文摘

修改的影响通过羟基磷灰石(HA)纳米和微粒子tribotechnical ultrahigh-molecular-weight聚乙烯(UHMWPE)的属性调查为endoprosthesis开发聚合物植入物。结果表明,改性UHMWPE的羟磷灰石纳米颗粒范围内0.1 - -0.5 wt。%结果在干滑动的耐磨性增加3倍。另一方面增加20 wt。%of micron size HA gives rise to the same effect. The effect of increasing wear resistance is not substantially changed at surface treatment of the nano- and microcomposites by N+混合离子束流与未照射。初步联合机械活化UHMWPE粉和填充物的结果更均匀分布的nanofillers矩阵,因此,更有序结构的形成。结构在散装材料和表面层通过光学轮廓测定法,研究了扫描电子显微镜、红外光谱、差示扫描量热法。结果表明,添加的羟磷灰石纳米粒子和高能表面处理的复合N+离子注入改善tribotechnical属性UHMWPE由于化学键的形成的复合(交联)和permolecular结构的排序。

1。介绍

因为有相对较高的强度特征,低摩擦系数、高磨损和耐化学腐蚀性媒体ultrahigh-molecular-weight聚乙烯(UHMWPE)用于制造植入(人工关节,面对手术,等等)。其广泛使用的原因作为植入材料与它相似biotissues化学性质和物理性质(1- - - - - -4]。UHMWPE-based与生物相容性的纳米复合材料填料目前没有现代医学材料科学中的研究对象5- - - - - -9]。各种各样的生物相容性填料是极其有限的。在[10]这是迄今为止最全面的生产和操作手册UHMWPE在医疗实践中,重点是改善tribotechnical性质的聚合物通过离子注入通常与灭菌过程的相结合。然而,强化医疗应用的高分子材料主要是受限于使用HA粒子。这样做的最佳重量分数仍然是一个系统性的问题调查。羟磷灰石(HA或钙磷酸羟基)(C10(PO4)6(哦)2)属于生物活性材料属性的类的高表面活性、高生物相容性类似于骨基质结构提供可靠的固定植入物。

HA的观点的使用作为一个潜在的填料bioimplants应该注意,存在micron-size HA粒子与关节液在填充聚合物的相互作用将伴随着逐渐吸收和形成micron-size孔隙骨架产生不利影响的强度和耐磨性。添加将提供纳米羟磷灰石粒子形成的多孔nanoskeleton不应该减少力量属性和将伴随着毛孔内的滑液液体的积累。液体将部分分配在塑料杯和金属的界面(CoNiCr)髋关节假体,以减少强度的聚合物穿几次(1,2]。

某些前景在获得高机械和材料制造植入tribotechnical属性可能会发现在该地区的联合使用可以使填料的生物相容性和高能电子束治疗复合材料。然而,研究执行UHMWPE-based复合材料的综合使用各种方法治疗医学应用的聚合物复合材料目前在文献中很难被发现。

在这项工作的物理机械和tribotechnical UHMWPE-based特点与生物相容性的纳米复合材料,塞尺基于羟磷灰石进行了研究。比较分析耐磨纳米-和利用以及高能量治疗的影响(离子注入)上述复合材料的耐磨性。

2。实验

在粉纸UHMWPE Ticona (gur - 2122)的分子量为400万及其与各种重量分数的HA复合材料(C10(PO4)6(哦)2)纳米-和微粒。mechanosynthesis获得的纳米颗粒的大小由20 - 30 nm虽然微粒通过研磨动物骨骼7 - 8μm。标本的聚合物复合材料在特定的压力通过热压10 MPa, 190°C的温度和冷却速度3 - 4°C /分钟。工业类型行星球磨机先生/ 0.5 * 4 (11)是用于粉末机械活化以及混合UHMWPE聚合物粘结剂和填充剂。

