显的钴(Co)、铬(Cr)、钼(Mo)、钛(Ti)等金属元素峰.各组磨屑60％以上为类球状颗粒,粒径为0.1～40μm,0.1～1μm的颗粒数量较多,1μm以上的颗粒所占体积百分比大;B组滤膜上的磨屑数量少于另外两组.结论 实验产生的磨屑主要为超高分子量聚乙烯颗粒;钛合金球头镀类金刚石碳膜人工髋关节可减少磨屑的数量.
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高交联聚乙烯与钴铬合金和陶瓷股骨头匹配使用的磨损和蠕变
髋关节骨关节炎患者进行金属对超高分子量聚乙烯(ul tra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)的全髋关节置换是二十世纪为成功的外科手术之一.据文献报道使用UHMWPE衬垫的骨水泥假体20年成功率达到75%以上[1].
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现代医学新技术(2)全髋全膝人工关节置换术人工膝关节置换术
人工膝关节是在人工髋关节假体研究的基础上,结合膝关节本身解剖、生理学特点设计出来的人工关节假体,用来替代人体原来的膝关节.人工全膝关节包括股骨假体、胫骨假体和髌骨假体,由金属制成的股骨髁、胫骨托及超高分子量聚乙烯制成的胫骨垫和髌骨假体几部分组成.
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人工髋关节摩擦学的研究现状
学术背景:超高分子量聚乙烯是常用的髋臼材料,植入人体后,由于交变载荷作用和润滑条件差等原因,易产生较多磨屑,导致人工关节松动.目的:了解关节润滑机制,介绍超高分子量聚乙烯人工髋关节的磨损行为及其抗磨性改善的研究现状,探索科学的人工关节摩擦性能评价方法.检索策略:应用计算机检索2000-01/2007-10相关文献,中文数据库有:中国期刊全文数据库(CNKI),维普中文科技期刊全文数据库,万方数字化期刊库,检索词为"髋关节,超高分子量聚乙烯,摩擦学";外文数据库有:IEEE/IEE Electronic Library ,Elsevier电子期刊全文数据库,检索词为"hip simulators, ultra high molecular weight polyethylene ,wear, tribology ".纳入关于关节副的摩擦磨损性能方面的论文,排除重复性研究.文献评价:初检得到729篇文献,阅读标题和摘要进行初筛,排除内容无关或重复者601篇,对剩余128篇进一步分析,后保留22篇,完全符合纳入标准者进行综述.资料综合:对于超高分子量聚乙烯的研究,主要集中在两个方面,一个是对这种材料的表面改性,另一个是研究其摩擦磨损机制.①研究表明可以通过表面改性来改善超高分子量聚乙烯的磨损性能,如采用离子注入、纳米填充后的超高分子量聚乙烯,抗其磨性和机械性能显著提高.②近年来,对髋关节摩擦学的探索性实验很多,均利用人工关节实验机或传统实验设备评价在不同润滑环境下的摩擦磨损行为,证实在生物关节液中,摩擦副的磨损率较低.结论:对于髋关节材料的研究,国内还停留在利用传统的方法,并不能真实地反映在人体的环境下材料的摩擦磨损性能,所以今后的重点方向是弄清载荷、环境条件与体内人工关节磨损间的相互关系,探索科学的关节副摩擦性能评价方法.
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人工关节磨损颗粒的分形表征及分类特征分析
目的 研究膝关节模拟实验条件下超高分子量粜乙烯(UHMWPE)磨损颗粒的形态及分形表征,对磨损颗粒进行分类特征分析,探讨分形维数与磨损状态的相关性.方法 采用膝关节模拟器以实现模拟膝关节磨损运动,股骨、衬垫分别选用医用锻造CoCrMo合金和UHMWPE.磨损颗粒提取依据标准ISO 17853进行,利用磨粒轮廓自动提取与分形识别系统对磨损颗粒进行分形分析,采用网格划分、聚类分析和遗传模拟退火算法3种模型对磨粒进行分类识别.结果 UHMWPE单体磨粒的分形特征明显,尺寸较大的条形磨屑过渡到尺寸较小的类球形磨粒时,雷达分形维数不断减小,球状磨粒的分形维数D接近0.遗传模拟退火算法模型磨粒群体分类划分的分形维数内加权误差平方和小,聚类特征明显.当磨损运行周期较低时,分形维数较大的条状、针叶状和纤维状磨粒占比较大,磨损以犁沟和剥落磨损为主;随磨损周期的延长,大分形维数磨粒占比下降,低分形维数的片状、块状和类球状磨粒占比上升,磨损向疲劳磨损和黏着磨损转变,磨损状态过渡到复合磨损期.当进入稳定磨损期后,各类形态磨粒的占比例变化不大.由于小尺寸磨粒的数量增加,群体分形维数有所减小.结论 以改进雷达图分形方法为基础的磨粒轮廓自动提取与分形识别系统,可用于人工关节磨损颗粒的形态轮廓提取、分形维数计算和参数统计,为人工关节磨粒的识别和诊断提供新的数字化分析工具.
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人工关节改性材料的生物摩擦学研究
目的 研究不同人工关节材料的改性技术及生物摩擦学性能,为新型人工关节设计提供可靠的技术与理论基础.方法 选用表面渗碳、微弧氧化和氮离子注入技术对钛合金表面进行改性,提高其耐磨损性能;超高分子量聚乙烯采用填充改性技术,制备了UHMWPE/BHA、UHMWPE/NC和UHMWPE/VE复合材料,通过提高UHMWPE关节假体的承载能力和蠕变抗力,降低其磨损率.结果 (1)钛合金的表面改性可获得结合性能良好的表面陶瓷层,可有效提高钛合金的耐磨损性能.(2)超高分子量聚乙烯的填充改性,可获得耐磨损性能良好的关节复合材料,有效减少超高分子量聚乙烯磨损颗粒的产生并降低其磨损颗粒引起的生物学反应.
