Nghiên cứu ảnh hưởng của độ nhám bề mặt đến đặc tính ma sát của cặp vật liệu y sinh cocrmo UHMWPE trong khớp háng nhân tạo toàn phần

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LÊ CƠNG ĐẠT NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ NHÁM BỀ MẶT ĐẾN ĐẶC TÍNH MA SÁT CỦA CẶP VẬT LIỆU Y SINH CoCrMo-UHMWPE TRONG KHỚP HÁNG NHÂN TẠO TỒN PHẦN Chun ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã chuyên ngành: 60520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: TS Đường Công Truyền Người phản biện 1: Người phản biện 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ngày … tháng … năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch hội đồng Phản biện Phản biện Ủy viên Thư ký CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ BỘ CƠNG THƯƠNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: LÊ CÔNG ĐẠT MSHV: 15118321 Ngày, tháng, năm sinh: 11/02/1993 Nơi sinh: Cai Lậy - Tiền Giang Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Mã chuyên ngành: 60520103 I TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu ảnh hưởng đợ nhám bề mặt đến đặc tính ma sát cặp vật liệu y sinh CoCrMo-UHMWPE khớp háng nhân tạo toàn phần” NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu tổng quát đặc tính ma sát khớp tự nhiên khớp nhân tạo Nghiên cứu xây dựng mô hình thiết bị đo ma sát Pin-on-Disc Nghiên cứu thực nghiệm, kiểm chứng đánh giá đặc tính ma sát cặp vật liệu y sinh CoCrMo-UHMWPE dùng khớp háng nhân tạo toàn phần II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 27/03/2017 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 27/03/2018 IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Đường Công Truyền Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 03 năm 2018 NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ LỜI CẢM ƠN Trên thực tế khơng có thành cơng mà khơng gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến thầy TS Đường Công Truyền, người trực tiếp hướng dẫn cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết để em hồn thành xong luận văn Xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, phịng Quản lý Sau đại học Khoa Cơng nghệ Cơ khí tạo điều kiện thuận lợi nhất để em thực cơng việc nghiên cứu Bước đầu tìm hiểu lĩnh vực nghiên cứu khoa học, kiến thức em hạn chế nhiều bỡ ngỡ Do vậy, khơng tránh khỏi thiếu sót trình nghiên cứu mình, em rất mong nhận ý kiến đóng góp quý báu quý Thầy Cô để kiến thức em lĩnh vực hồn thiện Tp Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 03 năm 2017 Học viên thực Lê Cơng Đạt i TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Từ nhu cầu ngày nhiều người vấn đề khớp bệnh tật, tai nạn tuổi thọ tăng lên làm thay đổi đặc tính bề mặt khớp dẫn đến ảnh hưởng khơng tốt đến c̣c sống họ Do đó, việc nghiên cứu đặc tính ma sát đặc tính học vật liệu y sinh nhân tạo thật cần thiết Việc nghiên cứu nhằm cung cấp liệu phục vụ cho việc chế tạo khớp nhân tạo, nhằm phát triển vật liệu y sinh nhân tạo Nợi dung đề tài tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm đo hệ số ma sát cặp vật liệu y sinh nhân tạo: hợp kim Cobalt-Chrome-Molybden (CoCrMo) nhựa polyethylene có trọng lượng phân tử siêu cao (Ultra High Molecular Weight Polyethylene – UHMWPE), thực nghiệm mơ hình thí nghiệm đo ma sát dạng Pin-on-Disc tác giả tự xây dựng Từ đó, tác giả nghiên cứu ảnh hưởng đợ nhám bề mặt thông số khác vật liệu bơi trơn, chế đợ tải đến đặc tính ma sát cặp vật liệu y sinh nhân tạo CoCrMo-UHMWPE Thí nghiệm đo liên tục khoảng thời gian 3600 s điều kiện sau: độ nhám bề mặt Ra = 0.25 µm Ra = 2.5 µm, đo ma sát khơ có bơi trơn sử dụng dung dịch huyết bò (Bovine Serum Albumin - BSA) nồng độ 25 mg/ml, lực