（工程力学专业论文）人工磁悬浮关节研究中的磁力计算.pdf

摘要 摘要 随着人民生活逐步迈入小康社会，我国人民的人均寿命不断增长，人们更 加注重生活质量的提高和保证。关节炎、运动创伤、老龄化等因素导致的关节 置换数量在逐年增加。因髋、膝关节是人体运动的主要负重关节，导致在关节 置换中，髋、膝关节的置换居多。然而简单机械替代的人工关节存在着润滑不 足、磨损严重、磨损颗粒诱导异体反应等问题，导致人工关节的使用效能和寿 命远不如原生关节。 本文把磁性材料引入人工关节，利用磁铁之间产生的斥力来减轻关节面的 作用力，从而达到减轻关节摩擦磨损的目的。论文从人工关节的运动机理入手， 分析了影响人工关节置换的主要因素，有针对性地引入磁性材料，结合医学上 有关磁性材料对人体生物学的影响的研究，根据人体的特殊环境，选择人工关 节的磁性材料，接着又从电磁场理论出发，分析磁力产生的原因，利用等效电 流方法，多角度、多方案分析计算两加装磁铁的人工关节产生的斥力，从估算 到精确计算，从理论到实验，找到磁性关节尺寸与斥力之间的关系，以及关节 位置的改变如何影响加装磁铁关节的受力。最后利用m a p l e 编出计算程序，描 绘出斥力与间距的变化曲线，从而直观地反映出它们之间的变化关系。更好地 为磁悬浮关节的设计做好准备，优化出加装磁铁的尺寸， 关键词：人工关节；磁悬浮；永磁体；磁力计算 a b s t r a c t - _ - 一- - 一 a b s t r a c t w i t ho u rc o u n t r y s l i v i n gc o n d i t i o n sb e c o m i n gw e l l o f f c h i n e s ep e o p l e ，s a v e r a g el i f ee x p e c t a n c yi si n c r e a s i n g ，a n dp e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o nt oi m p r o v ea n d a s s u r et h e i rq u a l i t yo fl i f e h e n c e ，t h en u m b e ro fj o i n tr e p l a c e m e n t sh a sb e e n i n c r e a s i n gr e s u l t e db ya r t h r i t i s ，s p o r t si n j u r i e s ，a g i n ga n do t h e rf a c t o r s y e a rb yy e a l ， t h ec o x aa n dk n e ej o i n t sa r eb o d y sm a i nw e i g h t b e a t i n gj o i n t s ，w h i c ha r em o r e l i k e l yt ob ei n j u r e di nd a i l yl i f et h a tl e a dt oc o x aa n dk n e er e p l a c e m e n ta r ei nt h e m a j o r i t yo f j o i n tr e p l a c e m e n t s h o w e v e r ，t h e r ea r em a n yd i s a d v a n t a g e ss u c ha sl a c k o fl u b r i c a t i o n ，h e a v i l yw e a ra n d a l l o g e n e i cr e s p o n s ei n d u c e db yf r i c t i o nl o s sp a r t i c l e s i ns i m p l em a c h i n er e p l a c e m e n t so fa r t i f i c i a lj o i n t ，l e a d i n gt ot h eu t i l i t ye f f i c i e n c ya n d e n d u r e n c eo ft h o s ea l en o ts og o o da st h eo r i g i n a lo n e s i nt h i sp a p e rm a g n e t i cm a t e r i a la r ei n t r o d u c e di na r t i f i c i a lj o i n t st or e d u c et h e f o r c eb e t w e