离子注入的 N + 离子进行了使用“DIANA-2”设置(影响0.5,1和2 * 1017离子/厘米2)加速电压60 kV,离子束电流490毫安的振幅和脉冲频率50赫兹。耐磨性的测试材料在干滑动是由“block-on-ring”计划负荷160 N和革命的速度按照ASTM 100 rpm可以和DIN 50324 SMT-1机器的使用。样本的大小 7 × 7 × 1 0 毫米3。辊的直径62毫米。

穿轨道表面研究使用光学表面光度仪Zygo 6200年新视图。穿跟踪区域估计“犀牛大马鲛3.0”软件的帮助下通过手动分配穿跟踪等高线和随后的自动计算。结晶度的测量由SDT分析仪Q600的帮助。红外光谱被红外光谱分光计NIKOLET5700注册。结构进行了调查使用扫描电子显微镜狮子座EVO 50的加速电压20 kV骨折标本表面失败后从液氮中提取它们。

3所示。结果与讨论

测量的数据总结结果UHMWPE-based复合材料的力学性能与微观,nanofillers展示在表1。数据显示,极限强度时减少聚合物是由纳米——或者塞尺,但它并不取决于填料的体积分数。在这一过程中,张力伸长增加填料重量分数增大而这也弱取决于nanofillers重量分数。可以看出,0.5 wt。%of HA to be added into nanocomposite is enough to reach the optimum (maximum) values of strength and ductility. Mechanical properties of the composites are decreased sharply when the HA (micro) weight fraction exceeds 20 wt.%.

表1
对纳米,利用基于的超高分子量聚乙烯的力学性能。

tribotechnical特征变化的影响的重量分数的羟磷灰石填料具有不同的趋势。曲线的动态磨损测试复合材料呈现在图1,而穿强度(我,毫米2/分钟)图下复合材料的研究在稳态测量穿着阶段是描绘在图2。一个可以看到耐磨性UHMWPE纳米颗粒的体积分数0.1 - -0.5 wt。%增加了3.5倍。标本的耐磨性下降(列4、5)当纳米颗粒的质量分数增加到1 - 2 wt. %。在这一过程中,纳米复合材料的耐磨性与HA的体积分数0.1 - -0.5 wt。%约等于20 wt的复合材料之一。% HA微米尺寸的填料(列2,8)。


图1
动能穿曲线UHMWPE-based标本:(1)纯UHMWPE;纳米复合材料:UHMWPE + 0.1 (2) + 0.5 (3) + 1 (4) + 2 (5) wt。%HA and microcomposites UHMWPE: +5(6), +10(7), +20(8), +40(9) wt.% HA.

图2
穿强度(我)的标本:纯UHMWPE(1)纳米复合材料UHMWPE + 0.1 (2), 0.5 (3), 1 (4), 2 (5) wt。% HA和利用UHMWPE + 5 (6) 10 (7), 20 (8)、40 wt (9)。% HA在稳态磨损阶段。

依赖的磨损轨道表面粗糙度(Ra,μ米)的功能填料(nano -和微观)复合材料的重量分数(图是一样的3)。因此,进一步分析高能治疗的影响 N + 离子注入)为纳米复合材料进行了UHMWPE UHMWPE + 20 + 0.5 wt. %公顷和利用wt. %公顷。


图3
依赖的磨损表面粗糙度轨道(Ra)在纯UHMWPE(1)纳米复合材料UHMWPE + 0.1 (2), 0.5 (3), 1 (4), 2 (5) wt。% HA和利用UHMWPE + 5 (6) 10 (7), 20 (8)、40 wt (9)。% HA在稳态磨损阶段。

分析磨损强度的复合材料植入 N + 离子表明,首先,最优积分通量 1 ⋅ 1 0 1 7 离子/厘米2对于nonfilled聚合物(图4、列和复合材料(图1 - 4)4、列5 - 8和9 - 12)。其次,离子注入的空缺UHMWPE标本耐磨性增加了三倍,而对于复合材料(纳米和微)只有10 - 30%。第三,利用植入的耐磨性(UHMPE + wt. % 20公顷)略高于纳米复合材料(列7和11)。表面粗糙度的磨损跟踪植入UHMPE标本和复合材料在其基础上提出了数字5。


