Xử lý UHMWPE và nanocomposite HA/UHMWPE cho ứng dụng y sinh - Luận án tiến sĩ

Luận án tiến sĩ nghiên cứu xử lý UHMWPE và nanocomposite HA/UHMWPE cho ứng dụng y sinh. Tập trung vào công nghệ vật liệu tiên tiến và tính chất cơ học.

Trường ĐH

Hong Kong University of Science and Technology

Chuyên ngành

Mechanical Engineering

Tác giả

Luan An

Thể loại

Luận án

Năm xuất bản

Số trang

163

Thời gian đọc

25 phút

Lượt xem

0

Lượt tải

0

Phí lưu trữ

50 Point

Tóm tắt nội dung

I. UHMWPE Y Sinh Vật Liệu Cấy Ghép Xương Tiên Tiến

Polyethylene phân tử lượng cực cao (UHMWPE) đã trở thành vật liệu quan trọng trong y học hiện đại. Vật liệu này được ứng dụng rộng rãi cho khớp nhân tạo và các thiết bị cấy ghép xương. UHMWPE y sinh sở hữu tính tương thích sinh học vượt trội. Cấu trúc phân tử đặc biệt mang lại độ bền cơ học cao. Trọng lượng phân tử vượt 3 triệu g/mol tạo nên tính năng độc đáo. Vật liệu này chống mài mòn tốt trong môi trường sinh học. Các khớp háng và khớp gối nhân tạo thường sử dụng UHMWPE. Độ bền mài mòn là yếu tố quyết định tuổi thọ cấy ghép. Nanocomposite hydroxyapatite kết hợp với UHMWPE nâng cao hiệu suất. HA/UHMWPE mô phỏng thành phần xương tự nhiên. Hydroxyapatite cải thiện khả năng liên kết với mô xương. Tính chất cơ học vật liệu được tối ưu hóa qua công nghệ chế biến. Kháng mài mòn UHMWPE tăng lên đáng kể với nano HA. Nghiên cứu tập trung vào phương pháp xử lý hiệu quả. Mục tiêu là tạo vật liệu cấy ghép an toàn, bền lâu.

1.1. Cấu Trúc Phân Tử UHMWPE Đặc Biệt

UHMWPE có cấu trúc mạch polyme cực dài. Trọng lượng phân tử từ 3-6 triệu g/mol. Mạch polyme dài tạo độ vướng víu cao. Cấu trúc tinh thể chiếm 45-55% thể tích. Vùng vô định xen kẽ vùng tinh thể. Sự sắp xếp này mang lại độ bền đặc biệt. Liên kết Van der Waals giữ các mạch lại. Cấu trúc nano ảnh hưởng tính chất vĩ mô.

1.2. Tính Chất Vượt Trội Cho Ứng Dụng Y Tế

UHMWPE y sinh có độ bền mài mòn cao nhất. Hệ số ma sát thấp bảo vệ khớp nhân tạo. Tính tương thích sinh học được kiểm chứng lâm sàng. Không gây phản ứng miễn dịch trong cơ thể. Khả năng chịu tải tốt ở nhiệt độ cơ thể. Độ bền uốn và kéo đáp ứng yêu cầu sinh học. Kháng hóa chất và dịch sinh học ổn định.

1.3. Ứng Dụng Trong Khớp Nhân Tạo

Khớp háng nhân tạo sử dụng UHMWPE làm lớp lót. Khớp gối nhân tạo dùng vật liệu này cho bề mặt trượt. Tuổi thọ cấy ghép đạt 15-20 năm. Hàng triệu bệnh nhân được phẫu thuật mỗi năm. Mài mòn là nguyên nhân chính cần thay thế. Công nghệ chế biến mới kéo dài tuổi thọ. Nanocomposite HA/UHMWPE cải thiện hiệu suất.

