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关节置换术是一种治疗晚期关节疾病的有效方法,而聚醚醚酮(PEEK)因其优异的机械性能和良好的生物相容性被视为理想的人工关节摩擦副。体外摩擦学研究也已发现纯PEEK(450G)的耐磨损性能不佳,仅适用于低载荷协调性关节假体设计;理论上通过复合不同的增强体或固体润滑颗粒,可不同程度提升PEEK的耐磨属性,进一步拓展其应用范围。目前,PEEK复合材料包括碳纤维增强(CA30)、玻璃纤维增强(GL30)和碳纤维/石墨烯/聚四氟乙烯综合增强(FC30)这三种,均被视为潜在的人工关节材料,它们在生理运行工况下的磨损机理以及磨损性能有待进一步研究。为此,本文基于“销-盘”摩擦学试验,在牛血清生理润滑条件下采用“圆形”生理滑动轨迹,检测了 PEEK及其复合材料的摩擦学性能。此外,采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析(EDS)、光学显微镜和拉曼光谱仪(Raman)等测试方法观察磨损表面微观形貌、化学成分和表层结晶度变化。以此,探讨PEEK基复合材料自配副的磨损机理,阐明增强体的实际减摩抗磨机制,解释物理摩擦过程对摩擦副表层的直接影响。随后,进一步系统化研究PEEK复合材料配对传统聚合物摩擦副(UHMWPE)或金属摩擦副(Ti6Al4V)的摩擦学性能,以此作为对比深入探讨PEEK复合材料用于人工关节假体设计的可行性,为PEEK复合材料的发展提出意见。主要研究结果如下:(1)PEEK及其复合材料自配副的摩擦学研究碳纤维增强PEEK的抗磨损性能最佳,磨损因数为1.38±0.12×10-6 mm3/N·m,明显低于450G、FC30和GL30。生理运行工况下,纯PEEK的磨损机理主要是“磨粒-粘着”磨损,磨损形貌包括犁沟、抛光、以及鳞片状磨痕等。相比之下,PEEK复合材料的磨损形貌还包括纤维脱离所造成的表面凹坑,抗磨性能的好坏直接却决于增强体与PEEK基体之间的结合强度。(2)PEEK及其复合材料自配副摩擦前后表面结晶度变化研究经过2 Mc摩擦磨损试验,450G、CA30、FC30和GL30中醚键与苯环对应峰强之比分别降低了 4.9%、4.3%、2.5%和3.5%。这一变化从侧面证实了物理摩擦过程会导致PEEK及其复合材料表面结晶度的降低。这一现象可能是由于PEEK是半结晶材料,循环摩擦过程导致聚合物链的重新排列与取向软化。(3)CA30、FC30分别配副UHMWPE和Ti6A14V的摩擦学研究当配副UHMPWE时,相对较软的UHMWPE盘呈现严重的磨粒磨损形貌,磨损因数较CA30或FC30自配副时,高出一个数量级。相比之下,配副Ti6A14V时的摩擦学性能较优,其磨损因数分别为1.43 ± 0.41 × 10-6 mm3/N·m(CA30/Ti6Al4V)和 2.17±1.12×10-6 mm3/N·m(FC30/Ti6Al4V)。这一结果证明PEEK复合材料更适合于配副较硬的金属材料。本论文通过对PEEK及其复合材料的生物摩擦学进行研究,为其在关节假体设计中的应用提供了理论基础,并为PEEK抗磨复合材料的研发提出了指导。