不同固化配比、溫度對(duì)股骨柄固定介質(zhì)性能的影響,醫(yī)學(xué)工程論文

不同固化配比、溫度對(duì)股骨柄固定介質(zhì)性能的影響,醫(yī)學(xué)工程論文20世紀(jì)50年代以來(lái)，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(Polymethylmethycyylate，PMMA)骨水泥。經(jīng)過(guò)不斷地研發(fā)相繼出現(xiàn)多種配方改進(jìn)的骨水泥，降低松動(dòng)發(fā)生率，臨床效果都比擬好。當(dāng)然，我們?cè)谶M(jìn)行體外模擬疲憊試驗(yàn)時(shí)，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)假體疲憊試驗(yàn)為目的，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)疲憊試驗(yàn)中需要完善的股骨柄固定介質(zhì)的選擇。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于固定介質(zhì)的要求是在測(cè)試經(jīng)過(guò)中受力時(shí)不破裂;不出現(xiàn)過(guò)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(méi)有限定是哪一種材料?；谝陨峡紤]，既要降低試驗(yàn)成本，又要知足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于澆注介質(zhì)的物理性能要求，我們選擇了環(huán)氧樹(shù)脂固化體系作為疲憊試驗(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)疲憊試驗(yàn)研究的發(fā)展。2試驗(yàn)材料和樣品制備環(huán)氧樹(shù)脂固化系(epoxyresinadhesive)一般是指以環(huán)氧樹(shù)脂(分子式見(jiàn)圖2)為主體所制得的膠粘劑，該固化系還包括環(huán)氧樹(shù)脂固化劑，否則這個(gè)膠就不會(huì)固化。環(huán)氧樹(shù)脂是開(kāi)發(fā)最早、應(yīng)用最廣的樹(shù)脂，雙酚A二縮水甘油醚環(huán)氧樹(shù)脂是熱固性樹(shù)脂中的主導(dǎo)產(chǎn)品。華而不實(shí)E51型環(huán)氧樹(shù)脂是雙酚A型環(huán)氧樹(shù)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(wú)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(shù)脂固化劑(T31)，是一種比擬理想的常溫固化劑，因其分子量不大、粘度低、與環(huán)氧樹(shù)脂的混溶性好、固化速度快，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)用量最大的固化劑品種，屬于無(wú)毒等級(jí)的精細(xì)化工產(chǎn)品。【圖1】E51環(huán)氧樹(shù)脂和T31固化劑采用下面兩種固化經(jīng)過(guò)分別研究不同質(zhì)量配比和不同固化溫度對(duì)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(shí)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(duì)其彈性模量的影響。(2)E51與T31的配比選擇4∶1，固化時(shí)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(duì)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(duì)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)反響而得到的改性胺類(lèi)產(chǎn)品，在降低傳統(tǒng)胺類(lèi)固化劑的揮發(fā)性和毒性的同時(shí)，也使得它與環(huán)氧樹(shù)脂的配比要求不嚴(yán)格了，在一定配比范圍內(nèi)均能到達(dá)固化性能良好的要求。因而在不同行業(yè)內(nèi)不同要求的應(yīng)用中，環(huán)氧樹(shù)脂和固化劑的配比是不同的。而我們研究的目的是要尋找適宜的配比使最終環(huán)氧樹(shù)脂膠的彈性模量到達(dá)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(jiàn)表1所示。能夠看出，E51與T31的質(zhì)量配比在2∶1和5∶1之間時(shí)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(shí)，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(shí)，樣品的彈性模量卻稍有下降。E51型環(huán)氧樹(shù)脂的固化原理在于環(huán)氧樹(shù)脂的構(gòu)造中有羥基(＞CH－OH)、醚基(－O－)和極為活潑的環(huán)氧基存在。環(huán)氧樹(shù)脂在未固化前是呈熱塑性的線型構(gòu)造，參加固化劑后，固化劑中的活潑氫原子便與環(huán)氧樹(shù)脂的環(huán)氧基反響，變成網(wǎng)狀構(gòu)造的大分子，成為不溶且不熔的熱固性成品。隨著固化劑含量的增加，環(huán)氧樹(shù)脂得到充分的反響，構(gòu)成大量的網(wǎng)狀構(gòu)造大分子，構(gòu)造均勻，固化成品的彈性模量增大。當(dāng)固化劑含量太多，超過(guò)充分反響的量值后，固化成品中就會(huì)混有多余的固化劑，也會(huì)影響到固化成品的彈性模量?！颈?】(2)固化溫度對(duì)固化成品彈性模量的影響環(huán)氧樹(shù)脂固化劑種類(lèi)較多，根據(jù)固化溫度能夠分為高溫(＞100℃)、中溫(50～100℃)、室溫(室溫～50℃)和低溫(室溫下面)。而不同固化溫度又直接影響環(huán)氧樹(shù)脂的固化時(shí)間。作為環(huán)氧樹(shù)脂最早的固化劑多胺類(lèi)固化劑反響劇烈放熱，室溫固化7天左右，固化性能一般。而改良后的多胺固化劑在25℃下24h內(nèi)就能充分固化，固化7d其性能才能到達(dá)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(shí)間，同時(shí)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，選擇一樣固化配比和一樣固化時(shí)間條件下，研究不同固化溫度對(duì)成品彈性模量的影響。E51環(huán)氧樹(shù)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，只要0.42GPa，見(jiàn)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3.90GPa和4.05GPa，見(jiàn)表2所示。顯然，在一樣固化時(shí)間下提高固化溫度能夠提高固化成品的彈性模量，能夠知足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)髖關(guān)節(jié)假體進(jìn)行固定的要求。【表2】5結(jié)論推薦性行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YY/T0809.4對(duì)髖關(guān)節(jié)疲憊試驗(yàn)樣品固定方式僅進(jìn)行了指導(dǎo)性描繪敘述，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)上外表的高度)，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。固化經(jīng)過(guò)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(shù)脂和T31環(huán)氧樹(shù)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/T0809.4中對(duì)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(shù)脂固化系，固化經(jīng)過(guò)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(shù)脂固化體系作為疲憊試驗(yàn)股骨柄的固定介質(zhì)極大降低了試驗(yàn)成本且澆注經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單易操作，澆注介質(zhì)的物理性能知足標(biāo)準(zhǔn)中要求，為髖關(guān)節(jié)疲憊試驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。［以下為參考文獻(xiàn)］［1］袁啟明.全人工髖關(guān)節(jié)置換系統(tǒng).上海生物醫(yī)學(xué)工程，2004，25(3):38－43.［2］周其鳳，范星河，謝曉峰.耐高溫聚合物及其復(fù)合材料合成－合成，應(yīng)用與進(jìn)展.［3］周繼亮，涂偉萍，夏正斌.水性環(huán)氧固化劑的合成及性能.化工新型