II. Nanocomposite HA UHMWPE Kết Hợp Tối Ưu

Nanocomposite hydroxyapatite kết hợp UHMWPE tạo vật liệu lai ưu việt. HA (Ca10(PO4)6(OH)2) là thành phần khoáng chính của xương. Kết hợp HA với UHMWPE mô phỏng cấu trúc xương tự nhiên. Tính tương thích sinh học được nâng cao đáng kể. Hydroxyapatite thúc đẩy quá trình tái tạo xương. Vật liệu cấy ghép xương tích hợp tốt hơn với mô. Tính chất cơ học vật liệu cải thiện qua phân tán nano HA. Độ cứng tăng mà vẫn giữ độ dẻo dai. Kháng mài mòn UHMWPE được tăng cường. Phương pháp phân tán đồng đều là thách thức lớn. Công nghệ trộn nóng chảy cho kết quả tốt. Xử lý bề mặt nano HA cải thiện tương tác. HA/UHMWPE mở ra hướng mới cho vật liệu y sinh. Nghiên cứu tập trung tối ưu hóa tỷ lệ thành phần. Mục tiêu là vật liệu cấy ghép thế hệ mới.

2.1. Vai Trò Hydroxyapatite Trong Composite

Hydroxyapatite là ceramic sinh học quan trọng. Thành phần giống xương người đến 70%. Tính tương thích sinh học tuyệt vời. HA kích thích tế bào xương phát triển. Liên kết hóa học với mô xương tự nhiên. Tăng cường khả năng tích hợp cấy ghép. Kích thước nano tăng diện tích bề mặt. Phân tán đều cải thiện tính chất cơ học.

2.2. Cơ Chế Tăng Cường Tính Năng

Nano HA phân tán trong nền UHMWPE. Hạt nano ngăn chặn sự trượt mạch polyme. Độ cứng tăng 20-40% so với UHMWPE nguyên chất. Kháng mài mòn cải thiện nhờ hạt ceramic cứng. Tính chất cơ học vật liệu được cân bằng tối ưu. Tương tác bề mặt HA-UHMWPE là chìa khóa. Xử lý bề mặt HA tăng liên kết với nền.

2.3. Thách Thức Trong Chế Tạo Composite

Phân tán đồng đều nano HA rất khó. Hạt nano dễ kết tụ do năng lượng bề mặt cao. Độ nhớt UHMWPE cực lớn gây khó trộn. Nhiệt độ chế biến phải kiểm soát chặt chẽ. HA có thể phân hủy ở nhiệt độ cao. Cần công nghệ trộn đặc biệt. Phương pháp trộn nóng chảy hiệu quả nhất.

III. Công Nghệ Xử Lý UHMWPE Y Sinh Hiện Đại

Xử lý UHMWPE đòi hỏi công nghệ đặc biệt do tính chất độc đáo. Polyethylene phân tử lượng cực cao có độ nhớt nóng chảy cực cao. Phương pháp ép đùn thông thường không áp dụng được. Công nghệ ép nén ở nhiệt độ cao được sử dụng rộng rãi. Nhiệt độ xử lý từ 180-220°C tùy ứng dụng. Áp suất ép từ 10-50 MPa tạo sản phẩm đặc. Thời gian giữ nhiệt ảnh hưởng cấu trúc tinh thể. Làm nguội chậm tăng độ kết tinh. Xử lý bức xạ cải thiện kháng mài mòn UHMWPE. Chiếu xạ gamma hoặc electron beam được dùng. Liều xạ 25-100 kGy tạo liên kết ngang. Liên kết ngang giảm mài mòn đáng kể. Oxy hóa là vấn đề phụ sau chiếu xạ. Ủ nhiệt hoặc xử lý trong môi trường trơ giải quyết. Công nghệ vitamin E ổn định UHMWPE mới nhất.

3.1. Phương Pháp Ép Nén Nhiệt Độ Cao

Ép nén là công nghệ chính cho UHMWPE. Bột UHMWPE được nạp vào khuôn ép. Nhiệt độ tăng dần đến điểm nóng chảy. Áp suất cao ép các hạt lại với nhau. Thời gian giữ nhiệt 30-60 phút. Làm nguội kiểm soát tạo cấu trúc mong muốn. Tốc độ nguội ảnh hưởng độ kết tinh. Sản phẩm có tính chất đồng nhất cao.

