髖關(guān)節(jié)假體疲勞試驗(yàn)中固定介質(zhì)的性能研究

牛冬子，陳艷梅，蘇 健

(北京市醫(yī)療器械檢驗(yàn)所 材料二室，北京101111)

髖關(guān)節(jié)假體疲勞試驗(yàn)中固定介質(zhì)的性能研究

牛冬子，陳艷梅，蘇 健

(北京市醫(yī)療器械檢驗(yàn)所 材料二室，北京101111)

在髖關(guān)節(jié)假體疲勞試驗(yàn)中，股骨柄和股骨頭能否牢固固定對整個疲勞試驗(yàn)進(jìn)行起著決定性作用，為了降低試驗(yàn)成本，滿足標(biāo)準(zhǔn)中對股骨柄固定介質(zhì)的物理性能要求，本研究選擇E51環(huán)氧樹脂和T31環(huán)氧樹脂固定劑進(jìn)行充分混合后形成的固化成品作為固定介質(zhì)，研究不同固化配比和不同固化溫度對固定介質(zhì)彈性模量的影響。

試驗(yàn)結(jié)果表明：在E51和T31的質(zhì)量配比為4:1的條件下，室溫(20～25℃)固化24h后繼續(xù)在50℃固化24h得到的彈成品性模量最高為4.05GPa，符合標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的固定介質(zhì)的彈性模量為3～6GPa。最終，確定股骨柄固定介質(zhì)為質(zhì)量配比4∶1的E51和T31環(huán)氧樹脂固化系，固化過程為室溫(20～25℃)固化24h后繼續(xù)50℃固化24h。

髖關(guān)節(jié)假體；疲勞試驗(yàn)；固定介質(zhì)；彈性模量

1 研究的背景和目的

20世紀(jì)50年代以來，臨床上骨水泥型髖關(guān)節(jié)假體與骨髓腔的固定材料一直都是聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmet hycyylate, PMMA)骨水泥。經(jīng)過不斷地研發(fā)相繼出現(xiàn)多種配方改良的骨水泥，降低松動發(fā)生率，臨床效果都比較好。當(dāng)然，我們在進(jìn)行體外模擬疲勞試驗(yàn)時，髖關(guān)節(jié)最好的固定方式應(yīng)該是臨床應(yīng)用的骨水泥。

本文以完成髖關(guān)節(jié)假體疲勞試驗(yàn)為目標(biāo)，以完善髖關(guān)節(jié)假體固定裝置為主要任務(wù)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)確認(rèn)髖關(guān)節(jié)疲勞試驗(yàn)中需要完善的股骨柄固定介質(zhì)的選擇。標(biāo)準(zhǔn)中對于固定介質(zhì)的要求是“在測試過程中受力時不破裂；不出現(xiàn)過度的變形或蠕變；在強(qiáng)度和其他特性上再現(xiàn)性好；彈性模量在3～6GPa的澆注介質(zhì)”，并沒有限定是哪一種材料。

基于以上考慮，既要降低試驗(yàn)成本，又要滿足標(biāo)準(zhǔn)中對于澆注介質(zhì)的物理性能要求，我們選擇了環(huán)氧樹脂固化體系作為疲勞試驗(yàn)股骨柄的固定介質(zhì)。若本研究能夠順利成功，將大大降低試驗(yàn)成本，最終必將促進(jìn)關(guān)節(jié)疲勞試驗(yàn)研究的發(fā)展。

2 試驗(yàn)材料和樣品制備

環(huán)氧樹脂固化系(epoxy resin adhesive)一般是指以環(huán)氧樹脂(分子式見圖2)為主體所制得的膠粘劑，該固化系還包括環(huán)氧樹脂固化劑，否則這個膠就不會固化。環(huán)氧樹脂是開發(fā)最早、應(yīng)用最廣的樹脂，雙酚A二縮水甘油醚環(huán)氧樹脂是熱固性樹脂中的主導(dǎo)產(chǎn)品。其中E51型環(huán)氧樹脂是雙酚A型環(huán)氧樹脂中的一種，它具有很高的強(qiáng)度和粘接強(qiáng)度、一定的韌性和耐熱性，廣泛用作粘接劑、無溶劑涂料、自流平地平料、澆注料等。固化劑選用酚醛胺環(huán)氧樹脂固化劑(T31)，是一種比較理想的常溫固化劑，因其分子量不大、粘度低、與環(huán)氧樹脂的混溶性好、固化速度快，是目前國內(nèi)用量最大的固化劑品種，屬于無毒等級的精細(xì)化工產(chǎn)品。

圖1 環(huán)氧樹脂分子式

E51環(huán)氧樹脂和T31固化劑采用以下兩種固化過程分別研究不同質(zhì)量配比和不同固化溫度對固化成品彈性模量的影響。

(1)E51與T31的質(zhì)量配比選擇2∶1、3∶1、4∶1、5∶1，固化時間選擇室溫(20～25℃)固化24h后繼續(xù)37℃固化24h，用于研究不同配比對其彈性模量的影響。

(2)E51與T31的配比選擇4∶1，固化時間選擇室溫(20～25℃)固化24h后繼續(xù)不同環(huán)境溫度(室溫(20～25℃)、37℃、50℃)固化24h，用于研究不同固化溫度對其彈性模量的影響。