e ns u r f a c e so f j o i n tw i t ht h er e p u l s i o nf o r c eo fm a g n e t st oa c h i e v et h e p u r p o s eo fm i n i s h i n gf r i c t i o nw e a ro ft h ej o i n t s t a r t i n gf r o mt h ep r i n c i p l eo ft h e k n e ew o r k i n g ，w ec h o o s ea n da p p l yt h em a g n e t i cm a t e r i a lo fa r t i f i c i a l i o i n ti n p u r p o s et h r o u g ha n a l y s i so ff a c t o r sw h i c ha f f e c ta r t i f i c i a li o i n tr e p l a c e m e n t sm a i r d y , a n dt h ee x i s t e dr e s e a r c ho fm e d i c a l - r e l a t e de f f e c t so f m a g n e t i cm a t e r i a lo nh u m a na t b i o l o g ya n dh u m a nb o d i e s s p e c i a lc i r c u m s t a n c e t h e na c c o r d i n gt o t h e o r yo f e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，w ec a l c u l a t et h er e p u l s i o nf o r c eb e t w e e nt w o i n s t a l l e d a r t i f i c i a lj o i n tm a g n e t sb yt h em e t h o d so fe q u i v a l e n tc u r r e n tf r o mm u l t i a n g l ea n d m u l t i - p r o j e c t f r o ma c c u r a t ec a l c u l a t i o nt oe s t i m a t i o na n df r o mt h e o r yt o e x p e r i m e n t ，w ea t t a i nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a g n e t i cj o i n ts i z ea n dr e p u l s i o no f i ta n dt h ew a yt oc h a n g ej o i n tp o s i t i o nt oa f f e c tt h e i o i n tf o r c e f i n a l l y ，w eu s e m a p l es o f t w a r et oc o m p i l eap r o g r a mt og e tac a l v et od e p i c tt h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h er e p u l s i o nf o r c ea n dj o i n td i s p l a c e m e n t s a c c o r d i n gt oo u rr e s u l t s ，w e c a no p t i m i z et h es i z eo ft h em a g n e t si n s t a l l a t i o ni na r t i f i c i a l i o i n t sa n dp r e p a r et o d e s i g na na r t i f i c i a lj o i n tw i t hm a g n e t i cs u s p e n s i o n k e yw o r d s ：a r t i f i c i a lj o i n t ；m a g n e t i cs u s p e n s i o n ；p e r m a n e n tm a g n e t ；m a g n e t i c i i f o r c ec a l c u l a t i o n