3.2. Công Nghệ Chiếu Xạ Tạo Liên Kết Ngang

Chiếu xạ tạo gốc tự do trên mạch UHMWPE. Gốc tự do kết hợp tạo liên kết ngang. Mạng lưới 3D ngăn chặn mài mòn. Gamma ray từ nguồn Cobalt-60 phổ biến. Electron beam cho độ xuyên sâu tốt hơn. Liều xạ 50-100 kGy tối ưu cho khớp nhân tạo. Kháng mài mòn tăng 40-60%. Tính chất cơ học vật liệu ít thay đổi.

3.3. Xử Lý Hậu Chiếu Xạ Quan Trọng

Gốc tự do dư phản ứng với oxy. Oxy hóa làm giảm tính chất cơ học. Ủ nhiệt 130-150°C loại gốc tự do. Môi trường trơ (N2, Ar) bảo vệ trong ủ. Vitamin E hấp thụ gốc tự do hiệu quả. UHMWPE pha vitamin E 0.1-0.3% tối ưu. Công nghệ này kéo dài tuổi thọ cấy ghép. Sản phẩm ổn định lâu dài trong cơ thể.

IV. Độ Bền Mài Mòn Yếu Tố Quyết Định Tuổi Thọ

Độ bền mài mòn là thông số quan trọng nhất của vật liệu cấy ghép xương. Khớp nhân tạo chịu hàng triệu chu kỳ tải trong đời. Mài mòn tạo mảnh vụn polyme gây viêm. Phản ứng viêm dẫn đến lỏng khớp nhân tạo. Kháng mài mòn UHMWPE quyết định tuổi thọ cấy ghép. Cơ chế mài mòn bao gồm kết dính và mỏi. Ma sát với bề mặt kim loại hoặc ceramic. Tải trọng chu kỳ gây nứt mỏi bề mặt. Độ nhám bề mặt đối tiếp ảnh hưởng lớn. Dịch khớp làm chất bôi trơn sinh học. Nhiệt độ cơ thể 37°C ảnh hưởng tính chất. Kiểm tra mài mòn dùng máy mô phỏng khớp. Chu kỳ thử nghiệm lên đến 5-10 triệu. Tốc độ mài mòn dưới 0.1 mm³/triệu chu kỳ là tốt. UHMWPE chiếu xạ giảm mài mòn 50-70%. Nanocomposite HA/UHMWPE cải thiện thêm 20-30%.

4.1. Cơ Chế Mài Mòn Trong Khớp Nhân Tạo

Mài mòn kết dính xảy ra ở áp suất tiếp xúc cao. Bề mặt UHMWPE dính vào kim loại. Chuyển động tạo mảnh vụn polyme. Mài mòn mỏi do tải trọng chu kỳ. Vết nứt vi mô lan truyền bề mặt. Hạt mài mòn bong ra theo thời gian. Mài mòn ba thể do mảnh vụn cứng. Hạt HA hoặc xi măng xương gây trầy.

4.2. Phương Pháp Kiểm Tra Mài Mòn

Máy mô phỏng khớp háng theo chuẩn ISO. Tải trọng chu kỳ 0.3-3 kN. Tần số 1 Hz mô phỏng đi bộ. Dịch khớp nhân tạo làm môi trường thử. Nhiệt độ 37°C giống cơ thể. Đo khối lượng mất sau mỗi triệu chu kỳ. Tốc độ mài mòn tính theo mm³/triệu chu kỳ. Thử nghiệm kéo dài 5-10 triệu chu kỳ.

4.3. Cải Thiện Kháng Mài Mòn Hiệu Quả

Chiếu xạ tạo liên kết ngang hiệu quả nhất. UHMWPE chiếu xạ giảm mài mòn 50-70%. Vitamin E ổn định chống oxy hóa. Nano HA tăng độ cứng bề mặt. Composite mài mòn chậm hơn 20-30%. Xử lý bề mặt cải thiện độ nhẵn. Lựa chọn vật liệu đối tiếp quan trọng. Ceramic zirconia cho ma sát thấp nhất.