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超高分子量聚乙烯在骨科领域的应用及基础研究进展
超高分子量聚乙烯(ultra-high molecular weight polyethylene,UHMWPE)凭借其良好的拉伸强度、耐磨性、耐冲击性、化学稳定性、低密度等特性在骨科人工关节假体、骨科缝线和人工韧带等领域广泛应用.临床研究发现UHMWPE关节产品产生磨损颗粒所导致的骨质溶解是髋关节置换术后失败的主要原因,为此许多研究致力于提高它的耐磨性以及改善它的生物相容性.本文对UHMWPE在骨科的临床应用和基础研究相关进展作一综述.
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超高分子量聚乙烯和氧化锆颗粒对兔膝关节周围组织的影响
目的 观察大颗粒超高分子量聚乙烯(UHMWPE)和氧化锆(zirconia)对兔膝关节周围组织炎症细胞因子表达的差异和组织学改变,并初步探讨其作用机制.方法 日本大耳白兔45只,随机分为UHMWPE颗粒组、氧化锆颗粒组和对照组,每组15只.兔右侧膝关节腔及关节内侧组织分别注入平均直径为58.87 μm 的UHMWPE颗粒混悬液(UHMWPE颗粒组)或氧化锆颗粒混悬液(氧化锆颗粒组),颗粒浓度均为0.1%(V/V);对照组只注入等量无菌磷酸盐缓冲液,其余条件均与UHMWPE颗粒组及氧化锆颗粒组相同.分别于实验第8、16、24周取膝关节周围组织,进行病理组织学检查,ELISA法检测标本组织中IL-1β、IL-6、TNF-α的变化.结果 与对照组相比,UHMWPE颗粒组可见颗粒周围有大量巨噬细胞、多核巨细胞与成纤维细胞包绕,外周形成纤维膜;而在氧化锆颗粒组,第8周时颗粒周围未见巨噬细胞、多核巨细胞和成纤维细胞,第16周开始出现少量上述细胞,第24周时细胞数增加,但仍然少于UHMWPE颗粒组.实验第8、16、24周,UHMWPE颗粒组IL-1β、IL-6、TNF-α的表达均明显高于氧化锆颗粒组和对照组(P＜0.05).氧化锆颗粒组IL-1β、IL-6、TNF-α的表达在第8、16周组时与对照组比较差异无统计学意义(P＞0.05),第24周3种细胞因子均明显高于对照组(P＜0.05).结论 在不能被巨噬细胞吞噬的大颗粒中, UHMWPE颗粒的生物活性仍然较氧化锆颗粒强, 由此推测UHMWPE颗粒导致假体周围骨质溶解的反应要强于氧化锆颗粒.
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纤维增强UHMWPE复合材料断裂时的细观应力场分析
纤维增强超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种性能优异的复合工程塑料,分析它在纤维断裂时的细观应力场具有重要意义.为此,探讨了单向纤维增强复合材料的断裂机制及其破坏应力场计算原理,计算了碳纤维(T300,AS)填充UHMWPE复合材料在单根及多根纤维断裂时的应力和应力场集中因子,并对计算结果进行了分析.
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人工关节超高分子量聚乙烯磨损机制与研发现状
[目的]超高分子量聚乙烯是目前人工关节载荷元件胫骨平台垫片和髋臼内衬的首选材料,然而其磨损不可避免,磨损碎屑继发假体周围骨溶解,严重影响假体使用寿命.本文简要介绍了超高分子量聚乙烯独特的摩擦磨损机制和残留自由基氧化对其耐磨性的影响,后阐述其研发现状和方向.高交联聚乙烯可以显著降低人工关节假体的体内磨损率,目前得到了广泛的临床应用.而复合维生素E的高交联聚乙烯也可明显提高材料抗氧化性和耐磨性,近期随访证明了其安全有效,但仍有待大样本量长期的临床疗效观察.
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人工全髋关节聚乙烯内衬的特点及搭配
上世纪60年代,Charnley提出低磨擦设计理论并设计出用金属股骨头和超高分子量聚乙烯髋臼组合的假体,开创了低摩擦人工关节假体的新时代.金属与超高分子量聚乙烯目前仍是常用的摩擦界面组合,并成为衡量其他组合的金标准.目前临床采用的聚乙烯内衬可以与金属或陶瓷制成的股骨头搭配,金属股骨头均为钻铬钼合金制成,而聚乙烯内衬已经有了长足的发展,除超高分子聚乙烯(UHMW-PE)外,超高交联聚乙烯(X-PE)已经用于临床并且取得了较好的临床效果.
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外科植入物用超高分子量聚乙烯中铝含量测定
目的 建立外科植入物用超高分子量聚乙烯中杂质元素铝(Al)含量的检测方法.方法 采用干灰化法前期处理样品,利用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)测定铝元素.结果 铝元素标准曲线的R值0.9999,回收率为98.62％～99.93％,6次重复测定结果的相对标准偏差(RSD％)为1.6％.结论 所建立的方法精密度高、准确性好、干扰较少、快速简单,可用于超高分子量聚乙烯中铝元素的含量测定.