a b s t r a c t i i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南昌大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：降戾产签字日期：沙以年f 1 月舛日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授 权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名( 手写) ：p 东斥了厂士导师签名( 手写) ：伤f 文桷 签字日期：h d2 年fz 月24 日签字日期： o 占年i z 月2 中日 第1 章绪论 1 1 课题的来源与意义 第1 章绪论 此论文研究源自于南昌大学学科交叉基金项目“仿生人工关节的力学行为 与临床基础研究 项目的编号为：z 0 3 7 2 2 。 人体的骨、关节与周边的软骨，以及肌肉、韧带等软组织共同构成一个完 美的生物力学系统。关节是人体承受载荷最大的生物摩擦副，关节中的软骨磨 损会导致骨关节炎病。据调查，我国骨关节炎患者达3 6 0 0 4 0 0 0 万，其中1 0 0 - 1 5 0 万患者需要实施人工关节置换手术，以显著改善患者的生命质量。瑞士 s u l z e r 眩整形外科公司的数据也表明，全球每年有1 1 0 万髋关节植入。目前在临床 上获得成功应用的人工关节主要包括髋关节、膝关节、踝关节、肘关节、腕关 节和肩关节等。 人工关节的生物摩擦学行为对置换关节的要求很高。以髋关节为例，其在 体内每年承受约1 0 0 - - 一3 0 0 万次循环的体重负荷，一般要求置换于人体内的人工 关节服役寿命达到1 0 - 2 0 年。承重人工关节的体内松动是主要的失效模式，失 效率约为1 0 ，松动失效的主要原因是人工关节在体内发生磨损b ；磨损每年 产生约5 0 0 万颗磨损颗粒，这些磨粒在植入物与肌肉界面的聚集，导致生物对 异体的反应，诱发相应数量的细胞吞噬这些颗粒，变异的细胞将导致骨溶解， 同时使原先紧密结合的“假体骨”系统发生松动，最终导致治疗失败h 。另外， 人工关节在体内磨损产生的磨损颗粒可能产生毒性或发生免疫反应、引发骨吸 收和无菌松动、发生变态反应、导致局部形成肿瘤等，变异的细胞产生大量分 泌物，它将给人体带来更大的伤害，这就是广为人知的“磨粒病b3 。人工关节 在人体内的过快磨损及磨损颗粒引发的“磨粒病 仍然是影响人工关节置换寿 命的难题，要克服这些困难需要力学( 润滑、机械摩擦磨损) 与生物医学工程 的交叉研究。本文旨在通过对人体膝关节和人工膝关节的受力、变形以及摩擦 磨损机理的研究，建立更加符合人体生物力学特征的仿生人工关节模型，找到 影响人工关节磨损的材料、受力和结构因素，为仿生人工关节的设计提供理论 依据。 第1 章绪论 1 2 国内外有关研究的综述 1 2 1 骨科生物力学的概况【6 】 生物力学是- - f 7 以力学理论和方法，探讨人体及其它生命体有关力学问题 的学科。1 9 6 0 - - - 1 9 9 0 年为生物力学蓬勃发展的一个重要时期，当时物理科学中 的固体力学、流体力学、空气动力学、运动学等学科均开始涉入生命科学领域， 因而形成- - 1 7 独特的新兴学科生物力学。其中骨与关节的力学研究在生物 力学领域占有相当重要的地位，其基础涵盖流体力学、静力学、动力学、生理 科学、解剖学和其它各相关专业领域。近4 0 年来，随着骨科生物力学的研究进 展，骨科手术技巧具有相当显著的进步。前人对于骨科生物力学的运用，开始 只是单纯运用力学概念，制造省力或是符合肢体使用的工具。但近来由于人类 对于骨骼肌肉系统的功能和解剖学了解后，生物力学大大提升了在临床骨科的 运用，尤其在著名专家j o h nc h a r n l e y 成功地发明人工全髋关节矛l l n s a l l 发明人工 膝关节后，整个创伤骨科的进步已延伸出另一个创新领域。至今，骨科手术中 可借由置换人工假体来取代退化的关节，大大改善过去临床无法解决的问题并 且手术成功率已达相当满意的结果。此外，在其他相关工程人员的努力下，协 助各式骨科器材的设计、开发及各种辅助诊断的仪器问世，目前已可利用计算 机辅助技术和显微手术的先进技术来增加手术的效率和准确性。骨科生物力学 的内容，近几年已被广泛研究，并且已有许多著作将之归纳整理【7 9 】，大体把它分 为五类，具体如下： 1 、骨骼肌肉系统的力学表现； 2 、体内各关节的架构认识与功能性评估； 3 、肌腱与韧带的生物力学； 4 、关节软骨的双柑性质( b i p h a s i cp r o p e r t y ) 的探讨以及对于关节润滑的机制 了解； 5 、骨修复与重新塑造在力学受力的影响机制研究等 这些著作已成为临床骨科、康复医学和骨科生物力学等人员学习或诊断治疗的 重要参考依据。