tác động FN = N 16 N Kết quả thí nghiệm cho thấy đĩa UHMWPE gia công phương pháp tiện đạt đợ nhám bề mặt Ra = 0.25 µm có hệ số ma sát lớn so với đĩa UHMWPE có nhám bề mặt Ra = 2.5 µm, đĩa UHMWPE gia công phương pháp phay đạt đợ nhám bề mặt Ra = 0.25 µm có hệ số ma sát nhỏ so với đĩa UHMWPE có nhám bề mặt Ra = 2.5 µm Việc sử dụng BSA 25 mg/ml thí nghiệm đo ma sát cho thấy có cải thiện đặc tính ma sát cặp vật liệu y sinh nhân tạo CoCrMo-UHMWPE không sử dụng dung dịch bôi trơn Trong nghiên cứu, bề mặt tiếp xúc cặp vật liệu chịu tác động lực tác động FN = N có hệ số ma sát nhỏ gia tăng lực tác động lên FN = 16 N ii ABSTRACT Due to the increasing demands of human on the joint problems caused by illness, accidents as well as longevity that alter the surface properties of articular joints and affect to their lives, so there is a need of studying on tribological and mechanical properties of artificial articular joints The results of this study are going to provide data for the manufacturing of artificial joints as well as for the development of new artificial biomaterials The main contents of the thesis focused on the measurements of the frictional coefficient of CoCrMo-on-UHMWPE artificial hip bearing using the macroscale custom pin-on-disc friction device Since then, we studied the effect of the surface roughness as well as other parameters such as lubricant, applied normal loads to the frictional properties of CoCrMo-on-UHMWPE bearing The experiment was measured continuously over a period of 3600 seconds under the following conditions: surface roughness of UHMWPE disc Ra = 0.25 µm and Ra = 2.5 µm, dry condition and lubrication using bovine serum albumin (BSA) at the concentration of 25 mg/ml in PBS, the applied normal loads of FN = N and 16 N Experimental results showed that the frictional properties of the CoCrMo-on-UHMWPE bearing depend on the surface roughness, lubricant and the applied normal loads The frictional coefficient of the CoCrMo-on-UHMWPE bearing increases with the increase of the surface roughness when the UHMWPE disc to be machined by CNC milling method but the opposite result occurs when the UHMWPE disc to be machined by CNC turning method BSA 25 mg/ml improves the lubricating ability of the CoCrMo-onUHMWPE bearing The increase of the applied normal load led to the decrease of frictional properties of the CoCrMo-on-UHMWPE bearing iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu bản thân tơi hướng dẫn Thầy hướng dẫn TS Đường Công Truyền Các kết quả thí nghiệm nghiên cứu đánh giá phân tích luận văn trung thực, chưa cơng bố bất kỳ hình thức trước không chép từ hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu trích dẫn ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo quy định Học viên Lê Công Đạt iv MỤC LỤC MỤC LỤC v DANH MỤC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC BẢNG BIỂU xiii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xv MỞ ĐẦU .1 Đặt vấn đề Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu .2 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa thực tiễn đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU Y SINH NHÂN TẠO 1.1 Giới thiệu 1.2 Khớp tự nhiên thể người .5 1.2.1 Tổng quan khớp tự nhiên 1.2.2 Sụn khớp (Articular Cartilage) 1.2.3 Chuyển động khớp háng .8 1.2.4 Thối hóa khớp (Osteoarthritis) 1.3 Khớp háng nhân tạo thể người (Artificial Hip Joint) 11 1.3.1 Khái quát khớp háng nhân tạo 11 v 1.3.2 Kết cấu khớp háng nhân tạo toàn phần (Total Hip Arthroplasty) 12 1.3.3 Tổng quát vật liệu y sinh nhân tạo dùng khớp 14 1.3.3.1 Nhựa Polyethylene có trọng lượng phân tử siêu cao 15 1.3.3.2 Hợp kim Cobalt-Chrome-Molypden 16 