[发明专利]金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置及方法

说明书

本发明提供一种金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置及方法，包括：容置有恒温模拟体液的实验槽；实验槽内设有样品台；待测样品组包括第一试样和第二试样；单向摩擦机构带动第一试样进行横向单向运动；往复摩擦机构带动第一试样进行横向往复运动；旋转摩擦机构带动第一试样进行旋转运动；旋转单向摩擦机构带动第一试样进行横向和旋转运动；旋转往复摩擦机构带动第一试样进行横向往复运动和旋转运动；可模拟生物硬组织单向摩擦、往复摩擦、旋转摩擦、旋转单向摩擦和旋转往复摩擦等摩擦方式。本发明实现多种生物运动模式的高通量评价，又方便的揭示多种生物运动模式与腐蚀耦合作用下摩擦磨损机制研究，为硬组织成分与制备工艺优化提供基础。

技术领域

本发明涉及金属增材制造研究领域，具体地，涉及一种金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置及方法。

背景技术

钛及钛合金材料具有优异的生物相容性，被广泛的用来制备人体硬组织植入物，例如牙齿，关节，脊柱等。增材制造作为一种新型快速成型制造技术，具有成型效率高、设计自由度高以及近净成形等优点，在硬组织个性化复杂三维结构再现方面中，相比传统制备技术具有无与伦比的优势。钛合金硬组织植入物在人体服役过程中因生物结构多种运动功能实现，往往会出现摩擦磨损，尤其是在体液环境中，摩擦磨损能够加速钛合金植入物表面破坏，引发严重疲劳裂纹，影响植入物的服役寿命。在临床使用前，必须系统评价硬组织植入物的生物摩擦腐蚀耦合行为对其使用寿命的影响规律。然而，目前对于钛合金硬组织植入物的研究主要停留在干摩擦磨损研究以及静态条件下的腐蚀磨损，动态条件下的腐蚀磨损尚未见报道。耐磨性是评价人体长期植入物的一项重要指标，钛合金增材制造植入物在人体处于一种动态微流动的体液环境，仅仅进行干摩擦磨损和静态下的腐蚀磨损，难以准确评价其服役性能。因此，在采用增材制造技术成型个性化患者对植入物外形尺寸和生物力学性能要求的同时，必须系统评价其在人体体液环境下服役行为，可有效避免磨屑导致的人体组织发炎与感染等不良后果，为患者长期稳定使用提供基础支撑。

经对现有技术的文献检索发现：申请号为200410020750.1的中国发明专利涉及到一种提高钛合金表面生物活性和耐磨能力的表面处理方法。该专利针对通过在钛合金表面制备梯度涂层，据称可以同时提高钛合金表面硬度和表面生物活性，进而提高抗磨损能力。该专利具有氧化处理过程工艺及设备简单的优点，且易于操作，但是其仅仅通过测量硬度的提升间接证明耐磨性得到改善，没有给出更具临床指导意义的在体液环境下经过表面处理后钛合金耐磨性效果的直接数据，难以对应用于人体环境下硬组织服役行为进行直接指导。

王松等在《摩擦学学报》(2017年，第37卷，第1期，第130-138页)上发表了“骨科植入物金属材料生物摩擦腐蚀研究进展”，该文中概述了生物摩擦腐蚀耦合行为研究，认为骨科植入物的生物摩擦腐蚀耦合行为对人工假体使用寿命有重要影响，复杂的人体力学和生理环境决定硬组织植入物长期可靠性和服役过程失效行为。而国内外仍然以简易的球盘/销盘试验研究为主，少量已经出现的模拟器仅仅针对钴铬钼合金人工髋关节，这与复杂的生物运动模式差异巨大，难以准确评估植入物在真实服役下摩擦磨损状况，未来应加大植入物摩擦腐蚀研究力度，完善硬组织植入物生物摩擦腐蚀耦合机理，为高可靠长寿命硬组织植入物研究和临床实践提供基础。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置及方法，以期为金属增材制造个性化硬组织在人体环境下长期安全使用和减少寿命周期内硬组织植入物更换次数提供基础。

本发明第一个方面提供一种金属增材制造硬组织服役环境下耐磨性评价装置，包括：

可控制温度的实验槽；所述实验槽内容置有模拟体液，使所述模拟体液的温度保持恒温；所述实验槽内设有用于支撑固定待测样品组的样品台，且所述样品台位于所述模拟体液液面以下；所述待测样品组包括第一试样和第二试样，所述第二试样固定于所述样品台，所述第一试样位于所述第二试样上方；