而研究模式亦不断改革创新，由早期的动物实验及大体研究逐 渐转变成计算机模拟及数值分析等方法，例如有限元分析法、计算机仿真和超 音波等研究工具的发展，使得生物力学研究人员可以更精确且快速的方法来测 量复杂的骨骼肌肉系统的力学表现。传统骨科学的发展需要结合各专业领域的 第1 章绪论 研究，不仅需要生物力学专家，还需要生物医学材料、生物化学、生理学、分 子生物学和药理学等专家共同研究才能发扬光大。而先前所提及的研究皆从宏 观探讨，以力学角度使产生形变的骨头恢复正常位置，或以假体植入物取代破 坏面来治疗。但在骨骼肌肉系统中常见的退化性关节炎与骨质疏松问题，临床 治疗最终仅以人工假体置换柬恢复关节的功能。不管假体的设计如何完善，仍 有许多限制，例如人工假体在使用上所产生的磨耗问题也是导致假体破坏的原 因之一。除了假体破坏需要再次翻修外，其磨耗所产生的微小颗粒会刺激人体 免疫系统，活化蚀骨细胞引发骨溶蚀效应，造成组件基座的骨质流失而加速人 工关节损坏。h u a n g 与c h e n g 等i l o 】便针对人工膝关节组件的取出物进行一系列的 分析，包含聚乙烯磨耗颗粒的尺寸与骨溶解的关系、不同组件设计与磨耗方式 的探讨等相关议题。为彻底解决此问题，除了骨科生物力学专家可研发更理想 的人工关节外，另一个方法即是以病因学( a e t i o l o g y ) 角度进行研究，预防关节病 变发生。因此骨科生物力学相关研究中的另一分支即在进行细胞、基因层次的 力学表现，研究力学刺激对细胞的功能及活性的影响，希望借由一系列的研究， 除了能对细胞特性了解地更加透彻之外，亦能理清细胞在受力后的调控机制。 并寄望将来能将此结果应用于临床医疗上，借由骨骼生成与吸收作用间的调控， 促进骨折的愈合或改善骨质疏松症等常见的骨科临床疾病。在骨科领域，随着 生物力学研究的发展，许多诊断方法和治疗手段已获得改进，人工植入物、手 术方法及手术器械不断地创新已趋近完善。然而，对于广泛骨科生物力学的闯 题，不是单一领域的研究专家可以解决，需要有各领域的专业人员共同投入医 学研究，切实的落实人类的医疗健康。基于各种先进器械的进步与大量人才培 训下，骨科生物力学领域的研究将不可限量。 1 2 2 人工关节的的研究概况 人工关节用于临床已有近百年的历史，人工关节从材料到设计，都取得了 很大的进步。人们已经能够应用多种金属或合金、高分子聚合物、炭质材料、 陶瓷材料等对患者进行骨或关节的置换。然而，人工关节缺乏润滑机制、摩擦 磨损严重，而由磨损颗粒引起的异物反应更会缩短人工关节使用寿命【1 1 】。据统 计，人工全膝置换术后因感染而行膝关节翻修术的仅占l ，因聚乙烯磨损所致 失败的膝关节翻修率则高达9 肌1 0 1 2 3 , 目前，国内外研究者对人工关节材料 设计以及表面涂层进行了大量研究，但主要集中于摩擦副材料的选择及表面耐 3 第1 章绪论 磨性等，期望通过改变配副材料来减轻磨损、减少磨损颗粒的产生，但收效不 佳。 人膝关节是人体最重要、最复杂的一个关节，其结构和功能也是人体关节 中最复杂的，运动创伤及疾病的发病率也位居全身所在关节之首，尤其是近年 来，随着我国体育运动的普及，竞技强度的提高，膝关节的运动损伤的发病率 呈逐年增加趋势。根据美国骨与关节杂志1 9 9 4 年的报告材料 1 3 3 美国每年 人工膝关节置换例数已达2 0 万例，并且以每年2 0 多的比例增加。膝关节也是 多发病变的部位。由于其在临床治疗，医学研究，生物机械的设计、应用及研 究等各领域的重要意义和应用价值，长期以来受到了广泛的关注。1 8 3 6 年韦伯 兄弟4 。首先注意和观测到了膝关节运动是胫骨和股骨滚动和滑动两种运动的结 合。之后至今，许多研究者对人膝关节模型进行了大量的研究【1 5 1 6 】。人工膝关 节的研究比人工髋关节的研究要晚1 0 年。人工膝关节置换后，要求达到负重、 伸屈、外展及适当的旋转活动，并且稳定性要好。膝关节的运动是复杂的三维 运动，而在人体正常平地行走中，王西十的试验测定结果表明胫骨平台承受人体 体重的3 倍左右【i7 1 。至于人体在快速跑跳的过程中，膝关节中的胫股关节力的 量值之大更是可想而知。因此膝关节假体设计对界面磨损至关重要。其中，负 重面几何形态是影响假体应力分布及关节活动形式的重要因素，直接与磨损有 关。由于膝关节的活动兼有滚动、滑动和旋转等多种运动方式，不同假体均需 满足膝关节的自由活动，并且与假体周围韧带相容，这样方可获得良好的稳定 性和功能要求。人工膝关节的磨损主要与胫股关节的吻合度有关。早期的全髁 型假体，采用胫股关节几何形态较为吻合的设计，部分提供前后向稳定，但这 种假体有较大的限制性，增加了假体、骨、骨水泥之间的剪切压力，易产生磨 损和松动。