CN103308444B - 骨植入金属及具有涂层的金属材料使用寿命检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种骨植入金属及具有涂层的金属材料使用寿命检测装置，包括机架、仿生体液容器、上夹持件、下夹持件、摩擦套、电磁激振器、上连接臂、耦合质量块、预加载弹簧、力传感器、下连接臂、液压泵、位移传感器、体液加温器、热电偶、控温器和计算机；上夹持件、下夹持件和摩擦套均设置在仿生体液容器内，且在竖直方向上对应；耦合质量块、力传感器和预加载弹簧由上向下依次设置；电磁激振器的振动信号输入计算机。该装置可供金属及具有涂层的金属骨植入材料进行模拟人体生理条件下的疲劳和磨损实验，能对植入材料的品质和使用寿命作出综合检测。

Description

骨植入金属及具有涂层的金属材料使用寿命检测装置

技术领域

本发明涉及一种使用寿命检测装置，尤其涉及一种骨植入金属及具有涂层的金属材料使用寿命检测装置。

背景技术

骨缺损是一类常见的疾病。据民政部门报告:每年由于疾病、交通事故、地质灾害和运动创伤等造成的骨缺损和缺失患者人数近1000万人。在骨修复手术过程中，骨替换、骨修复和骨科内固定材料（如金属螺钉、骨板、髓内针、钢丝等）是许多骨折病人手术时需要用到的器材，因此这类材料具有巨大的市场需求。目前，人体骨植入材料和器件的研究受到普遍的重视。

金属及其合金由于具有较高的机械强度和断裂韧性，因而在生物医学领域中特别是承载条件下有广泛的应用。目前在临床上应用的传统骨科用金属材料主要有不锈钢、钴铬钼合金、钛合金等。但金属材料的生物相容性低，在生理体液环境中易产生电化学腐蚀，加之人体运动摩擦，一方面导致材料机械性能变差而产生松动和断裂，另一方面存在于体内的过量的游离金属离子（如钴、铬、镍、铝等）会对人体肝、肾、心、脑等器官产生损害。表面改性通过改变金属表面的形态和化学成份，来改变金属表面的微观结构，从而改善材料的生物活性、生物相容性、耐磨性和耐腐蚀性。例如通过在钛合金表面制备HA涂层，以改善金属植入材料的生物活性和生物相容性；在不锈钢、钛合金、钴铬钼合金表面注入C、N、B等元素，提高材料的耐腐性和生物相容性等。

为了能够使植入材料能长期在人体内发挥作用，国内外做了不少金属植入材料腐蚀和疲劳性能的研究。

植入材料的腐蚀研究可以采用体内和体外实验。体内植入实验可更有效的评价材料的生物学性能及其对骨组织的改建和生长诱导能力，但实验周期长，投入大，受个体差异的影响大，而且体内实验不能实时观测植入材料的腐蚀行为，检测金属离子的真实溶解率。体外腐蚀实验是在体外的人工模拟体液中进行的，可通过植入材料腐蚀行为的研究，考察材料的腐蚀机理，从而为材料的设计和制备提供依据。目前评价金属及合金腐蚀速率的方法主要有模拟体液浸泡法和电化学方法，然而这两种腐蚀实验都是在静态条件下完成的，没有考虑材料的受力情况。

骨植入材料疲劳实验的要求与工业疲劳实验测试不同，工业材料疲劳实验负载大小一般均在数千牛顿以上，疲劳实验频率较高。而骨植入材料通常应用于低频率和低载荷的条件下。原有的工业疲劳机设备不适合于骨植入材料疲劳寿命的研究。另外，骨植入材料长期浸泡于人体体液环境中，简单的疲劳试验不能反应植入材料的真实使用寿命和失效机制。