图4
穿强度 ( ) UHMWPE标本的:纯(1) N + 离子注入剂量为0.5 (2),1 (3), 2 ⋅ 1 0 1 7 (4);纳米复合材料UHMWPE + 0.5 wt。%HA in the initial state (5) and implanted one with doses 0.5 (6), 1 (7), 2 ⋅ 1 0 1 7 N + (8);利用UHMWPE + 20 wt。%HA without surface treatment (9) and implanted ones with doses of 0.5 (10), 1 (11), 2 ⋅ 1 0 1 7 N + (12)在稳态磨损阶段。

图5
依赖的磨损表面粗糙度轨道(Ra)的标本在测试:纯UHMWPE (1), N + 植入UHMWPE打盹儿:0.5 (2),1 (3), 2 ⋅ 1 0 1 7 (4);纳米复合材料:UHMWPE + 0.5 wt。%HA without surface treatment (5) and implanted with dozes 0.5 (6), 1 (7), 2 ⋅ 1 0 1 7 N + (8);利用:UHMWPE + 20 wt。%HA without ion implantation (9) and implanted with dozes 0.5 (10), 1 (11), 2 ⋅ 1 0 1 7 N + (12)在稳态磨损阶段。

permolecular结构的比较分析结果由不同大小羟基磷灰石粒子填充聚合物和随后的高能 N + 离子束治疗不同剂量是澄清的机制提高耐磨性UHMWPE-based nano -和利用。结果测量纯UHMWPE的结晶度度和复合材料在其基础上(生2)和植入的影响1 - 1017离子/厘米2(生3),通过差示扫描量热法(DSC)的方法,提出了在桌子上2。

表2
结晶度( , % 在UHMWPE-based复合材料)。

从表变得清晰2的填充聚合物HA纳米和微粒子导致复合材料结晶度的降低。后者在表层(生3)是由于增加 N + 离子表面处理的UHMWPE标本和复合材料。Permolecular纯UHMWPE是球状的结构(图6(一))。由HA纳米粒子填充聚合物的本质并没有改变permolecular结构(图6 (b))。同时塞尺压制的形成球状的permolecular结构(数据6 (c)和6 (d))。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图6
Permolecular纯UHMWPE (a)的结构,纳米复合材料UHMWPE + 0.5 wt。%公顷(b)和利用:UHMWPE + 10 wt。%公顷(c), UHMWPE + 20 wt. %公顷(d)。

离子治疗UHMWPE标本的表面及其复合材料导致表层结构变化(图7)。修改后的表层的深度与层状纳米复合材料UHMWPE permolecular结构+ 0.5 wt。% HA小于植入UHMWPE和使500 - 800μm。在我们看来,nanofiller盾牌下大分子的重排高能的效果。由于深层permolecular结构变成了非晶态(看起来)(数据7(一)和7 (b))。结构修改层的利用UHMPE + 20 wt。%is extremely thin, and crystallinity (structural order) also slightly increases (Table2)。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图7
Permolecular植入UHMWPE (a)的结构,纳米复合材料UHMWPE + 0.5 wt。%HA (b) and microcomposites: UHMWPE +10 wt.% HA (c), UHMWPE +20 wt.% HA (d). Dose: N + 1 ⋅ 1 0 1 7 。

散装材料的红外光谱和表面聚合物层的标本进行了研究植入前后结构变化的更详细的分析在UHMWPE标本和(nano -和微观)复合材料的基础。红外光谱纯UHMWPE及其复合材料UHMWPE + 0.5 wt。UHMWPE + 20 wt %公顷(纳米)和。%HA (micro) are given in Figure8为了比较。一个可以看到1700年羰基峰强度,1620,1040,1240厘米−1有关C = O、C = C和C-O-C C-C-O债券(4增加了标本的光谱。在这一过程中,(图nanofiller更活跃8,曲线2)。在2250年的地区,3200年,3300年,3500厘米−1有发生债券的C = N, h, s型地失踪在纳米复合材料的光谱(图8曲线3)。表面处理的纳米复合材料 N + 离子不会改变频谱(图的一般模式9)。上述债券的强度在表层的标本被离子束变得更低。同样的模式是在利用被离子束的表层。在这一过程中,表层的结晶度植入纳米-和利用增加相比,一个在未经处理的标本(表2),这是与耐磨性的增加UHMWPE和UHMWPE-based复合材料由于植入 N + 离子(图4)。应该注意的是,治疗纯UHMWPE UHMWPE-based离子束比植入更高效的复合材料。Nano, micro-HAs阻碍大分子重排在表层由高能效应引起的。因此,由于离子注入表面改性层的深度是纯UHMWPE最高。对于纳米复合材料是降低,而利用它的最小厚度。