大多数后十字韧带保留型假体采用关节形成面低吻合设计，如冠状 面平台对平台设计，具有较小的限制性，但易产生边缘负重，甚至发生严重的 后内缘磨损、折断。因此，一段时间以来，矢状面的吻合设计被认为是科学的。 然而，胫股关节面的碟形设计或弯曲设计容易产生对股骨髁后滚动的限制，导 致运动学抵触，随着膝关节屈曲度的增加，后十字韧带逐渐紧张，局部压力加 大，局部磨损增加。因而为了进一步了解膝关节几何形态对受力和磨损的影响， 必须建立膝关节的生物力学模型。 自从b r e s l e r 和f r a n k e l ”1 在1 9 5 0 年建立了一个早期的人膝关节生物力学模 型以来，许多研究者已建立了各种各样的人膝关节模型。而所有这些膝关节模 4 第l 章绪论 型基本上可分为两类，即物理模型和生物力学模型。物理模型是一种虚拟模型， 这种模型仅模拟了真实人膝关节的一些方面。大部分试验研究，用物理模型来 确定其机械响应特性。而生物力学模型则是满足一些诸如平衡方程等的物理定 理，并且由一组数学关系式组成。人膝关节的生物力学模型也可分为两类，即 现象( p h e n o m e n o l o g i c a l ) 模型和解音l j ( a n a t o m i c a l ) 模型。现象模型没有考虑膝关节 处的真实结构；而解剖模型则是考虑了形成膝关节各部分的解剖结构，并要求 能精确的描述各真实解剖结构。这样解剖模型又可分为运动模型、静力及准静 力模型和动力模型。值得注意的是，目前所有的人膝关节动力模型都是二维( 大 部分仅限于研究矢状面内) 动力模型。而极少的三维人膝关节模型均是静力或准 静力模型【1 6 】。 近年来三维有限元模型已发展到能对人体各部位复杂的非均质结构进行真 实模拟和精密分析，成为骨科生物力学研究一种重要工具。既往研究多集中在 脊柱和下颌骨等，而对膝关节的三维重建和分析则较少。建立一个三维真实人 工膝关节生物动力模型是目前迫在眉睫的工作。这有助于分析人工膝关节的性 能，进而设计新型的高性能的人工膝关节。 据摩擦面性质，人工关节的磨损分为四种类型：i 型磨损为两个负重关节 面之间功能活动的磨损，i i 型磨损为一个负重关节面与另一非负重关节面的磨 损，i i i 型磨损为两个负重关节面相对活动，中间夹有第三体颗粒的磨损( 如夹有 骨碎屑、骨水泥颗粒、金属颗粒等) ，型磨损为两个非负重关节面的磨损。磨 损的机制主要有粘附磨损、摩擦磨损和疲劳磨损。粘附磨损是指接触点连接强 度大于材料固有强度时对其表面的拉脱破坏，摩擦磨损是指不光整表面的若干 尖端对材料表面的擦伤破坏，疲劳磨损是指应力作用下材料表面或更深层结构 的断裂或分层。不同磨损机制与不同磨损类型所造成的磨损破坏各不相同，粘 附磨损引起表面坑洼与凹陷，摩擦磨损造成表面擦痕，疲劳型磨损表面较光滑， 磨损产生的颗粒较小，i i 、型磨损表面较粗糙，颗粒直径也较大，i i i 型磨损 对表面破坏最明显，产生的颗粒可以相当巨大 i s - 1 9 1 。摩擦磨损性能是影响人工 关节使用寿命的主要因素，许多学者从材料自身特性、磨损环境的模拟以及结构 设计的优化等多方面对摩擦磨损性能改进，但如何利用人膝关节的长期赖用的 生物、动力机制，进行仿生设计，在减少磨损的同时增加假体与人肌体的相容 性，仍是未很好解决的问题。q o r i 等 2 0 1 通过有限元分析发现，人工膝关节胫骨 假体界面的液压可高达5 0 0 0 m m h g ( o 7 m p a ) ，站立时压力为0 1 0 0 m m h g ，而行 第1 章绪论 走、上楼梯或从坐位到站立位时可达7 0 0 m m h g ，甚至更高，被动活动时关节内 压力也可达2 0 0 m m h g 。r o b e r t s s o n 等【2 l 】通过b 超发现，松动假体的关节囊膨 胀，表明囊内压增高；而未松动的假体关节囊膨胀不明显，间接表明囊内压较低。 若骨假体界面存或微动，则界面间必然会形成纤维界膜，纤维界膜一旦形成， 液k 也就必然存在；纤维界膜内含有液体，在理论上，当其承载时液压将明显增 高。因为承载时，假体的移动或微动使纤维界膜很容易发生变形，全部负荷就 将转变成液压，使关节界面产生较大的摩擦力。目前还没有通过减少界面问的 压力来减少摩擦磨损方面的研究报道。人工关节的接触面承受着重力和肌肉收 缩所产生的不断变化的压力，假体的移动或微动使纤维膜很容易发生变形，全 部负荷就将转变成液压，液压升高和本身的液流可能是引起疼痛和骨溶解的原 因之一。同时传统金属等假体材料的弹性模量远远超过骨的弹性模量，是骨组 织的十几倍甚至几十倍，它们的组合，显然力学性能无法相容，不能创造一个 较好的、接近生理状态的受力环境，由此产生应力遮挡、引起骨吸收、骨萎缩， 乃至假体松动等一系列并发症，且为今后的重建带来困难。