生物固定型人工关节的构建及环境疲劳与断裂机理研究

生物固定型人工关节的研究领域备受人们关注，如何实现长期有效的生物固定是目前亟待解决的主要问题。本项目旨在制备生物固定性能良好、生物力学性能优异的仿生人工关节。拟采用梯度复合和热压成型相结合技术制备梯度纳米羟基磷灰石增强聚醚醚酮人工关节材料，通过梯度复合技术实现人工关节材料的表面活性化和力学性能可控化，从而有效提高人工关节置换材料与自然骨间的生物固定强度和远期稳定性。通过对人工关节材料在模拟体液和应力集中等典型服役环境下疲劳和断裂性能的研究，探讨制备工艺条件、服役环境对人工关节材料疲劳和断裂性能的影响规律。结合材料的断口形貌和界面组织形貌的微观结构分析，探究环境因素、微观结构及应力状态与材料宏观性能之间的内在联系规律性，揭示梯度纳米羟基磷灰石增强聚醚醚酮人工关节材料在生理应用环境下的疲劳和断裂机理，为新型人工关节材料的开发应用奠定重要的理论基础和实验依据。

人工关节置换是目前治疗关节毁损性疾病的重要手段，生物固定型人工关节的研究领域备受人们关注，如何实现人工关节假体长期稳定，提高人工关节的使用寿命成为生物固定型人工关节假体急需解决的关键问题。本项目采用原位合成-梯度复合-热压成型相结合的制备技术成功制备了梯度纳米羟基磷灰石/聚醚醚酮（HA/PEEK）人工关节材料，系统研究了不同制备工艺条件对梯度HA/PEEK人工关节材料生物活性、力学性能和疲劳性能的影响变化规律，揭示梯度HA/PEEK人工关节材料在生理应用环境下的疲劳和断裂机理，为新型人工关节材料的开发应用奠定重要的理论基础和实验依据。（1）对梯度HA/PEEK人工关节材料生物活性研究显示：梯度HA/PEEK人工关节材料的生物活性仅与表层HA含量有关，中间层和内层HA含量及羟基磷灰石的层间梯度浓度差（HCDBAL）对梯度HA/PEEK人工关节材料的生物活性影响甚微。（2）不同制备工艺条件对梯度HA/PEEK人工关节材料力学性能影响变化规律的研究结果表明：梯度人工关节材料的拉伸/弯曲强度和拉伸/弯曲断裂应变均随HA总含量增加而下降，拉伸模量随HA总含量的增加而增加；梯度人工关节材料中HA总含量和HCDBAL对梯度复合材料的拉伸/弯曲力学性能有协同影响效应；梯度HA/PEEK人工关节材料的冲击强度随HA总含量及HCDBAL的增加而下降；随着HA总含量的增加，梯度HA/PEEK人工关节材料的断裂机制逐渐由塑性断裂转变为脆性断裂。（3）对梯度HA/PEEK人工关节材料在应力集中状态下力学性能研究结果发现梯度人工关节材料的断裂应变和拉伸/弯曲强度均随应力集中系数的增加而下降；随着应力集中系数和HA总含量的增加的增大，梯度复合材料的脆性断裂占主导地位。（4）对梯度HA/PEEK人工关节材料疲劳力学性能的研究表明：随循环疲劳载荷及应力集中程度的增加，梯度复合材料抗疲劳能力有所下降；梯度HA/PEEK人工关节材料疲劳过程主要为：在循环载荷的作用下，首先在PEEK基体中产生微裂纹。随着循环次数的增加，PEEK基体中的微裂纹扩展与融合，生成更大的微裂纹。当微裂纹扩展至梯度复合材料层-层间的界面及HA与PEEK基体的界面时，层-层间的界面及HA与PEEK基体的界面脱粘，进而发生界面分离，最终导致梯度HA/PEEK复合材料疲劳失效。