V. Tính Tương Thích Sinh Học Vật Liệu Cấy Ghép

Tính tương thích sinh học là yêu cầu bắt buộc cho vật liệu cấy ghép xương. Vật liệu phải không gây độc với tế bào. Không gây phản ứng miễn dịch mạnh. Không gây ung thư trong dài hạn. UHMWPE y sinh đã được kiểm chứng hơn 40 năm. Hàng triệu ca cấy ghép thành công trên thế giới. Vật liệu trơ không phản ứng hóa học với mô. Mảnh mài mòn nhỏ có thể gây viêm. Kích thước hạt dưới 1 micron nguy hiểm nhất. Nanocomposite HA/UHMWPE cải thiện tương thích. Hydroxyapatite tương thích sinh học tuyệt vời. HA kích thích tế bào xương phát triển. Kiểm tra độc tế bào theo chuẩn ISO 10993. Nuôi cấy tế bào với vật liệu 24-72 giờ. Tỷ lệ sống tế bào trên 80% là đạt. Thử nghiệm cấy ghép động vật cần thiết. Đánh giá đáp ứng mô sau 4-12 tuần.

5.1. Tiêu Chuẩn Tương Thích Sinh Học

ISO 10993 là chuẩn quốc tế cho vật liệu y sinh. Kiểm tra độc tế bào in vitro bắt buộc. Thử nghiệm kích ứng và nhạy cảm da. Đánh giá độc cấp và bán cấp toàn thân. Kiểm tra gây ung thư dài hạn. Thử nghiệm cấy ghép dưới da. Đánh giá tương thích máu nếu cần. FDA yêu cầu dữ liệu đầy đủ trước phê duyệt.

5.2. Phản Ứng Sinh Học Với UHMWPE

UHMWPE nguyên chất rất trơ sinh học. Không gây độc tế bào ở dạng khối. Mảnh mài mòn kích hoạt đại thực bào. Hạt 0.1-1 micron gây viêm mạnh nhất. Tế bào tiết cytokine gây tiêu xương. Giảm mài mòn là giải pháp quan trọng. Chiếu xạ và vitamin E giảm mảnh vụn. Tương thích sinh học được cải thiện.

5.3. Ưu Điểm Của HA Trong Composite

Hydroxyapatite tương thích sinh học tuyệt vời. Thành phần giống xương tự nhiên. Kích thích tế bào tạo xương phát triển. Liên kết hóa học với mô xương. Tăng tốc độ tích hợp cấy ghép. HA/UHMWPE mô phỏng cấu trúc xương. Composite có tính tương thích cao hơn. Giảm phản ứng viêm quanh cấy ghép.

VI. Tính Chất Cơ Học Vật Liệu Cho Khớp Nhân Tạo

Tính chất cơ học vật liệu quyết định hiệu suất khớp nhân tạo. UHMWPE phải chịu tải trọng cao trong khớp háng. Tải trọng lên đến 3-5 lần trọng lượng cơ thể. Ứng suất tiếp xúc đạt 10-30 MPa. Độ bền kéo UHMWPE đạt 40-50 MPa. Độ bền nén cao hơn, khoảng 50-60 MPa. Mô đun đàn hồi 0.8-1.2 GPa. Độ dẻo dai cao cho phép biến dạng lớn. Độ cứng thấp hơn xương tự nhiên. Nanocomposite HA/UHMWPE cải thiện độ cứng. Mô đun tăng 20-40% với 10% HA. Độ bền kéo tăng nhẹ hoặc giữ nguyên. Độ dẻo dai giảm chút ít có thể chấp nhận. Cân bằng độ cứng và dẻo dai là quan trọng. Quá cứng dễ nứt, quá mềm mài mòn nhanh. Tỷ lệ HA 5-15% là tối ưu. Phân tán đều nano HA cải thiện tính chất.

6.1. Yêu Cầu Cơ Học Cho Khớp Háng

Khớp háng chịu tải lớn nhất cơ thể. Tải trọng đi bộ 3-4 lần trọng lượng. Chạy hoặc nhảy lên đến 6-8 lần. Ứng suất tiếp xúc 10-30 MPa. UHMWPE phải chịu tải chu kỳ hàng triệu lần. Độ bền mỏi quan trọng như độ bền tĩnh. Biến dạng dẻo không quá 1-2%. Khớp nhân tạo phải hoạt động 15-20 năm.

