人工關(guān)節(jié)彈性流體動力潤滑分析及磨損研究.pdf

1、人工膝關(guān)節(jié)置換是治療類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和骨性關(guān)節(jié)炎最有效、最成功的手段。通常，全膝人工關(guān)節(jié)是由金屬/陶瓷股骨假體、超高分子量聚乙烯襯墊和金屬底座等幾部分組成。臨床統(tǒng)計學(xué)資料顯示，超高分子量聚乙烯襯墊的磨損是影響膝關(guān)節(jié)假體壽命的主要因素。如何從生物摩擦學(xué)的角度設(shè)計人工膝關(guān)節(jié)假體、研究膝關(guān)節(jié)假體失效的摩擦學(xué)機理和提高假體的使用壽命，一直是生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域的前沿課題。
　　 本論文從兩個方面開展了人工膝關(guān)節(jié)的生物摩擦學(xué)研究。一方面根據(jù)彈性

2、流體動力潤滑理論，圍繞著關(guān)節(jié)在體內(nèi)潤滑機制這一主題，采用多重網(wǎng)格法，對膝關(guān)節(jié)假體的潤滑進行了數(shù)值仿真；另一方面，從生物力學(xué)的角度研究膝關(guān)節(jié)假體的磨損原因，采用有限元方法，建立了人工膝關(guān)節(jié)股骨-脛骨接觸模型，對各個典型步態(tài)相進行了股/脛骨假體的有限元接觸分析，討論了人工膝關(guān)節(jié)假體主要磨損形式的生物力學(xué)機理。主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　 完整的人工膝關(guān)節(jié)彈流潤滑分析是研究人工膝關(guān)節(jié)潤滑問題的基礎(chǔ)。本課題利用三坐標測量儀反求實

3、際關(guān)節(jié)產(chǎn)品，建立假體的三維模型，通過曲線擬合得到股骨假體和脛骨假體在前后方向及側(cè)方向上的曲線輪廓形狀；選取步態(tài)運動這一日常運動作為參考，按照ISO標準確定關(guān)節(jié)假體的運動和力學(xué)參數(shù)；把步態(tài)運動中的股骨假體的屈伸運動和脛骨平臺的前后移動同時考慮到流體潤滑仿真中，確定流體表面相對速度。數(shù)值仿真過程中，施加的載荷和名義接觸中心處的相對速度都是時間的變量，由此建立了膝關(guān)節(jié)時變彈流潤滑的基本數(shù)值模型。
　　 首先研究了理想狀態(tài)下人工膝關(guān)節(jié)流

4、體潤滑問題，即忽略端泄方向的影響。針對膝關(guān)節(jié)流體潤滑分析中的變速變載變曲率的特點，利用多重網(wǎng)格法，建立了膝關(guān)節(jié)時變線接觸彈流潤滑數(shù)值仿真方法，并設(shè)計了多重網(wǎng)格算法研究時變彈流潤滑問題的完整流程，其中關(guān)節(jié)支承表面的彈性變形按半無限平面理論計算得到。研究結(jié)果表明：在運動周期內(nèi)，承載區(qū)流體中心壓力與外載荷變化基本相一致；站立相時，受卷吸和擠壓效應(yīng)的共同作用下，中心膜厚呈逐漸減小并伴隨著波動；擺動相時，載荷固定，中心膜厚的波動主要受卷吸速度的作

5、用；運動過程中，股骨髁曲率半徑的改變可引起流體壓力和潤滑膜厚跳躍；減小脛骨平臺主運動方向上的曲率半徑，有助于增加流體潤滑效果。
　　 在時變線接觸彈流潤滑問題的數(shù)值仿真基礎(chǔ)上，考慮到實際產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點，構(gòu)建了人工膝關(guān)節(jié)時變點接觸彈流潤滑問題的多重網(wǎng)格算法。數(shù)值計算中僅考慮超高分子量聚乙烯襯墊的變形，且彈性變形按約束柱模型計算。分析結(jié)果顯示：站立相，中心膜厚呈逐漸減小趨勢，站立相末期，載荷迅速減小，而中心膜厚的變化比較平緩；減小超高

6、分子量聚乙烯材料的彈性模量和步態(tài)的時長、增加超高分子量聚乙烯襯墊的厚度以及提高關(guān)節(jié)假體側(cè)方向上的匹配度，都有助于增加潤滑膜厚，改善關(guān)節(jié)假體的潤滑效果。
　　 超高分子量聚乙烯脛骨假體的應(yīng)力分布是判定膝關(guān)節(jié)假體磨損失效的重要依據(jù)。為此，建立了人工膝關(guān)節(jié)假體的非線性有限元接觸模型，觀察各步態(tài)相下超高分子量聚乙烯脛骨假體的表面接觸壓力及其應(yīng)力分布。研究發(fā)現(xiàn)整個步態(tài)周期內(nèi)，超高分子量聚乙烯脛骨假體的最大Mises等效應(yīng)力主要集中在假體接

7、觸區(qū)的下表面，與最大剪應(yīng)力的發(fā)生位置相吻合，這是造成假體疲勞和過度磨損的主要原因。
　　 最后，采用了一種快速測定磨損區(qū)的方法。試驗前在股骨假體表面鍍金，將關(guān)節(jié)假體安裝在關(guān)節(jié)運動模擬試驗機運行后，根據(jù)假體表面鍍金層的磨損區(qū)能在迅速地確定股骨假體的主承載區(qū)。通過對比試驗結(jié)果與有限元接觸分析結(jié)果，驗證上述接觸仿真的合理性。
　　 本文針對人工膝關(guān)節(jié)的生物摩擦學(xué)問題，從關(guān)節(jié)假體的潤滑和磨損兩個方面展開了深入而系統(tǒng)地研究。首先從