以低弹性模量而高 强度材料为出发点，探讨多孔梯度材料、复合材料等在人工关节制造和安装中 的应用的研究方兴未艾，获得一种能与股骨紧密结合、增加股骨近端应力传递 的新型假体，可以大大提高膝关节置换术的远期疗效 1 3 本文的工作 本论文从减轻膝关节间磨擦角度出发，通过在人工膝关节中加装磁性材料， 利用磁铁之间产生的斥力，抵消一部份关节之间的作用力，从而达到延长人工 关节使用寿命的目的。本论文的主要工作如下：1 l 、查找相关资料，论证永磁材料长期值入体对人体的影响； 2 、根据人体的体内环境，选择合适的永磁材料； 3 、从理论上推导与膝关节形状相似的两永磁体的斥力计算公式； 4 、结合关节运动的特点，导出在改变两磁铁的位置情况下的计算公式； 5 、利用m a p l e 编出计算程序，在给定参数的情况下算出斥力的大小； 6 、实验验证理论的正确性。 6 第2 章人t 关节置换材料 第2 章人工关节置换材料 2 1 目前使用的人工关节置换材料 关节置换材料的复杂性要求材料必须具有良好的生物相容性、耐腐蚀性、 高强度、高韧性以及优良的耐循环冲击和优越的耐磨性能。这样任何一种材料 都不可能完全满足这些使用要求。因此，几乎所有类型的材料一金属、陶瓷、 有机高分子和复合材料都在关节置换中得到应用。 2 1 1 金属 正常人体骨组织在遇到损伤后有自我修复的能力，而假体材料则不具有该 特征。插入髓腔内的股骨假体柄的直径约为股骨直径的l 4 ，因此骨和横切面约 是柄的1 6 倍。m e a r s 曾指出【2 2 j ：股骨的疲劳强度约为9 1 4 k g m 2 ，由于假体柄直 径为股骨直径的1 4 ，因此假体必须能承受1 4 ，6 2 2 k g r n 2 的力。为防止假体柄的 断裂，延长其使用寿命，其材料多选用金属。其中又以金属合金为主。至于不 锈钢材料，尽管具有杂质含量低、延展性好、容易加工等特性，但由于抗疲劳 强度、耐腐蚀性以及生物相容性较其他高级合金差，目前已不再采用 2 3 1 0 钛合 金从材料学角度来讲，高弹性模量可减少部件周围的应力分布，从而减少骨水 泥的断裂，但从生物力学的角度来讲，高弹性模量也有缺点，因为骨承受的负 荷过小处会造成应力遮挡和废用性骨质疏松，最终仍导致假体松动和骨水泥断 裂【2 4 1 。钛合金的优点是弹性模量低，生物相容性好，抗疲劳强度及耐蚀性好， 缺点是摩擦系数高，耐磨性差。为了增强钛合金的耐磨性，人们开始使用“离 子植入 技术。实验显示将氮离子铸入钛合金表面，可增加合金的表面硬度与 抗磨损力：而在含氧环境中，钛的抗磨蚀力和抗疲劳性可增加，其表面保护层 具有很高的惰性，损伤后容易再形成。目前常用的钛合金为钛一铝一钒，其摩 擦系数较高。两个钛合金植入体之间发生磨擦后，可形成磨损颗粒，引起骨溶 解、吸收。因此钛合金很少用于人工髋关节的关节面，而多用于髋臼的外杯或 股骨柄处【2 5 】。钴合金假体的制造工艺分为铸造和锻造两种。铸造假体的加工较 容易，锻造假体的加工较困难，但后者的强度远比前者为高。钴合金的弹性模 7 第2 章人工关节置换材料 量约为钛合金的2 倍，为皮质骨的1 0 倍。临床常用的钻合金是钴一铬一钼合金， 它具有很高的耐磨性和抗疲劳强度，多用于负重关节面假体。至于钴一镍一铬 铝合金，虽具有更高的屈服强度和抗疲劳强度，但由于耐磨性不及钴铬钼合金， 所以国外大量用于股骨柄的制造材料，与钴铬钼股骨头相组合【2 4 1 。尽管钛合金 是在钻合金之后用于临床的新型金属材料，但它并不能完全取代钴铬钼。近期 的研究表明，用钴铬钼合金既可以制作骨水泥型人工髋关节，也可以制作非骨 水泥型人工髋关节。而钛合金由于与骨水泥相互作用易引起松动，故不适合制 作骨水泥固定的人工关节。 2 。1 2 超高分子量聚乙烯 超高分子量聚乙烯由于其“低摩擦系数”的特点而常用于全髋关节中塑料 杯的制作。它是一种粘弹性材料，由乙烯聚合而成，受应力后可发生蠕动变形， 故不适用于人工关节受折弯应力的部位。制作聚乙烯部件有两种技术：一为压 模加工；一为机械加工。压模加工是将聚乙烯材料轻度加温，然后用钢模压制 成形，机械加工则是指用专业机械在常温下切割、抛光。通常情况下压模成形 制品的表面抛光度较机械加工制品要好，但前者的加热温度很关键，温度过高 会使材料裂解，内部形成空隙。也正是由于这一特征，聚乙烯制成的髋臼假体 绝对不能用高温高压消毒，而是在出厂时采用2 5 m 拉德y 射线或高能电子消毒， 然后无菌包装，当然过度，射线照射会使塑料变脆，而过量高能电子也会使塑料 氧化、裂解。因此消毒时要适当，不能过量。超高分子量聚乙烯临床应用的主 要问题是磨损碎屑所引发的溶骨反应，最终导致假体松动。而假体松动又正是 当前影响人工关节寿命的主要原因，临床上偶而见到的材料断裂也多是在松动 的基础上发生的。