6.2. Tính Chất Cơ Học UHMWPE Nguyên Chất

Độ bền kéo 40-50 MPa đủ cho ứng dụng. Độ giãn dài đứt 300-500% rất cao. Mô đun đàn hồi 0.8-1.2 GPa tương đối thấp. Độ cứng thấp hơn xương 10-15 lần. Độ bền va đập tốt nhờ dẻo dai cao. Độ bền mỏi đủ cho chu kỳ tải sinh học. Tính chất phụ thuộc độ kết tinh. Kết tinh 45-55% là tối ưu.

6.3. Cải Thiện Cơ Học Bằng Nano HA

Nano HA tăng độ cứng composite. Mô đun đàn hồi tăng 20-40%. Độ bền kéo tăng nhẹ 5-15%. Độ dẻo dai giảm 10-20% chấp nhận được. Tỷ lệ HA 10% cho kết quả tốt nhất. Phân tán đồng đều là yếu tố quan trọng. Kết tụ HA làm giảm tính chất. Xử lý bề mặt HA cải thiện phân tán.

Xem trước tài liệu
Tải đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Luận án tiến sĩ: Processing of UHMWPE and HA

Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung

Tải đầy đủ (163 trang)

Trích đoạn nội dung luận án

Tải xuống để đọc toàn bộ

PROCESSING OF UHMWPE AND HA/UHMWPE NANOCOMPOSITE FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS by FANG Liming A Thesis Submitted to The Hong Kong University of Science and Technology in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Department of Mechanical Engineering August, Hong Kong UMI Number: 3239484 INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction. In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted. Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion.

® UMI UMI Microform 3239484 Copyright 2007 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code. ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P.

Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 Authorization I hereby declare that I am the sole author of the thesis. I authorize the Hong Kong University of Science and Technology to lend this thesis to other institutions or individuals for the purpose of scholarly research. I further authorize the Hong Kong University of Science and Technology to reproduce the thesis by photocopying or by other means, in total or in part, at the request of other institutions or individuals for the purpose of scholarly research. Fang Liming FANG Liming Department of Mechanical Engineering August 28, 2006 ii PROCESSING OF UHMWPE AND HA/UHMWPE NANOCOMPOSITE FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS by FANG Liming This is to certify that I have examined the above PhD thesis and have found that it is complete and satisfactory in all respects, and that any and all revisions required by the thesis examination committee have been made.

Z Professor LENG Yang, Department of Mechanical Engineering Professor GAO tế, Department of Chemical Engineering Z Head, Professor YU Tongxi, Department of Mechanical Engineering Department of Mechanical Engineering August 30, 2006 iil Acknowledgements First of all, I am most grateful to my supervisors, Prof. LENG Yang and Prof. LENG introduced me to the fantastic world of biomaterials and helped me to build my own interest in biomaterials. GAO’s critical and constructive comments and her urge for excellent work was a great driving force for me to work hard.

Without her excellent contributions, this thesis would not have been possible. WANG Min, Prof. KIM Jang-Kyo, Prof. SUN Qingping, and Prof.

GAO Furong for participating in the committee of this thesis. I would like to thank technicians of the departments of chemical engineering, mechanical engineering, advanced engineering materials facility, and materials characterization & preparation facility, for their kind help. Special thanks going to Ms Pauline LEUNG ST, Mr. CHENG HY, Mr.

YEUNG WL, and Mr. Alex FOK, for their detailed and patient instructions. I wish to express my appreciations to all group members in both mechanical and chemical labs. In particular, Mr.

SUN WZ helped me to run the tedious wear test. LU X and Mr. TANG YH worked with me for several years, your invaluable advice and kind assistance would be a life-long memory. XIN RL and Mr.

ZHAO ZF were always nice to share new ideas with me. I am very glad to have the chance to cooperate with Miss ZHANG WJ, Mr. YANG C, and Dr. RUAN SL, et al.

