人工髋关节摩擦磨损试验机机体部分设计说明书(编辑修改稿)

人工髋关节摩擦磨损试验机机体部分设计说明书(编辑修改稿)内容摘要：

ameter of 50mm, the maximum torque is obtained, whereby the electrical power can be determined in order to calculate the minimum shaft. Primary shaft according to the minimum size of each part. Confirmed by their safety check to ensure the normal operation of testing machine. When the motor is running through the coupling driven spindle, thus boosting the fixed eccentric shaft of the spindle rotation specimen holder mounted on the pendulum and pendulum shaft axis along the central axis of rotation Rao. Ball joints so that the bracket base of the specimen head and acetabulum ball joints friction between the test piece, so as to achieve the purpose of testing. In which the specimen by the acetabular cement fixation of acetabular seat, shock load provided by a hydraulic cylinder acting on the selfcentering shaft bracket through the final act on the acetabular articular ball head, coupled with the specimen ball joint seat around the centerline of rotation. Such simulate the human body to achieve the actual movement of the hip joint, to produce the friction mechanism, wear phasor form consistent with the actual conditions of use in order to achieve the purpose of the design of the test machine. Keywords: joint test machine。 simulation test。 human hip joint。 friction mechanism 1 绪论 研究 背景 随着人类社会步入高龄化阶段，各种与高龄有关的关节疾病，如大腿骨骨折、关节炎等病症，将会大量发生，因此对人工关节的需求也会日益增加。 目前，全球已有约 3000 万人植入了人工关节，每年 的置换量约为 200 万例，仅在美国，每年大约有 50 万人进行关节置换手术。 针对全球的这一情况，联合国世界卫生组织将 21 世纪第一个十年定为“骨和关节十年”。 关节疾病同样是中国人群中的高发病率病种。 据统计，在 20xx 年 ， 我国 进行人工关节置换的患者约有 220 万例。 [1]目前要求人工髋关节在人体内工作 30 年或更长时间， [2]于是新的问题出现了。 如同 Mallory 所言：“所有的人工髋关节最终都会失败，这是一个患者寿命与假体寿命的赛跑。 ” [3]因此，研制 生物力学相容性 的 人工关节置换技术，提高置换关节的 机械 性能，延长 使用寿命，具有现实而深远的意义。 目前 关节 的修复 方法主要有两种 ，一是通过人 体 自身的生物机能进行骨骼的再生或植入带有 生物化 的小块异种骨诱导骨生长。 这类方法效果好，但时间长，见效慢，且 只适合于小块缺损骨的修复。 另一种方法是用人造生物材料（金属、 高分子材料 、陶瓷等） 进行植入置换 ， 替代病变部位关节，该方法已得到广泛应用，并且非常成熟，已成为一项常规外科手术。 