植入人体的材料，长期浸泡于人体体液中，不仅产生腐蚀、磨损和疲劳，长期受力的金属还会发生金属应力腐蚀、腐蚀磨损和腐蚀疲劳，从而引起材料内部结构的改变。此外，具有涂层的金属材料还会因为涂层的结合问题而产生剥落，导致远期手术的失败。

尽管我国在北京、天津、江苏、上海、湖北、陕西、四川等多个地区都建立了众多外科植入物器件制造企业。但由于我国外科植入物金属材料产业起步较晚，目前我国还没有可对植入器械在人体体液环境下的疲劳和磨损两大基本性能进行测定的对外服务的实验平台。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种骨植入金属及具有涂层的金属材料使用寿命检测装置。该装置可以对人体骨科用金属及具有涂层的金属材料及器件，在植入人体后，针对不同人体部位使用时的受力状态和人体体液的腐蚀情况下，进行模拟生理环境下的腐蚀疲劳及腐蚀磨损试验，以测定植入体在人体中的使用寿命，分析材料的失效行为，为人体骨植入材料和器件的设计，选择，使用提供可靠的技术参数。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

骨植入金属及具有涂层的金属材料使用寿命检测装置，包括机架、仿生体液容器、上夹持件、下夹持件、摩擦套、电磁激振器、上连接臂、耦合质量块、预加载弹簧、力传感器、下连接臂、液压泵、位移传感器、体液加温器、热电偶、控温器和计算机；

所述仿生体液容器设置在机架上，上夹持件、下夹持件和摩擦套均设置在仿生体液容器内，摩擦套位于上夹持件和下夹持件之间，且上夹持件、摩擦套的内孔和下夹持件在竖直方向上对应；所述电磁激振器设置在机架上且位于仿生体液容器的正上方，所述电磁激振器通过穿过仿生体液容器顶部的上连接臂与上夹持件连接；

所述耦合质量块、力传感器和预加载弹簧由上向下依次设置，所述预加载弹簧压在液压泵驱动的活塞上，所述下连接臂穿过仿生体液容器的底部并与其密封配合，所述下连接臂的顶端与下夹持件连接，下连接臂的底端与耦合质量块连接；

所述位移传感器用于检测耦合质量块的位移，所述体液加温器设置在仿生体液容器的底部用于对仿生体液容器进行加热，所述热电偶设置在仿生体液容器内用于对仿生体液容器内的体液进行测温；所述体液加温器由控温器控制；所述电磁激振器的振动信号输入计算机。

作为本发明的一种优选方案，所述热电偶由仿生体液容器的顶部插入仿生体液容器内。

作为本发明的另一种优选方案，所述计算机控制信号发生器和功率放大器，信号发生器和功率放大器通过电讯号与电磁激振器连接，所述位移传感器和力传感器的信号经数据采集系统输入计算机中。

与现有技术相比，本发明骨植入金属及具有涂层的金属材料使用寿命检测装置具有如下有益效果：

1、该装置可供金属及具有涂层的金属骨植入材料进行模拟人体生理条件下的疲劳和磨损实验，能对植入材料的品质和使用寿命作出综合检测。

2、植入金属材料疲劳试验：根据骨植入材料在人体中的植入部位，模拟植入器件在人体中的受力情况，施加不同载荷；按不同部位的骨植入器件在人体的动态频率条件进行模拟实验；测试植入材料的寿命并绘制S-N曲线。可考察植入材料在多大载荷使用条件下为安全载荷。

3、植入金属材料腐蚀疲劳试验：在上述2的载荷和加载频率条件下，进行人体体液腐蚀条件下的寿命测试并绘制S-N曲线；改变介质的组成，如在模拟体液中加入蛋白质、血浆等，考察介质组成对金属植入材料寿命的影响。

4、植入金属材料腐蚀磨损试验：在上述2的安全载荷和人体的动态频率条件下，进行人体体液腐蚀条件下的磨损实验，通过测量磨痕大小、形貌和磨损量多少，考察植入金属材料的腐蚀磨损情况。