Also, I must thank all the friends who made my life in HKUST colorful and joyful. Last but not the least, I’d like to give my warmest gratitude to my parents, whose deepest and everlasting love are always my infinitive source of power to overcome all difficulties. I must thank my sister and brother-in-law for considerable supports both spiritually and financially all the time. I pray grandma and grandpa are peaceful in heaven since I lost all of you in the last five years but I could do nothing.

iv Table of Contents Titde.c- co co sS S0 0900 00 00008689868006085960 0666 ii Signature.ensee +49669999669985999698999669966669996086998886950566 sssssssssssese TÍÍ Acknowledgem€H(S.oooco co 033666 66 060166666661 666 96 sessse oe iV Table of Contents .cccccscsssssossccsssscesscorscerscsscsccecssscnees ee we V List of EFigures. 999 S58606008015055586660 690004 seseesssa AX List of Tables. 990993060009900809999090000000000090090008 seeseo XV Chapter 1 Background and objective kedsesssssseseesseseeesssse Ì INN\E i8 -.1 Strucfure and DFOD€TẨV. - GG cọ nọ te 1 1.2 Disorders and treatrn€rifS.2 Ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPPE).1 Structure of UHMWPEE.

LG HH ng te 4 1.2 Properties of UHMWPE.3 Biomedical applications of UHMWPPE.4 Bone-analogue polymer matrIx blocOrmpOSIf€S.5 Objective and organ1ZafiOTI.- -s ng HH ni 13 Chapter 2 Processing of UNHMWPE — 15 2.1 Difficulties in processing UHMWPE.1 Chain mobility and crystal phases of polyethylene .2 Chain mobility and processability of UHMWPE .2 Conventional processing methods.3 Processing UHMWPE in hexagonal phase. --QQ TQ ren 22 2.1 Solid state extrusion of UHMWPE nascent powder.2 Temperature window effect of polyethylene 00. eee ee eceeeeeeeeeee 24 2.4 Processing UHMWPE using the temperature wIindow effect.1 UHMWPE nascent DOW€T. ee cee eeseesseecsseeeseeceteeceseeseseecsceeeaesessucesseeeses 27 2.5 Important factors in processing UHMWPE.-- HH HH HH ng 35 2.2 Lamellar crystal thickneSs.

se :sseessseseeseeseseeeeesesesessteesseeeceseeeeees 38 Chapter 3 Microstructure of DH MWP E .1 Scanning electron microscopy (SEM) .2 Transmission electron microscopy (TEM) .2 Microstructure of UHMWPE ex(rudaf€ .- HH ke 43 KV Na oi. ảằnằUPY£NẠIỊIẠạadadđiaia.2 Lamellar SfTUC{UT€. -- - ‹ - coHọ vn 46 Chapter 4 Wear property of UHMWPE. c s c s s es es e es 48 4.1 Wear testing of UHMWPPE.

- - --- cọ TH gi 0 i4 49 4.2 Sample Dr€DATAtÍOT. - HT cv 50 LÍ NI.- ng Họ th 54 4.1 Mass loss and volume 1088 .3 Factors affect wear property of UHMWPPE. - HH ng ng 62 Chapter 5 Processing of HA/UHMWVPE nanocompoSÏÌte .1 Conventional processing methods of UHMWPE-based composites .2 Processing method of HA/UHMWPE nanocompOoSIf€.1 Twin-screw extrusion (TSE) compounding.2 Swelling UHMWPE to improve chain mobi]ity.3 Processing details of HA/UHMWPE nanocomposife .4 Important factors in processing HA/UHMWPE nanocomposite .1 Swelling effect on the viscosity of UHMWPE gel.2 Compounding parameters on the exfrUSIOII .3 HA content on the consolidation at the final stage. 80 Chapter 6 Mierostructure of HA/UHMWPE nanocomposite .1 Character1zation mmethOdS.

-- -- - so ng ng 82 6.2 Scanning electron microscopy (SEM).3 Transmission electron microscopy (TEM|).5 Fourier transform 1nfrared spectroscopy (FTIR).2 Chemical anaÌyS1S. chì HH HH no TT” 85 6.1 HA and UHMWPE in the composite (XXRD).3 Oxidation and paraffin oil residue (F TÌIR).3 Microstructure of HA/UHMWPE nanocomposife.1 HA nano particle dispersion (SEM, EDS).2 HA/UHMWPE interface (TEM).3 UHMWPE chann alignment (SEM, WAXD).4 Processing effects on microstructure of the compOSIf€. «co 94 Chapter 7 Mechanical properties of HA/UHMWPE nanocomposite .1 HA content effect on mechanical prODe€FI€S.2 Hot drawing effect on mechanical properties .4 Phenomenologlcal modeling of mechanical properti€s.-<~5 103 Chapter 8 Biological evaluation of HA/UHMWPE nanocomposite.1 BiocompatIbility test: Acute systeImiC fOXICI(Y.2 Bloactivity test: Simulated body fluid (SBE).- ác TH HH He 111 8.2 HA conftent efÍ€ct.3 Ca-P layer characf€r1ZzatIOn\. cv S9 TK tk, 113 Chapter 9 Concluding remarks and future WOF.--o co sec «nen 61660068666 117 9,1 Concluding rernarKS.

