初次承重引发骨水泥柄界面脱粘损伤的分析

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张岚峰，男，1984年生，江苏省徐州市人，汉族，中国矿业大学机电学院在读博士，主要从事生物力学研究。

(2016)08-01081-08

稿件接受：2015-12-09

文题释义：

骨水泥型关节置换松动的本质：骨水泥型关节置换松动的本质是骨水泥与假体和骨腔结合强度的破坏，而金属柄与骨水泥的黏结强度由骨水泥中的胶体与金属表面的化学胶着力、骨水泥-柄界面的机械咬合力和骨水泥-金属接触面摩擦力3部分组成。

骨水泥裂纹生成的原因：骨水泥内部微裂纹的萌生是导致骨水泥损伤及骨水泥-柄界面脱粘的主要原因。从宏观角度而言，骨水泥裂纹的生成，一方面骨水泥椁因受由径向和轴向应力共同形成压力场，影响萌生裂纹。另一方面界面滑动对骨水泥内部断裂损伤的影响，柄在骨水泥椁中下沉的最大距离为(2.2± 0.8)mm，而后骨水泥微裂纹压实，界面再次箍紧固定。从微观而言，骨水泥在搅拌聚合过程中形成不同饱和结晶度的聚合物，以及骨水泥颗粒分布不均匀形成的基体密度对断裂造成影响。

目的：研究骨水泥-柄界面的力学特性和骨水泥内裂纹形成对该界面松动的影响。

方法：制作骨水泥-钛合金柄植入体构件，采用压入实验测量骨水泥-柄界面的最大黏结力，通过声发射仪在线监测骨水泥-柄界面脱粘过程中的骨水泥损伤和裂纹，利用三维表面轮廓仪、超声显微镜、X射线检测仪对金属表面与骨水泥圆筒内层进行无损检测。

结果与结论：通过脱粘实验和声发射仪在线监测证实，骨水泥的初始损伤萌生于患者术后初次承重，而非疲劳损伤阶段；骨水泥椁主要因受径向和轴向应力共同形成压力的作用引起裂纹萌生，骨水泥-柄界面剪滞效应无法阻止界面和椁内裂纹自上而下逐渐扩展；骨水泥固化过程中形成缺陷易影响材料力学性能，最终促使晶面断裂和高分子链断裂，形成银纹状裂纹，导致构件失效。

OBJECTIVE: To study the mechanical properties of bone cement-stem interface, and the effect of crack formation in bone cement on interfacial loosening.

METHODS: The cement-titanium alloy handle implant components were maximum adhesive force of bone cement-stem interface was measured using push-in cement damage and crack in the process of bone cement-handle interfacial debonding were monitored online using acoustic emission non-destructive testing on the metal surface and the inner layer of bone cement cylinder was conducted using three-dimensional surface profiler, ultrasonic microscopy and X-ray detector.

RESULTS AND CONCLUSION: The online monitoring results of debonding experiment and acoustic emission tester demonstrated that the initial damage of bone cement initiated in the primary loading of patients after operation, rather than at fatigue damage cement coffin caused cracks initiation mainly due to the combination effect of radial and axial bone cement-stem interfacial shear lag effect could not prevent the gradual extension of interface and inner coffin crack from top to bone cement defects formed in solidification process was likely to affect the mechanical properties of the material, and eventually induced the crystal face and macromolecular chain fractures, forming silver striated cracks and leading component failure.

Funding: a grant supported by the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions; Qinglan Foundation from Jiangsu Province of China, No.0; the Graduate Education Innovation Project in Jiangsu Province of China, No.KYLX_1376; the Scientific Research Project of Health and Family Planning Commission of Jiangsu Province of China, No.H

Cite this article: Zhang LF, Ge SR, Liu HT, Guo loading causes bone cement-stem interface debonding Zuzhi Gongcheng ;20(8):1081-1088.

Zhang Lan-feng, Studying for doctorate, School of Mechatronic Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou , Jiangsu Province, China

0 引言 Introduction

骨水泥作为置入假体固定材料已被广泛应用50多年，生理环境下界面脱粘和骨水泥内部损伤是假体术后松动的主要原因[1-4]。Clauss和Thakore等[5-6]发现生理载荷下不同材料结合界面材料的弹性模量差异度，是引发界面位错或者滑动的根源，虽然骨水泥对柄起到箍紧作用，可阻止界面错动却也加剧了骨水泥损伤[7-9]。研究发现，优化金属表面粗糙度不仅可增强界面固定[10]，也能增强界面互锁，减小界面错动，降低界面损伤[9，11-14]。也有研究发现，添加磷酸钙、介孔二氧化硅纳米颗粒和维生素E，及饱和结晶程度都会影响界面的力学行为[15-18]。

研究证明骨水泥-柄界面的近端剪切力是拉伸应力的2倍，界面脱粘始于近端、远端和中前部位[19-20]。循环载荷造就骨水泥椁内闭锁应力的累积损伤，界面逐渐平缓脱粘。Hung和Pérez等[21-22]分别基于裂纹闭锁和非线性累积损伤理论剖析裂纹扩展，以研究柄对界面的可靠性关系和柄下沉。近年来，多采用非线性模拟和试验结合研究界面应力场的变化和界面损伤[1-2，4，23]。Huang等[24]发现载荷为4 420 N时，柄下沉50.1 μm；而扭矩为67.9 N·m、旋转角度为0.056°时，柄下沉200.7 μm。Damron和Moreo等[25-26]发现脱粘幅度分别为10-7.31米/周期和10-(6.)米/周期。Afsharpoya和Flitti等[27-28]发现裂纹萌生方向可为水平、垂直和倾斜，近段生成裂纹为水平型，而远段裂纹为复合型，骨水泥最终疲劳裂纹扩展率为(25± 19)%，而柄裂纹扩展率为100%。许多研究借助无损检测探伤裂纹，Ruther等[29]使用声发射仪和超声检测仪实现界面脱粘定位和定量研究，Lin等[30]通过声发射技术结合光学相干断层成像得出，界面经历106疲劳周期后，最大损伤应力为10.98 MPa，并得到临床研究证实[23]。Qi等[31]基于声发射发现，骨水泥微观分层结构半结晶聚合物内部裂纹小于10-6m微裂纹。有研究基于小波变换的声发射技术采集了骨水泥微观裂纹萌生而导致的早期损伤及而后疲劳特性[32-34]。而Sinnetf-Jones等[35-36]通过疲劳试验和同步加速器微观X射线断层摄影术证实，骨水泥内部缺陷和微结构跟疲劳过程相互作用，却不认同裂纹路径靠近骨水泥微球。

文章来源：《无损检测》 网址: http://www.wsjczzs.cn/qikandaodu/2021/0310/429.html