3 結(jié)果分析

(1) E51與T31的質(zhì)量配比對固化成品彈性模量的影響

由于T31固化劑是由苯酚、甲醛、多胺(脂肪胺)反應(yīng)而得到的改性胺類產(chǎn)品，在降低傳統(tǒng)胺類固化劑的揮發(fā)性和毒性的同時，也使得它與環(huán)氧樹脂的配比要求不嚴(yán)格了，在一定配比范圍內(nèi)均能達(dá)到固化性能良好的要求。因此在不同行業(yè)內(nèi)不同要求的應(yīng)用中，環(huán)氧樹脂和固化劑的配比是不同的。而我們研究的目的是要尋找合適的配比使最終環(huán)氧樹脂膠的彈性模量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中要求的3～6GPa。

E51與T31的不同質(zhì)量配條件下得到的固化樣品的彈性模量見表2所示?？梢钥闯觯珽51與T31的質(zhì)量配比在2∶1和5∶1之間時樣品的彈性模量均在3GPa之上，而且E51與T31的質(zhì)量配比小于等于4∶1時，隨著配比的增大，成品的彈性模量小幅度增加。但是當(dāng)E51與T31的質(zhì)量配比為5∶1時，樣品的彈性模量卻稍有下降。E51型環(huán)氧樹脂的固化原理在于環(huán)氧樹脂的結(jié)構(gòu)中有羥基(>CH-OH)、醚基(-O-)和極為活潑的環(huán)氧基存在。環(huán)氧樹脂在未固化前是呈熱塑性的線型結(jié)構(gòu)，加入固化劑后，固化劑中的活潑氫原子便與環(huán)氧樹脂的環(huán)氧基反應(yīng)，變成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的大分子 ，成為不溶且不熔的熱固性成品。隨著固化劑含量的增多，環(huán)氧樹脂得到充分的反應(yīng)，形成大量的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)大分子，結(jié)構(gòu)均勻，固化成品的彈性模量增大。當(dāng)固化劑含量過多，超過充分反應(yīng)的量值后，固化成品中就會混有多余的固化劑，也會影響到固化成品的彈性模量。

表2 E51與T31的不同質(zhì)量配比下的固化成品的彈性模量

(2) 固化溫度對固化成品彈性模量的影響

環(huán)氧樹脂固化劑種類較多，按照固化溫度可以分為高溫(>100℃)、中溫(50～100℃)、室溫(室溫～50℃)和低溫(室溫以下)。而不同固化溫度又直接影響環(huán)氧樹脂的固化時間。作為環(huán)氧樹脂最早的固化劑多胺類固化劑反應(yīng)劇烈放熱，室溫固化7天左右，固化性能一般。而改進(jìn)后的多胺固化劑在25℃下24h內(nèi)就能充分固化，固化7d其性能才能達(dá)到最高值，但是，若能在25℃固化24h后繼續(xù)在適當(dāng)高溫下固化，既可縮短固化時間，同時又能提高固化性能。

本研究使用的T31固化劑屬于室溫快固化劑，在室溫～50℃范圍內(nèi)都能夠很好的固化。為了找到彈性模量最高的固化成品，選擇相同固化配比和相同固化時間條件下，研究不同固化溫度對成品彈性模量的影響。E51環(huán)氧樹脂與T31固化劑以4∶1充分混合室溫(20～25℃)48h后即可固化，但是彈性模量值偏低，只有0.42GPa，見表3所示。然而，E51和T31充分混合室溫(20～25℃)固化24h后，分別放入37℃和50℃環(huán)境中繼續(xù)固化24h，得到的固化成品的彈性模量值顯著提高，分別是3.90 GPa和4.05GPa，見表3所示。顯然，在相同固化時間下提高固化溫度能夠提高固化成品的彈性模量，能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)中對髖關(guān)節(jié)假體進(jìn)行固定的要求。

表3 不同固化溫度下固化成品的彈性模量

5 結(jié)論

推薦性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/T 0809.4對髖關(guān)節(jié)疲勞試驗(yàn)樣品固定方式僅進(jìn)行了指導(dǎo)性描述，規(guī)定股骨柄樣品固定調(diào)整參數(shù)(股骨柄偏離加載線的角度、股骨頭至嵌入介質(zhì)上表面的高度)，并未規(guī)定股骨柄的固定介質(zhì)選擇和股骨頭的固定方式。

固化過程為室溫(20～25℃)固化24h后繼續(xù)50℃固化24h，質(zhì)量配比為4∶1的E51環(huán)氧樹脂和T31環(huán)氧樹脂固定劑經(jīng)充分混合后得到的固化成品的彈性模量為4.05GPa，符合YY/T 0809.4中對股骨柄固定介質(zhì)彈性模量的要求。確定股骨柄固定介質(zhì)為質(zhì)量配比4∶1的E51和T31環(huán)氧樹脂固化系，固化過程為室溫(20～25℃)固化24h后繼續(xù)50℃固化24h。

本試驗(yàn)中以環(huán)氧樹脂固化體系作為疲勞試驗(yàn)股骨柄的固定介質(zhì)極大降低了試驗(yàn)成本且澆注過程簡單易操作，澆注介質(zhì)的物理性能滿足標(biāo)準(zhǔn)中要求，為髖關(guān)節(jié)疲勞試驗(yàn)奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

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2013-11-19

R681.6

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1002-2376(2014)04-0032-02