HH HH 119 References. 121 vii Appendices ee 135 Appendix A Pin-on-disc wear test of UHMWPE/CoCr alloy in literature. 135 Appendix B Mechanical properties of bio-analogue composites of interest. 139 Appendix C Acute systemic toxicity Study .cccccccscscsssessserscscecesecesessssnenes 141 Publication list.„‹ 146 Vili List of Figures Figure 1.1 Hierarchical structural organization of bone.2 Anatomy ofhuman hip jOITI.3 Typical metal-on-UHMWPE total hip joint replacement.4 Chain structure of UHMWPE.5 Loose hip prosthesis caused by bone resorption.6 Crosslinking process of UHMWPE.

HH HH ng me 8 Figure 1.7 Various applications of different polymer composite biomaterials.1 Equilibrium phase đdiagram of polyethylene.2 Typical processing steps in the manufacture of UHMWPE implants.3 Schematics of ram extrusion, compression molding, hot 1sostatic 94-0 ae.4 Fusion defects due to bad consolidation.5 Particle size đistribution of UHMWPE powder.---àcc- cà 27 Figure 2.6 SEM micrographs of UHMWPE powder morphology.7 Schematic drawing of Géttfert Rheograph 2003 capillary rheometer. A: test chamber; B: test barrel; C: locking nut; D: heater element; E: capillary block; F: round hole capillary; G: capillary nut; H: pressure transducer; I: thermocouple (mounting sleeve); J: thin wall là 416441 Phố .8 Schematic drawing of the extrusion đie. - - «s sen vn 28 Figure 2.9 Photo Of ©XÍTU(CIA€.10 Schematic of flow field and pattern during extrusIon.11 Force profile during extrusion,. ce cccccsessesoreessecceusnsasceeennsceseueesecenes 38 Figure 2.12 Crystal growth and size dependent phase stability diagram.1 SEM micrographs indicate the fusion defects of UHMWPE.

a) Microtome cut; b) Cryogenically fractured; c) Polished & etched. 1) GUR 1050 ram extruded; 2) Basell 1900 capillary extruded.2 SEM micrographs show lamellae structures in crystalline regions revealed after etching the amorphous phase of UHMWPE (etched specimen). a) GUR1050 ram extruded; b) Basell1900 capillary ©4409" .3 TEM micrograph shows the lamellar structure of capillary extruded UHMWPE (unsftainedÌ). - - --- ng nọ 0t 45 Figure 3.4 XRD patterns of as-received UHMWPE powder and capillary extruded UHMWPE rod indicate the chain orientation in as- extruded UHMWPE.

a) Equipment setup; b) Pin-on-disc configuration; c) Environrnental chamber.2 Photos of UHMWPE pin and CoCrMGO đỉsc.- --- Su nen ese 51 Figure 4.3 Schematic drawing of CoCrMG đ1§C.4 Wear loss of UHMWPE against wear testing cycles and sliding CiStANCE.5 Mass loss of UHMWPE against wear testing cycles in the steady WEALP SLAZE.6 Morphology of as-extruded UHMWPE wear debris characterized by SEM after different wear cycles.7 Morphology of as-received UHMWPE wear debris characterized by SEM after different wear cycles.8 Morphology of as-received UHMWPE wear debris characterized by SEM after different wear cycles.9 Surface topography of UHMWPE pin and CoCr disc before and after wear testing examined by optical pro fẨiÏ€r. --- x1 se vee« 60 Figure 4.10 SEM morphology of UHMWPE worn surface. a~c) as-received; d~f) as-extruded UHMWPE.1 Schernatic Of twin-SCT€W ©XÍTU€T.2 Improved chain mobility of polymer swollen gel.3 As-received HA powder size đistrIDbutiOT.- dc n1 1 seeese 72 Figure 5.4 SEM micrographs of as-received HA powder.5 Left: Twin-screw extruded fibers; Right: Pelletized granules.6 Viscosity dependence on HMWPPE concentration.7 Compounding variables effect on exfruSIOn.1 Angles y and y defining the position of the normal to a given hkl crystal plane in the sample reference system. DD, draw direction or fiber axis; ND, normal direction; TD, transverse direction; /,, incident x-ray beam; Jgiy, diffracted intensity.2 XRD patterns of UHMWPE (a), HA powder (h), and HA/UHMWPE nanocomposite (b~g) with HA volume content from 0 (b) to 50% (2.3 a) TGA measurement of pure paraffin oil, HA, and UHMWPE powder.

