仿生关节软骨的生物力学特性及其生物摩擦学研究

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1、博士学位论文仿生关节软骨的生物力学特性及其生物摩擦学研究ResearchonBiomechanicalPropertiesandBio-tribologyofBionicArticularCartilage作者：陈凯导师：张德坤教授中国矿业大学二O一五年五月中图分类号TH117学校代码10290UDC密级公开中国矿业大学博士学位论文仿生关节软骨的生物力学特性及其生物摩擦学研究ResearchonBiomechanicalPropertiesandBio-tribologyofBionicArticular

2、Cartilage作者陈凯导师张德坤申请学位工学博士培养单位机电工程学院学科专业机械设计及理论研究方向生物摩擦学答辩委员会主席靳忠民评阅人二O一五年五月论文审阅认定书研究生陈凯在规定的学习年限内，按照研究生培养方案的要求，完成了研究生课程的学习，成绩合格；在我的指导下完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。导师签字：年月日致谢本论文是在导师张德坤教授的悉心指导下完成的。从论文的选题、研究方案的确定、实验内容的

3、指导、论文的撰写到论文的最终完成，从日常生活的关怀到科研条件的提供，无不凝结着恩师的缕缕心血和智慧。导师渊博的学识、敏锐的学术洞察力、严谨的科研作风、善于发现问题并解决问题的能力、平易近人的工作作风和低调的做事风格，一直激励着我不断克服困难，取得进步。这一切使我终身受益，将也成为我人生道路上的典范！论文完成之际，谨向尊敬的导师表示我最诚挚的敬意和衷心的感谢！感谢研究所的刘金龙教授、王庆良教授、曹希传教授、刘洪涛教授、王世博副教授、滕淑华副教授、罗勇副教授、亓健伟副教授、乔江浩老师在日常生活中以及试验过程中

4、给予的指导和帮助。感谢课题组的许林敏老师，许老师在生活方面一直非常帮助我，在这里表达我诚挚的感谢。感谢师兄王大刚博士、王崧全博士，师兄们严谨的学习态度及独到的学术洞察力对我课题的完成提供了巨大的帮助。在研究期间得到了课题组博士研究生郭永波，硕士研究生王高垒、张高峰、崔晓彤、郝田青、张晓佳、冯存傲和刘源等同学的帮助和支持。课题组每个成员都相互关心、相互学习，使我在研究过程中受益良多。谨向他们表示我由衷的谢意和良好的祝愿！特别感谢我的家人给予的理解、关心和支持，他们为我所作的奉献我将永远铭记在心。特别感谢我的

5、父母含辛茹苦的将我抚养成人，直到今天还在担心牵挂我的工作与生活，感谢我的女友贾小凡对我默默的支持和理解。另外，对这些年来关心和帮助我的老师、学长和朋友们表示感谢。最后，对在百忙之中抽出时间参与论文评审和答辩的各位专家表示深深的谢意。摘要人工关节的磨损是关节置换无菌性松动的重要原因之一，当人工关节假体植入到人体后，由于假体界面发生磨损，磨损颗粒会引起局部界面骨溶解，导致假体无菌松动，最终造成人工关节置换失败。从改善润滑机制出发，仿照人体天然关节的结构，设计具有减摩特性的软骨-软骨关节的人工关节配副，为从根本

6、上解决人工关节的磨损和无菌松动具有重要的研究意义。本文利用化学结合法制备出带有仿生软骨层的仿生关节软骨结构，利用MTT法对仿生关节软骨的生物相容性进行了研究，仿生关节软骨的细胞毒性分级为1级，无细胞毒性，符合生物材料的医用标准，仿生关节软骨与天然软骨有相似的表面轮廓及力学性能。基于粘-弹理论建立仿生关节软骨的蠕变及应力松弛行为模型，运用有限元法分析其蠕变及应力松弛机理；并对仿生关节软骨的动态力学性能进行系统研究，结果表明：仿生关节软骨的蠕变变形与液体流动速度呈现指数函数关系；多元Kelvin模型与广义Ma

7、xwell模型能够很好地描述仿生关节软骨的蠕变与应力松弛行为；仿生关节软骨的储能模量与频率呈对数函数关系，并随液-固比的下降逐渐下降，其损耗因子与天然软骨较为接近。利用有限元法考察了仿生关节软骨的启动摩擦行为，探讨仿生关节软骨的承载润滑机理，利用吸附理论建立滑动速度-摩擦系数、载荷-摩擦系数的关系，深入分析仿生关节软骨的摩擦机理，根据两相理论建立仿生关节软骨滑动摩擦与液体承载的关系，结果表明：仿生关节软骨内部的液相从接触表面渗出，起到液体承载作用；不同速度下摩擦系数与液体承载能力的关系方程为：f1.

8、171.51WW/；仿生关节软骨在滑动摩擦时，摩擦系数与载荷呈现幂函数0.28的关系：0.077p，不同载荷下摩擦系数与液体承载能力的关系方程为：f1.41.83WW/。根据人体关节运动方式，考察了仿生关节软骨的摆动、扭动摩擦行为，研究载荷、摆动角度及扭动角度对其生物摩擦学行为的影响，利用有限元建立仿生关节软骨摩擦模型，研究摩擦条件下的液体承载机制、接触力学特征及润滑机理，建立仿生关节软骨摩擦系数与液体承载的关联关系