5、具有涂层的金属植入材料的涂层结合性能的测试：按上述条件2和3，对具有涂层的金属植入材料进行疲劳性能测试，考察在有体液介质和无体液介质情况下，涂层剥落时的循环次数；按上述条件3，进行腐蚀磨损试验，测量涂层的磨损机制和磨损性能。

6、植入器件整体使用寿命综合检测：对装配完整的骨植入器件（例如，安装了骨螺钉的骨板，采用骨螺钉或髓内针固定的断裂骨）在载荷和人体的动态频率条件下，进行人体体液腐蚀条件下的疲劳和磨损复合实验，考察内固定材料产生松动时的载荷和频率条件，考察其腐蚀和磨损机制，综合测量整体的植入器件的使用寿命。

附图说明

图1为骨植入金属及具有涂层的金属材料使用寿命检测装置的结构示意图；

图2为该装置的工作原理图。

附图中：1—电磁激振器； 2—上加持件； 3—仿生体液容器； 4—摩擦套； 5—体液加温器； 6—耦合质量块； 7—热电偶； 8—控温器； 9—计算机； 10—体液； 11—力传感器； 12—预加载弹簧； 13—液压泵； 14—机架； 15—下加持件； 16—上连接臂； 17—下连接臂； 18—试件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，骨植入金属及具有涂层的金属材料使用寿命检测装置，包括机架14、仿生体液容器3、上夹持件2、下夹持件15、摩擦套4、电磁激振器1、上连接臂16、耦合质量块6、预加载弹簧12、力传感器11、下连接臂17、液压泵13、位移传感器、体液加温器5、热电偶7、控温器8和计算机9。

其中，仿生体液容器3设置在机架14上，上夹持件2、下夹持件15和摩擦套4均设置在仿生体液容器3内，摩擦套4位于上夹持件2和下夹持件15之间，且上夹持件2、摩擦套4的内孔和下夹持件15在竖直方向上对应。电磁激振器1设置在机架14的顶部，且位于仿生体液容器3的正上方，上连接臂16穿过仿生体液容器3顶部并与仿生体液容器3的顶部滑动配合，电磁激振器1通过上连接臂16与上夹持件2连接，即上连接臂16的顶部与电磁激振器1连接，上连接臂16的底部与上夹持件2连接。

耦合质量块6、力传感器11和预加载弹簧12由上向下依次设置，且位于仿生体液容器3的正下方，预加载弹簧12压在液压泵13驱动的活塞上。下连接臂17穿过仿生体液容器3的底部并与其密封配合，且下连接臂17与仿生体液容器3的底部滑动配合，下连接臂17的顶端与下夹持件15连接，下连接臂17的底端与耦合质量块6连接。

位移传感器用于检测耦合质量块6的位移，体液加温器5设置在仿生体液容器3的底部用于对仿生体液容器3进行加热，热电偶7由仿生体液容器3的顶部插入仿生体液容器3内用于对仿生体液容器3内的体液10进行测温。体液加温器5由控温器8控制，电磁激振器1的振动信号输入计算机9。

使用该装置时，将试件18穿过摩擦套4，夹持在上夹持件2和下夹持件15之间，液压泵13驱动的活塞对预加载弹簧12施加向上的压力，通过预加载弹簧12将向上的压力传递给耦合质量块6，再通过下连接臂17和下夹持件15传递给试件18。通过控温器9控制体液加温器5和热电偶7，对仿生体液容器3内的体液10进行加热。开启电磁激振器1，电磁激振器1通过上连接臂16和上夹持件2带动试件18上下振动，试件18在摩擦套4内上下移动时与该摩擦套4的内孔之间进行摩擦，形成摩擦副，通过力传感器11检测力的大小，通过位移传感器检测耦合质量块5的上下移动的位移，进而检测试件18的伸缩量。