系列研究表明，超高分子量聚乙烯的平均磨损速度为 0 1 0 2 m m 年，而磨损碎屑的产生则随人工股骨头直径的增大而增多。基于这一 点，目前大多数的人工股骨头的直径为2 6 - , - 2 8 m m ，较初期为防止髋关节脱位而 采用的大直径人工股骨头设计更为合理。有关磨损碎屑诱导骨溶解的机理尚不 完全清楚，部分学者认为这种骨溶解主要是材料碎屑导致周围组织炎性反应所 致。吞噬或包绕磨损碎屑的巨噬细胞能分泌肿瘤坏死因子白介素、前列腺素以 及胶原酶等，这些局部介质激活破骨细胞，进一步引起骨质吸收和溶解。研究 表明，当植入物稳定时，假体与骨的界面是一层细胞数目较少的胶原纤维组织， 8 第2 章人工关节置换材料 而当植入物松动时，该界面内充满大量的巨噬细胞【2 6 1 。因此如何减少磨损碎屑 的产生和碎屑产生后如何抑制局部异物反应，是材料学与临床医学要共同解决 的难题。 2 1 3 陶瓷 陶瓷材料主要用于股骨头假体，具有假体硬度高，组织相容性好，表面抛 光度优于金属等特点。陶瓷对聚乙烯的摩擦系数比金属对聚乙烯要低，耐磨损 性能也很好。在聚乙烯髋臼内，它的磨损率大约是金属头的1 4 ，碎屑产生率低。 但陶瓷的脆性较高，不能耐受挤压和不均匀的负荷，因此不适合做为髋臼的假 体材料，以避免边缘的折断。有学者研究指出【27 1 ，金属假体与陶瓷假体不能互 为关节面，因为这种组合，可使金属有极大磨损。另外，现有的陶瓷多为氧化 铝陶瓷，这种含铝的假体植入人体后，是否会影响骨的钙磷代谢，尚有待研究。 过去的有关实验表明，当饮食中的铝含量超过正常值的5 1 0 倍，就能干扰磷的 吸收。 2 1 4 聚甲基丙烯酸甲酯( p m m a ) 聚甲基丙烯酸甲酯又名骨水泥。最早用于口腔颌面外科，我国于1 9 7 8 年研 制成功骨水泥并应用于临床。使用骨水泥固定的全髋置换术有两个重要的技术” 要求，如何调制骨水泥和骨水泥如何固定假体。假体松动的重要原因之一往往 是骨水泥使用不j 下确。骨水泥是由单体与粉剂两部分组成。单体中同时含有聚 阻剂和促进剂，前者能防止单体在保存期间发生聚合发应，后者能加速聚合反 应。粉剂中含有甲基丙烯酸甲酯一苯乙烯共聚物( m m a s ) 及引发剂过氧化二苯 甲酰( b p o ) 。最初的骨水泥粉剂中不含有硫酸钡，因此骨水泥能被x 线透过。后 来为了在手术后观察骨水泥的分布，骨水泥与假体及骨的界面，以便早期估计 预后，部分商家在粉剂中加入硫酸钡。大量实验证实，钡剂并不会明显改变骨水 泥的物理特性，此外，由于骨水泥在体内长期留置后会变色为类似骨组织的颜 色，使翻修手术时难以与骨组织区别。因此，少数公司的骨水泥内加入了一定 量的染料，以便翻修手术时辩认。骨水泥今后的研究方向将聚焦于如何提高耐 剪力和耐张力的性能，如何减少骨水泥的松动和断裂，以及如何进一步改善其 固定效果。 9 “ 第2 章人工关节置换材料 除此之外还有多孔聚砜类物，这种材料具有良好的生物相容性，强度高， 弹性模量中等。多缩醛类树脂，这类材料制成的假体不需要使用骨水泥固定， 假体的弹性模量接近骨组织的弹性模量，因而可减少骨组织与材料接触之间的 活动。碳素类，该材料具有质硬、耐磨、强度大的特点，弹性模量、弯曲强度 和抗压强度与人体骨相近。但由于制造工艺等原因，全碳素人工髋关节尚处于 实验室研究阶段。 以上看来，尽管磁性材料是一种古老而新兴的医用生物材料，但磁性材料 在人工置换关节中还没有应用过。本研究在人工关节中大胆引入永磁材料，以 下从多方面论证方案的可行性。： 2 2 磁性材料在医学上的运用【2 8 】 磁性材料是一簇新兴的基础功能材料。经过近百年的发展，磁性材料已经 形成了一个庞大的家族，按材料的磁特性来划分，有软磁，永磁、旋磁、记忆 磁、压磁等。按材料构成来划分，有合金磁性材料，铁氧体磁性材料。随着基 础学科和材料工程学的进步，磁性材料的磁性能和材料物理性能在不断的提高， 现在磁性最强的永磁材料钕铁硼，其最高磁场强度能达4 5 t ( 特斯拉) ，最高磁能 积能达4 0 0 - - 5 0 0 k j ，若以吸持铁块重量来衡量，一块1 c m 3 的钕铁硼永磁体可以 吸持4 7 k g 的铁块，即钕铁硼吸持的重量是自身重量的6 7 0 倍。其强大的剩磁( b r ) 、 矫顽力( h c ) 及磁能积( b 均决定它在医学中的应用f i 景是非常广阔的。磁性材料的 物理性能如：材料的强度，硬度，刚度经加工后都能满足现在医用生物材料的 要求。永磁材料是磁性材料中最常见和应用最广泛的一种。在医学领域中也得 到了应用，如磁水杯、磁降压表、哈磁五行针。医院影像检查设备核磁共振中 也应用了大量的永磁材料。磁性材料性能的提高将进一步促进其在医学中的运 用。特别是在骨科医疗器械中的运用前景可观。