1963 年英国曼彻斯特人 John Charnley 首先报道全髋关节置换手术治疗类风湿性髋关节骨性关节炎。 他利用不锈钢制作 直径的股 骨头，以聚四氟乙烯（ PTFE）制作髋臼，用聚甲基丙烯酸（骨水泥）固定，形成 Charnley 型低摩擦全髋关节假体，奠定了现代人工关节置换术的基础。 [4]自此以后，人 工关节置换技术发展迅速，日益成为治疗关节伤痛、重建关节功能的重要手段。 据不完全统计，全世界每年因各种疾病需要更换关节的人数高达 4000 万 ~6000 万人， [5]仅全髋关节置换就达 80 万例。 自从第一例低磨损人工髋关节运用于临床实际以来，人工关节置换技术迅速发展。 医学实践表明，关节材料性能及其生物摩擦学特性对于关节使用质量及临床寿命起着决定性 的作用。 因此，人们在这方面开展了大量的研究工作。 这为提高人工关节置换手术的成功率、延长置换关节的使用年限提供了强有力的理论支持和技术保障。 从临床医学来看，人工关节作为一种植入器官，其制作材料一般应满足以下几点要求： ①、生物相容性好。 要求人工关节材料和人体组织接触后，在材料－组织界面发生一系列相互作用后最终被人体组织所接受，且材料对人体的正常生理功能无不良影响，无毒，无排异反应； ②、生物力学相容性好。 植入材料和所处部位的生物组织弹性形变特性要相匹配，在负载情况下，人工关节假体与其接触的组织所发生的形变要彼 此协调； ③、生物结合性能好。 要求人工关节材料与周围骨组织结合良好，使用过程中不发生相对移动和下沉； ④、材料要具有一定的可降解性，可以逐渐被人体再生骨组织所替代； ⑤、优良的生物摩擦学性能。 要求材料的摩擦系数低，耐磨损能力强，磨损颗粒生成率低，以保证置换关节有较长的临床寿命； ⑥、良好的耐腐蚀、耐疲劳性能。 要求植入假体在体内所发生的组织反应不引起材料的劣化，反复承受交变应力不会引起材料的破损。 迄今为止，植入人工关节的替代材料，主要是高分子材料（如 UHMWPE）、陶瓷、金属材料（如不锈钢，钴铬合金，钛及其 合金等）。 研究表明，钛合金、 UHMWPE(超高分子聚乙烯 )、骨水泥等置换材料经生物摩擦磨损的产物 — 磨屑，直接引起置换关节晚期松动，是导致关节置换失败的重要原因之一。 磨屑对关节置换的影响，促使人们寻求生物摩擦磨损性能更优异的人工关节置换材料，或对材料表面进行表面改性，以达到提高材料耐磨性的目的。 研究人员在这方面开展了大量的研究工作。 这为提高人工关节置换手术的成功率、延长置换关节的使用年限提供了强有力的理论支持和技术保障，因此关节材料的耐磨性评价方法及设备至关重要。 本课题属于自拟课题，是通过平面销 /盘式变向摩 擦试验机和自行研制的空间交叉复合运动的球臼型人工髋关节摩擦磨损试验机对人工关节材料进行摩擦磨损试验，通过实验数据分析人工关节材料的摩擦磨损性能，这对于提高人工关节的使用质量，延长其临床寿命和减轻患者痛苦具有重要的现实意义。 人工髋关节摩擦磨损试验机的研究现状 在 20 世纪 60 年代，美国润滑工程师学会列出了超过 200 多种类型在用的磨损试验机或设备。 最近，多轴磨损试验机的应用，提供了更好模拟人体内的活动类型，这对于研究生物材料磨损具有特殊的意义。 一般而言，实验室用的磨损试验机主要分为两类： （ 1）磨损测试 试验机 如图 11 所示， 是人工关节摩擦学常规试验设备，以滑动接触方式进行摩擦磨损试验，通过圆盘与加工成销状的试验样品之间所形成的相对运动来研究材料的摩擦性能和滑液的润滑性能。 它们专门提供所研究材料的固有特性的信息，其测试过程很快。 但是该试验机不能准确的反映测试生物材料的几何特性，而其几何特性影响接触面的润滑和接触应力。 因此它只能近似的再现假体材料在人体内相同磨损机制，但是使用的是较简化的模型而不是仿人体关节假体。 因此，由于在试验中忽略了材料形态方面的区别，该试验机对移植关节的磨损率测试不够准确。 [7] 图 11 一些常见的没顺测试试验机 （ 2）关节磨损试验机 该试验机 主要是依靠基座与斜面底座之间的相对运动来模拟髋关节在三个不同平面的摆动动作 ， 是对真实假肢在模拟生理环境中的特性进行测试。 如图 12所示，即所谓的髋关节模拟试验机，髋关节模拟试验机可以预测磨损经过，通过测试人体磨损模式，研究假体材料的临床性能。 [8]该试验机基本上能够模拟实际环境下人体髋关节的运动情况，能够准确地测试人工髋关节的摩擦磨损性能，对人工髋关节的选材和人工髋关节置换术有着重要的意义。 