图8
红外光谱纯UHMWPE (1) UHMWPE-based纳米复合材料(wt. % 0.5公顷)(2)和UHMWPE-based microcomposite (wt. % 20公顷)(3)。

图9
红外光谱纯UHMWPE(1),植入UHMWPE (2), UHMWPE-based纳米复合材料(0.5 wt %公顷)(3),UHMWPE-based mictocomposite (20 wt %公顷)。(4)剂量: N + 1 ⋅ 1 0 1 7 。

两种方法的比较分析高能治疗UHMWPE表面和纳米复合材料根据其基础(离子注入和电子束治疗)。电子束对耐磨性的影响UHMWPE和纳米复合材料的基础已经在[前所述4]。tribotechnical特点和结构变化的分析大部分材料和表面层后高能量治疗表明,耐磨性UHMWPE电子束治疗后的稳态阶段的磨损是等价的,对离子注入的超高分子量聚乙烯的耐磨性与剂量的1·1017离子/厘米2( N + )。这是由于身份的permolecular(片状)结构形成的表层聚合物在高能下效果。

本文所显示的分析以及在4]permolecular结构机械活化后形成类似于一个在UHMWPE (11]。因此,耐磨性UHMWPE电子束治疗和离子注入后的稳态穿着阶段类似于机械活化后的聚合物之一。所以,电子束表面处理的UHMWPE和机械活化可以作为等效增加耐磨聚合物的方法。

与之前的数据相比HA作为填充UHMWPE的特征是其化学和表面活性产生化学成键的聚合物(12]。HA塞尺少程度(图演示了这些属性8)。因此,电子束表面处理的有效性的UHMWPE-based复合材料(纳米-和micro-HA)增加耐磨性低是相对于一个纯UHMWPE (13,14]。由于硬化形成化学键(交联)通过添加HA nanofillers实现。UHMWPE-based电子束表面处理的复合材料提供了只有轻微的额外的交联的分子提供免费消毒的标本(医疗用物品)。

另一方面,HA nanofillers“振荡”destructurized表层复合和滑液联合最终创建一个多孔nanoframework由滑液(1]。复合材料的重量分数20 wt。%HA microfiller are capable of similar wear resistance, but it will bring to the gradual resorption and formation of micron-sized pores framework which will adversely affect the strength and wear resistance. Since HA fillers partially shield rearrangement of a structure, crosslinking of macromolecules (their ordered packing) which is the main mechanism for improving its wear resistance [15],高能表面处理的纳米复合材料可用于结合nanofilling以及灭菌的方法。

4所示。结论

(我)0.1 - -0.5 wt Nanofilling的UHMWPE。%HA increases its wear resistance in 3.5 times compared to the pure polymer. Adding of 20 wt.% HA micron size particles provides the similar wear resistance.(2)高能量治疗 N + 离子束带来结构重排和交联的大分子聚合物表面层导致其耐磨性的提高。HA填充物“盾牌”层和表面结构重排略增加复合材料的耐磨性。(3)对离子注入的超高分子量聚乙烯的耐磨性和复合材料在其基础相当与一个接一个电子束治疗导致的身份permolecular结构表面改性层在高能下效果。(iv)的高能量治疗UHMWPE-based复合材料可用于结合HA纳米粒子填充的作为医学应用产品的灭菌方法(骨科植入物)。