永磁材料能够产生强度稳定的 磁场，也称静态磁场，国内外对恒定磁场生物效应的研究很活跃。但目前对不 同强度的恒定磁场对生物体产生的生物效应还不是很明确，由于各试验室的衡 量标准不一样，有些研究结果相差甚远。 2 2 1 恒定磁场对生物体整体的影响 1 0 第2 章人工关节置换材料 当生物体完全暴露于恒定磁场中时，磁场将可能对生物体的生长，代谢产 生影响。但近期的动物实验研究表明短期的磁场暴露，不会对生物体机能状态 产生影响。w a n d ab f 2 9 1 等报道经磁场强度为9 4 t 的恒定磁场连续照射l0 个星期 f i s h e r 大鼠及其子代，没有发现不良生物反应的产生。 2 2 2 恒定磁场对机体组织、器官水平的影响 l 、恒定磁场对心血管系统的影响 在场强大于1 0 0 m t 的磁场中，血液流经血管可以产生电势，它们有重要的生 理作用，但具体作用仍不清楚。k a n g a r l u t 3 0 】报道人体暴露于强度为8 t 的恒定磁场 中，其动脉血压不会发生变化。有研究表明磁场能降低急性心肌梗死大鼠模型 血浆c a m p 、c g m p 的含量，增加心肌a t p 含量，对心肌具有保护作用，赵锐等p i j 报道，将表面强度为0 0 9 t 的磁体埋于急性心肌梗死大白鼠模型心前区6 天，结果 发现试验组大鼠血浆c a m p 、c g m p 含量低于药物( 心得安) 对照组，心肌的a t p 含量增加，有利于心肌的保护。磁场能加速红细胞在血液中的运动，有利于机 体物质的运输，促进机体生长代谢。h i g u s h i 3 2 1 报道1 t 的恒定磁场可以使部分红 细胞顺着磁力线方向运动，当场强达4 t 时，所有的红细胞都能朝磁力线的方向 运动。 2 、恒定磁场对消化系统的影响 有研究表明一定强度的恒定磁场能够改善机体的消化功能。娄明连等1 3 3 j 研 究了磁场对胃肠平滑肌活动、胃肠吸收及生物电的影响，不同强度稳恒磁场可 使正常状态下的胃电图、十二指肠电图的振幅增强，促进胃肠消化。刘焕珠等【3 4 j 用恒定磁场作用于离体小肠，经作用2 4 小时后小肠上皮细胞a t p 酶活性升高， 使小肠葡萄糖转运电位显著升高，进而促进了小肠对葡萄糖的吸收作用。 3 、恒定磁场对神经系统的影响 神经系统的活动与生物电活动紧密联系，以各种离子进出细胞为基础，易 受到外加磁场洛伦兹力的干扰。有实验研究表明在高强度的磁场作用下可以改 变细胞膜对离子的通透性。w i k s w o 3 5 】报道2 4 t 的恒定磁场可以使细胞n a + ，c 通 道的传导性增力1 1 0 。但也有些研究显示在低强度的磁场作用下就能改变细胞 膜的离子通透性。r d s e n 【3 6 1 报道连续1 5 0 s 暴露于场强为1 2 0 m t 磁场中的g h 3 垂体 细胞，结果显示其电压依赖的n a + 、k + 通道开放频率增加。 第2 章人：( 关节置换材料 4 、恒定磁场对免疫系统的影响 恒定场强的磁场能够影响机体的免疫系统的活动。有研究表明磁场能促进 机体的免疫力。在实验条件下，磁场能提高淋巴细胞转化率及单核细胞分泌肿 瘤坏死因子的能力。有些报道称磁场可以抑制分化期t 细胞的活性。o n o d e r a ”l 报道场强为1 0 t 的恒定磁场能够抑制由植物血凝素( p h a ) 激活的c d 4 + $ 1 c d 8 + 亚群分化t 细胞的活力，对分化间期的t 细胞无影响 5 、恒定磁场对骨骼肌肉系统的影响 恒定磁场能够改善去卵巢大鼠骨密度、骨强度和骨代代谢。张小云等【38 】报 道将去卵巢大鼠每天暴露于场强为0 1 6 t 的稳恒磁场3 0 m i n 连续5 w 并饲予钙，结 果表明磁场处理3 0 分钟且加钙组的骨密度、骨强度等指标均显著高于去卵巢组， 但当每天暴露时间增加到9 0 m i n 时，骨密度和骨强度反而降低，说明其有窗口效 应。王军学【3 9 】等报道暴露于0 2 t 场强下的伤口愈合率明显高于对照组，说明磁场 能够促进伤口的愈合。 6 、恒定磁场对内分泌生殖系统的影响 近期的多数实验研究表明，一定强度的恒定磁场不会对实验动物的内分泌 生殖系统产生有害影响。聂晓云等【4 0 】报道用恒定磁场( 场强0 4 t ) 每天照射s d 受孕大鼠2 h ，连续1 0 w ，结果试验大鼠肝肾功能和血液生化指标都无有害影响。 m u r a k a m i 等【4 l 】报道将怀孕大鼠于孕期第七天至孕期1 4 天暴露于场强为6 3 t 的 恒定磁场中，结果显示磁场暴露对鼠胎无影响。 2 2 3 恒定磁场对生物体细胞及分子水平的影响 l 、对正常细胞的影响 正常生命体的活动都是以细胞活动为基础的，细胞的生长代谢及信号转导 都需离子的参与，磁场能够通过洛伦兹力影响离子进出细胞的活动而作用于正 常细胞。实