该装置的工作原理如图2所示，电磁激振器1与刚性固定连接的耦合质量块6，预加载弹簧12和力传感器11连接，计算机9控制信号发生器和功率放大器。信号发生器和功率放大器通过电讯号与电磁激振器1连接，放大后的位移传感器和力传感器的信号经数据采集系统进入计算机9中进行存储、分析、绘图，并通过信号板控制信号发生器和功率放大器，产生一定频率和幅度的信号控制电磁激振器。

人体植入材料复合疲劳试验的主要参数包括负载大小、负载频率、负载次数、温度和人体体液腐蚀条件；磨损试验的主要参数包括磨损力、磨损频率、磨损次数、温度和人体体液腐蚀条件。骨植入金属及具有涂层的金属材料使用寿命检测装置主要针对这些参数进行控制。

设备参数包括：①力传感器测量范围：0-10 KN；②力传感器测量精度：±10 N；③人体体液温度测量范围：室温-42℃；④人体体液温度测量精度：±0.5 ℃；⑤振动负荷频率：0-200 HZ可调；⑥加载范围：10-10 KN可调；⑦负载次数的控制：0-300万次。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.骨植入金属及具有涂层的金属材料使用寿命检测装置，其特征在于：包括机架（14）、仿生体液容器（3）、上夹持件（2）、下夹持件（15）、摩擦套（4）、电磁激振器（1）、上连接臂（16）、耦合质量块（6）、预加载弹簧（12）、力传感器（11）、下连接臂（17）、液压泵（13）、位移传感器、体液加温器（5）、热电偶（7）、控温器（8）和计算机（9）；

所述仿生体液容器（3）设置在机架（14）上，上夹持件（2）、下夹持件（15）和摩擦套（4）均设置在仿生体液容器（3）内，摩擦套（4）位于上夹持件（2）和下夹持件（15）之间，且上夹持件（2）、摩擦套（4）的内孔和下夹持件（15）在竖直方向上对应；所述电磁激振器（1）设置在机架（14）上且位于仿生体液容器（3）的正上方，所述电磁激振器（1）通过穿过仿生体液容器（3）顶部的上连接臂（16）与上夹持件（2）连接；

所述耦合质量块（6）、力传感器（11）和预加载弹簧（12）由上向下依次设置，所述预加载弹簧（12）压在液压泵（13）驱动的活塞上，所述下连接臂（17）穿过仿生体液容器（3）的底部并与其密封配合，所述下连接臂（17）的顶端与下夹持件（15）连接，下连接臂（17）的底端与耦合质量块（6）连接；

所述位移传感器用于检测耦合质量块（6）的位移，所述体液加温器（5）设置在仿生体液容器（3）的底部用于对仿生体液容器（3）进行加热，所述热电偶（7）设置在仿生体液容器（3）内用于对仿生体液容器（3）内的体液（10）进行测温；所述体液加温器（5）由控温器（8）控制；所述电磁激振器（1）的振动信号输入计算机（9）；

仿生体液容器（3）内的体液（10）温度测量范围：室温-42℃；

使用时，试件（18）穿过摩擦套（4），夹持在上夹持件（2）和下夹持件（15）之间，液压泵（13）驱动的活塞对预加载弹簧（12）施加向上的压力，通过预加载弹簧（12）将向上的压力传递给耦合质量块（6），再通过下连接臂（17）和下夹持件（15）传递给试件（18）。

2.根据权利要求1所述的骨植入金属及具有涂层的金属材料使用寿命检测装置，其特征在于：所述热电偶（7）由仿生体液容器（3）的顶部插入仿生体液容器（3）内。

3.根据权利要求1所述的骨植入金属及具有涂层的金属材料使用寿命检测装置，其特征在于：所述计算机（9）控制信号发生器和功率放大器，信号发生器和功率放大器通过电讯号与电磁激振器（1）连接，所述位移传感器和力传感器的信号经数据采集系统输入计算机（9）中。