初次承重引发骨水泥柄界面脱粘损伤的分析(2)

综上所述，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。实验针对骨水泥型髋关节置换术后的初始损伤进行了研究。

1 材料和方法 Materials and methods

1.1 设计 压入载荷因素对界面黏结力及骨水泥损伤影响的重复实验。

1.2 时间及地点 于2012年12月至2014月6月在中国矿业大学摩擦与可靠性研究所完成。

1.3 材料

设计一个理想化的圆柱形髋关节骨水泥植入体：①实验选用表面粗糙度1.5 μm直径为Φ10 mm、长度为70 mm 的Ti6Al4V钛合金，虽因其疲劳特性和低抗磨性不被临床优先用于骨水泥型髋关节置换，但钛合金的优良生物相容性和力学特性吸引研究者进行提升其性能的研究[13]。Ti6Al4V钛合金的成分：Al占6.025%，V占4.1%，Fe占0.168%，O占0.041%，C占0.16%，N占0.02%，H占0.003%，Ti占89.483%。Ti6Al4V钛合金的弹性模量为110 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为830 MPa，拉伸强度为902 MP。在实验之前，钛合金试样用医用乙醇和丙酮在超声波中清洗，并被放置于模具中。②选用防锈处理的金属模具(长60 mm、宽60 mm、高50 mm)模拟骨腔对制备骨水泥-钛合金试样箍紧约束环境。骨水泥圆筒设计为内部直径为10 mm、外部直径为16 mm、厚度为3 mm、长度为40 mm，骨水泥-金属接触面积为1 256 mm2。③丙烯酸树脂骨水泥Ⅲ型(天津合成材料研究所)：弹性模量为2.5 GPa，泊松比为0.39，屈服强度为68 MPa，拉伸强度为75 MP。化学成分中，单体成分共36.66 g，包括甲基丙烯酸甲酯、二甲基缩醛甲苯酸、对苯二酚，分别占98.20%、1.80%及7.5×10-5%；粉末成分共100 g，包括聚甲基丙烯酸甲酯、过氧化苯甲酰、硫酸钡，分别占12%、3%、85%。

实验设备：应变片(BE120-05AA)，电阻值(119.6± 0.1) Ω，灵敏系数为(1.79±1)%，敏感栅尺寸(长×宽)为 0.5 mm×0.5 mm，基体尺寸为3.6 mm×3.0 mm，Zhonghang Electronic Measuring Instruments Co.Ltd.；应力数据采集仪(UEILOGGER600，上海邑成测试设备有限公司)；材料万能试验机；非接触式超高精度三维轮廓仪(MiaoXAM 2.5X-50X，美国ADE公司)；PVA TePLa超声显微镜(PVA TePla AM 300，Quester (China) Co., )和德国X-Ray射线检测仪(Phoenix PCBA Analyser 160，PHOENIX NANOMEX1X Germany)；三维表面轮廓仪(MicroX-AM，ADE)，通过多排螺旋CT扫描机(CT，GE Lightspeed Pro16，AGITO MEDICAL A/S GE Co., Ltd.)对骨水泥椁进行断面扫描，扫描空间分辨率为6.5 Lp/mm@2%MTF，扫描层厚0.6 mm，CT值为(130±100)Hu，选用骨窗位(W1126，L978)，X射线线曝光量90 mAs，投照条件为 X射线电压130 kV，最后共获得17张512×512的 CT图像(DICOM 格式)，分析骨水泥内部损伤。

1.4 实验方法

试样设计：共采用10个试样用于重复实验，并选取其中一组数据进行分析，其差异有显著性意义(t=2.142，P < 0.05)。每个试样选用Φ10 mm的Ti6Al4V棒并在其对称两侧铣深1.2 mm、宽3.5 mm的槽。打磨槽底使得粗糙度为2 μm，用于贴应变片，埋置骨水泥深度为40 mm。骨水泥埋置分为4个区域测量不同位置处的钛合金棒应力，每个位置之间的距离为10 mm。每个位置对称粘贴2片应变片，共8片应变片，应变片沿着轴向方向对称安置，以减少弯矩效应。

将埋置区域划分为3个区域，其中第1位置定义为近段，第2和3位置为中段，而第4位置为远段。实验主要探究骨水泥-柄黏结界面脱粘量，不测量金属柄径向应变量。每个应变片引出导线连接外部设备数据采集器和电脑，以采集不同载荷情况下应变片的数据见图1。在已贴完应变片的槽，浇灌702胶，以防湿潮和剪切实验中骨水泥对应变片的破坏。试样在完成应变片粘贴后放置24 h，后浇灌702胶水并烘干处理，放置48 h。对钛合金棒表面进行除渣和除油处理并放置烘箱中处理24 h，防止油膜和废渣对界面黏结产生影响。制备试样前，骨水泥被放置在23 ℃和湿度为50%的环境中24 h(模拟手术室环境)。手工搅拌骨水泥2 min，而后将其先倒入模具，再插入钛合金棒，将试样在23 ℃环境下固化48 h，使得在实验前骨水泥-金属界面完全黏结。为确定棒位于骨水泥中心位置，模具上下盖设置了定位孔，完成上述工序后进行加压处理，灌注方法参考标准ISO5833。为了更好测量和分析局部钛合金棒与骨水泥界面的黏结特性，用微量位移传感器测量加载端和自由端的滑移量见图1。

脱粘实验：选用电子材料万能试验机压入速度为0.1 mm/min。应变片采用半桥接入方法，钛合金柄两侧4个位置应变片成对组成半桥电路测量，以减少弯矩造成的误差，而后通过数据采集仪(BQ120-3BB)采集实验过程中植入钛合金柄局部形变量，以推导出界面黏结力和滑移量的关系，并分析骨水泥应力场的损伤过程。选用美国物理声学公司PCI-2型声发射检测系统(PCI-2 Acoustic emission systems, Physical acoustics Corp.)，采集骨水泥-柄界面初始脱粘损伤过程中的损伤信号。声发射仪器传感器探头采用两个宽频传感器(R15)，监测频率范围为1 kHz-3 MHz，共振频率为150 kHz，前放增益40 dB，采样频率2 MHz，峰值定义时间PDT为300 μs，撞击定义时间HDT为600 μs，撞击锁定时间HLT为1 000 μs。设置固定门槛值为40 dB，能量门槛值为30 dB 用以去除实验过程中的噪声，传感器探头使用凡士林为耦合剂分别布置在试样两侧外表面上。

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