[发明专利]一种多功能人工髋关节磨损试验机

说明书

技术领域

本发明涉及试验设备技术领域，更具体的说，尤其涉及一种多功能人工髋关节磨损试验机。

背景技术

随着社会的发展，生产力水平的提高，人的生命价值被广泛地认同，在“生命高于一切”的思想指导下，医疗行业将成为继汽车、房地产、IT、互联网之后的第五个爆发式发展行业。而在疾病、战争和事故中发生的人体骨骼病变和损伤，是导致许多重大疾病甚至残疾的原因之一。在人体的所有骨骼中，髋关节是连接躯干与下肢的重要关节，也是全身负荷体重最多、受力最重的关节。髋关节在日常功能活动中承受巨大应力作用的同时，也在人类直立行走中起着特殊的力传导作用。因此，髋关节作为人体最大的负重关节，很容易受到损伤，导致诸如股骨头坏死、风湿性关节炎、退化性关节炎、僵直性脊椎炎等，严重影响正常生活。为了更好地帮助这部分人，缓解他们的痛苦，重获正常、健康的生活与身体，很多人都在研究解决人体骨骼的材料、成型、植入和再生性的问题。目前行业内有两种解决方法，一是通过人身自身的生物机能进行骨骼的再生或植入带有骨生长因子的小块异种骨诱导骨生长。这类方法效果较好，但时间长，见效慢，只适合于小块骨缺损的修复。另一种方法是用人造生物材料(高分子材料、金属、陶瓷等)制成替代骨植入人体，以解决大块缺损骨骼的修复。在此基础上，髋关节置换术应运而生。

人工髋关节置换是指用生物相容性和机械性能良好的金属材料制成的一种类似人体骨关节的假体，利用手术方法将人工关节置换被疾病或损伤所破坏的关节面，其目的是切除病灶，清除疼痛，恢复关节的活动与原有的功能，这是治疗各种髋关节疾病最重要也是最有效的手术之一。美国现有总人口中的0.83％接受过人工髋关节置换术，我国的人工髋关节置换术经历了数十年的发展，特别是近20年成规模、规范化的发展，取得了巨大的进步。2014年，我国的人工关节置换术总量已达近40万例，其中近60％为人工髋关节置换，而且随着规范化手术技术的推广与普及、患者对手术接受度的提高以及医疗保障制度的完善，髋关节置换的手术量仍将以较快的速度不断增长。

因此，研究人工髋关节的材料与磨损成了一个重要的课题。因为人体关节属于身体活动的连接机构，接触面间必然会发生相对滑动，产生摩擦、磨损，这种磨损不仅会破坏关节假体本身结构，引起机械性失效，还会产生大量磨损颗粒，诱导假体周围骨骼溶解，导致骨质恶化、髋臼松动甚至脱落。因此，我们需要对人工关节的强度、蠕变和磨损进行系统研究，这也是人工髋关节模拟试验机的由来，它需要在试验室环境中准确模拟人体髋关节的实际运动工况，以使试件在试验过程中产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用条件下相一致，从而可以准确可靠地测试人工关节材料的生物摩擦学特性参数，为临床应用提供指导性试验数据。

实验室常用的磨损试验机主要分为两类，一种是摩擦测试试验机，这是人工关节摩擦学常规试验设备，以滑动接触方式进行摩擦磨损试验，通过圆盘与加工成销状的试验样品之间所形成的相对运动来研究材料的摩擦性能和滑液的润滑性能。它们专门提供所研究材料的固有特性的信息，其测试过程很快。但是该试验机不能准确的反映测试生物材料的几何特性，而其几何特性影响接触面的润滑和接触应力。因此它只能近似的再现假体材料在人体内相同磨损机制，但是使用的是较简化的模型而不是仿人体关节假体。因此，由于在试验中忽略了材料形态方面的区别，该试验机对移植关节的磨损率测试不够准确。

另外一种是关节磨损试验机，例如人工髋关节磨损试验机，人工髋关节模拟试验机可以在试验室环境中准确模拟人体髋关节的实际运动工况，以使试件在试验过程中产生的摩擦机理、磨损形式与实际使用条件下相一致，从而可以准确可靠地测试人工关节材料的生物摩擦学特性参数，为临床应用提供指导性试验数据。

但是，无论是哪一种磨损试验机，现有的磨损试验机都是独立存在的，即摩擦测试试验机提供摩擦测试试验的功能，关节磨损试验机提供关节磨损试验的功能，尚没有一种能够将两种试验机结合起来的装置，即所有的磨损试验机都是独立设计独立完成试验的，这对实验室来说往往是一笔极大的负担；若是有一种通用的机型，可以依靠简单的更换组件即可实现关节磨损试验机和摩擦测试试验机的切换，在同一台机器上实现关节磨损试验和关节摩擦试验，不仅能够减少科研经费的支出，而且可以为教学及科研仪器的设计提供了一种新思路。