b) Derivative of weight against temperature.4 TGA thermographs show the actual weight percentage of HA filler content and thermal degradation temperature of HA/UHMWPE nanocomposites with nominal HA volume percentage increasing from 0 (€) to 0 10.5 TGA thermograph of the composite with nominal HA content of 77wt% after paraffin oil extraction in hexane.6 FTIR spectra of UHMWPE powder (a), paraffin oil (b), HA powder (c), HA/UHMWPE powder mixture (d), and HA/UHMWPE nanocomposite (e). Small figure: Enlarged spectra in the wave number range of 2800~2975 0 88 Figure 6.7 SEM micrographs of HA/UHMWPE compounds cross section after twin-screw extrusion (a~f: HA vol. Sàn se Figure 6.8 Dispersion of HA nano particles (SO0vol%) in UHMWPE matrix characterized by SEM and EDS. Top surface of compression molded sheet: a) Global HA dispersion and b) Inter-penetration network of HA particles and UHMWPE fibrils; Cryogenically fractured cross section surface: c) Homogeneous dispersion of HA nano particles in the composite; d) EDS elemental analysis; and e) EDS map scanning of the element Calcium (Ca) of HA (bright so) .9 TEM micrographs of the HA/UHMWPE nanocomposite with HA volume percentage 12.

a) Composite morphology; b) Selected area for SAED and HRTEM analysis; c) SAED pattern of the area in b); and d) HRTEM image of the ellipse area In b).10 SEM micrographs show the homogeneous dispersion of HA nano- particles and highly oriented UHMWPE fibrils after hot drawing (DR = 20).11 WAXD patterns show the orientation of UHMWPE fibrils decreases „20:85.

Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ

Từ khóa và chủ đề nghiên cứu


Câu hỏi thường gặp

Luận án "Xử lý UHMWPE và nanocomposite HA/UHMWPE cho ứng dụng y sinh" nghiên cứu về vấn đề gì?

Luận án tiến sĩ nghiên cứu xử lý UHMWPE và nanocomposite HA/UHMWPE cho ứng dụng y sinh. Tập trung vào công nghệ vật liệu tiên tiến và tính chất cơ học.

Luận án "Xử lý UHMWPE và nanocomposite HA/UHMWPE cho ứng dụng y sinh" được bảo vệ tại trường nào?

Luận án này được bảo vệ tại Hong Kong University of Science and Technology. Năm bảo vệ: 2006.

Luận án "Xử lý UHMWPE và nanocomposite HA/UHMWPE cho ứng dụng y sinh" thuộc chuyên ngành gì?

Luận án "Xử lý UHMWPE và nanocomposite HA/UHMWPE cho ứng dụng y sinh" thuộc chuyên ngành Mechanical Engineering. Danh mục: Công Nghệ Vật Liệu.

Luận án "Xử lý UHMWPE và nanocomposite HA/UHMWPE cho ứng dụng y sinh" có bao nhiêu trang?

Luận án "Xử lý UHMWPE và nanocomposite HA/UHMWPE cho ứng dụng y sinh" có 163 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.

Cách tải luận án "Xử lý UHMWPE và nanocomposite HA/UHMWPE cho ứng dụng y sinh" về máy như thế nào?

Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.

Luận án liên quan

Chia sẻ tài liệu: Facebook Twitter