赫尔辛基技术大学研 制的关节磨损试验机 HUTBRM hipjoint simulator 试验机如图 12a)所示。 [9]在 HUTBRM实验机中，由于条件的限制，设计者省略了在横截面上的运动，而合成运动对于磨损量、磨粒形状的形成、模拟步态的形态和摩擦因子的大小是十分关键的因素。 [10] 中国矿业大学摩擦学与可靠性工程研究所设计并制造的人工髋关节模拟试验机如 图 12 b)所示，该试验机按结构和运动原理也属于摆轴型试验机。 a） HUTBRM 髋关节试验机 b）人工髋关节模拟试验及 图 12 关节磨损试验机 本课题的目的及意义 本试验机 属于关节磨损试验机， 是对人工髋关节在模拟人体真实运动环境中的特性进行测试。 设计 该机械设计时考虑的主要因素是使其在实验室环境中能够正确模拟人体髋关节的实际运动工况，使安装在臼杯座中的髋臼试件与关节头试件间呈现交叉状、多方向复合运动，以使试件在试验过程中产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用条件下相一致，从而可以准确、可靠地测试人工关节材料的生物摩擦学特性参数，为临床应用提供指导性试验数据。 2 设计 方案 髋关节结构及运动分析 人体髋关节结构 髋关节位于人体中部，是人体中最重要的关节之一。 图 21 给出人体髋关节的结构简图。 图 21 人体髋关节 股骨上部大转子与髋骨相支承，承受了人体的大部分重量及人体活动时的大部分载荷。 当股骨上部发生创伤时，在临床骨科医学上，常常采用植入人工髋关节来代替原先破损的髋关节，以达到支撑点的目的。 图 22 示出了人工髋关节的实物照片。 与天然髋关节相对应，人工关节也分为股骨球头和关节臼窝。 为完成人体必需的运动及加工工艺的需要，人工关节联接部分做成凸球－凹球形式。 临床 上常用球头半径为 、 25mm、 26mm、 28mm、 32mm、 38mm、 42mm 等。 图 22 人工髋关节照片 人工关节在体内的固定方式分为两种：骨水泥固定和非骨水泥固定。 骨水泥固定时利用甲基丙烯酸甲酯 (骨水泥 )将人工假体与自然骨粘结固化后达到固定目的。 非骨水泥固定技术是通过改进假体外形尺寸使之紧密嵌入髓腔或在假体外壳表面上制造出多孔结构，以使宿主骨能够长入金属外壳面从而达到生物学固定的目的。 人工关节植入体内后，承担原人体髋关节的功能，其运动方式与人体自然髋关节基本一致。 髋关节运动特性分析 由于人体下肢运动的多样性（走、跑、跳等），使得髋关节的运动呈现出很强的复杂性。 股骨头根据运动需要，可在髋臼中围绕其球心向任何方向转动。 因此，仅就人体运动的不确定性而言，髋关节的运动轨迹是不可能用常规数学方法表达的。 考虑到关节置换病人的特殊性，此处仅讨论人体正常行走时股骨头在髋臼中的运动轨迹。 、 等的研究结果表明，人体正常行走时，髋关节在一个步态中的主要运动角度变化如图 22 所示。 FE 角 （ Flexionextension）的变 化幅度为 0～46176。 ， AA 角（ Abductionadduction）和 IER 角（ Internalexternal rotation）的变化幅度同为 0～ 12176。 FE 角和 AA 角的相位相差π /2。 在足跟离地前 时，关节弯曲度达到最大；脚尖离地前 时关节拉伸度达到最（ T 为步态周期，单位：秒）。 、 等根据图 23 所示运动曲线，利用计算机模拟技术对髋关节摩擦面上随机选取点的运动轨迹进行了相应计算，其结果如图 24 所示。 可以看出，这些点的运 动轨迹很不规则，大致上呈椭圆形，且轨迹形状随选取点在球体上位置的不同而有所变化。 这一结果表明，天然髋关节间的相对运动 为交叉状、多方向性复合转动摩擦。 图 23 人体步态运动波形图 图 24 选取点的运动轨迹图 方案的提出 关节头试件由夹具夹持固定于试验机主轴上。 试验时载荷的施加由加载油缸完成。 向加载油缸的上腔输入压力油，活塞杆将向下移动，并通过花键轴带动关节头试件压向臼杯试件。 利用液压系统调节液压油的压强，可满足试验时不同载荷要求。 臼杯座中可安装不同规格（ φ 20mm～φ 50mm）的髋臼试件，并通过组合轴承 部件固定在支撑斜板上。 装配有臼杯座的轴即可以围绕其轴线自由转动。 支撑斜板在电机驱动下作匀速旋转运动，防转杆受到试验机立柱的阻挡产生反方向阻力，通过轴承固定于支撑斜板上的臼杯座在合力作用下一边绕试验机主轴旋转，一边往复摆动。 安装在臼杯座中的髋臼试件与关节头试件间呈现交。