初次承重引发骨水泥柄界面脱粘损伤的分析(5)

很多研究对骨水泥裂纹生成进行了研究[26，33，35-36]。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。界面黏结剪滞效应与锚固长度有着密切关系，影响不同位置骨水泥椁断层面上的应力，导致不同位置断裂损伤存在差异。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.) mm，而后骨水泥微裂纹压实，界面再次箍紧固定。从微观而言，聚甲基丙烯酸甲酯在搅拌聚合过程中形成不同饱和结晶度的聚合物，以及聚甲基丙烯酸甲酯颗粒分布不均匀形成的基体密度对断裂造成影响[35]。本实验却发现裂纹不仅存在于聚甲基丙烯酸甲酯颗粒间隙，也存在于颗粒中。聚甲基丙烯酸甲酯颗粒中的断裂主要因骨水泥内高分子约束并限制了聚甲基丙烯酸甲酯颗粒变形时的横向收缩，迫使其分叉并形成更多的细小孔穴，从而形成聚甲基丙烯酸甲酯颗粒的断裂。由于复合应力作用，基体出现形状不规则微小空穴/裂纹，其中细长型为银纹损伤。银纹萌生不仅在骨水泥体内因外力形成局部应力奇异形成微空穴，也会因形成密度提升造成裂纹闭锁合，遂形成基体破坏。深入发现是因为高聚物本体界面处存在应力梯度形成银纹，微观层次中的聚合物分子链间缠绕链段会发生重排、滑移、取向、解缠及断链，到细观银纹引发、生长及断裂，直到微裂纹的产生、扩展、串接，最终导致材料的整体破坏。因此如何解决高聚合体内的细微银纹损伤是提高骨水泥可靠性的关键。

结论：①通过骨水泥-柄构件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康复的承载阶段，而非疲劳损伤阶段。②骨水泥椁主要因受由径向和轴向应力共同形成压应力场影响裂纹萌生，骨水泥-柄界面的剪滞效应无法阻止得界面和椁内损伤自上而下逐渐形成，据此形成不同位置界面损伤和脱粘情况。③通过统计骨水泥裂纹长度、密度及分布情况，并基于线弹性材料滑动型裂纹模型计算裂纹尖端损伤场，实验发现因骨水泥材料搅拌工艺与饱和结晶度形成的缺陷会影响骨水泥固化材质，在压缩和剪切复合应力作用下，骨水泥聚合物易断裂，而健康骨水泥在受力过程中会因晶面断裂和高分子链断裂形成银纹损伤带，最终致使骨水泥-柄固定结构失效。

作者贡献：第一作者构思并设计实验，并与第二、三、四作者共同分析文献资料，第一作者起草，第二、三作者审校。

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