1.3.3.3 Hợp kim Titan .17 1.3.3.4 Gốm y sinh 18 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20 2.1 Tổng quan ma sát 20 2.1.1 Khái niệm ma sát 20 2.1.2 Hệ số ma sát 21 2.1.3 Bôi trơn khớp nhân tạo 21 2.2 Phương pháp đo ma sát 23 2.2.1 Thiết bị Pin-on-Disc 24 2.2.2 Thiết bị Pin-on-Plate 25 2.2.3 Hip Simulator 26 2.2.4 Thiết bị đo ma sát tỉ lệ micro/nano .27 CHƯƠNG CHẾ TẠO MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐO MA SÁT DẠNG PIN-ON-DISC 29 3.1 Mơ hình thí nghiệm đo ma sát Pin-on-Disc .29 3.1.1 Lựa chọn mơ hình thí nghiệm 29 3.1.2 Ngun lý đo mơ hình thí nghiệm đo má sát dạng Pin-on-Disc .29 vi 3.1.3 Phương án thiết kế .30 3.2 Bản vẽ thiết kế mơ hình thí nghiệm đo ma sát dạng Pin-on-Disc 30 3.3 Mô hình thí nghiệm hồn chỉnh .34 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐẶC TÍNH MA SÁT CỦA CẶP VẬT LIỆU Y SINH CoCrMo-UHMWPE 36 4.1 Giới thiệu 36 4.2 Vật liệu phương pháp nghiên cứu .37 4.2.1 Chuẩn bị vật liệu 37 4.2.1.1 Chuẩn bị vật liệu chốt 37 4.2.1.2 Chuẩn bị vật liệu đĩa 38 4.2.1.3 Chuẩn bị dung dịch bôi trơn .40 4.2.2 Phương pháp thí nghiệm 42 4.2.2.1 Phương pháp tính hệ số ma sát 42 4.2.2.2 Phương pháp thí nghiệm .45 4.2.2.3 Phương pháp phân tích thơng kê .46 4.3 Kết quả thí nghiệm thảo luận 47 4.3.1 Ảnh hưởng độ nhám bề mặt 47 4.3.1.1 Đĩa UHMWPE gia công phương pháp tiện 47 4.3.1.2 Đĩa UHMWPE gia công phương pháp phay .50 4.3.2 Ảnh hưởng vật liệu bôi trơn 54 4.3.3 Ảnh hưởng lực tác động .58 vii Việc thiết kế lựa chọn một vật liệu y sinh nhân tạo vào ứng dụng y tế để phục vụ bệnh nhân mợt cách an tồn thích hợp cho mợt thời gian dài thể người vật liệu y sinh nhân tạo phải có đặc điểm: khả tương thích sinh học, chống ăn mịn cao, tính chất học thích hợp, chịu mài mịn cao [31] Tuy nhiên, tùy thuộc vào ứng dụng, vật liệu cần đạt yêu cầu khác Đôi khi, u cầu ngược hồn tồn Các tính chất học một số vật liệu y sinh nhân tạo Mô đun đàn hồi Young E, tỉ số Poisson 𝑣 đợ nhám trung bình Ra thể bảng sau [13,23,26]: Bảng 1.1 Mô đun đàn hồi, tỉ số Poisson độ nhám bề mặt vật liệu y sinh dùng khớp háng nhân tạo Vật liệu y sinh Mô đun đàn hồi Tỉ số Poisson nhân tạo E (GPa) 𝒗 Độ nhám trung bình Ra (𝛍𝐦) 0.4 0.1 – 2.5 CoCrMo 230 0.3 0.01 – 0.05 Hợp kim Titan 116 0.25 0.01 – 0.05 Gốm y sinh 380 0.3 0.001 UHMWPE 1.3.3.1 Nhựa Polyethylene có trọng lượng phân tử siêu cao Vật liệu y sinh nhân tạo nhựa Polyethylene có trọng lượng phân tử siêu cao (Ultra High Molecular Weight Polyethylene – UHMWPE, hình 1.11) với mật đợ phân tử đạt tới 3.0-9.2 triệu phân tử [32] UHMWPE một nhựa Polyethylene có đặc tính học lý bật chịu mài mòn, khả chịu lực chống ăn mòn tốt… Đáng ý nhất có hệ số ma sát thấp, khơng gây đợc thể người, độ bền cao chống va đập sử dụng nhiều y học nhằm thay cho xương, khớp, gân… [27] Với phát triển y khoa ln địi hỏi phải có giải pháp cải tiến, tiến kiệm chi phí chất lượng đáng tin cậy UHMWPE vật liệu nhựa Polyethylene có nguồn gốc từ thiên nhiên nhân tạo sử dụng y học với mục đích điều trị, thay quan hay chức 15 Hình 1.11 Nhựa UHMWPE sử dụng khớp háng nhân tạo UHMWPE lần đầu sử dụng vào năm 1962 ngành chỉnh hình khớp nhân tạo, chỏm làm vật liệu UHMWPE Cho đến nay, UHMWPE không ngừng nghiên cứu, phát triển ứng dụng lâm sàng y học [33] 1.3.3.2 Hợp kim Cobalt-Chrome-Molypden Những năm đầu kỷ XX, nhà khoa học chế tạo thành cơng hợp kim CobaltChrome-Molypden (CoCrMo, hình 1.12) áp dụng vào ngành chấn thương chỉnh hình có hai tính rất quan trọng đợ bền cao chống mịn tốt Austin Moore thay chỏm xương đùi vật liệu CoCrMo vào năm 1950 [31] Sau đó, ứng dụng nhiều vào phẫu thuật sử dụng CoCrMo phẫu thuật khớp thực Hình 1.12 Vật liệu CoCrMo sử dụng khớp háng nhân tạo 16 CoCrMo loại hợp kim cobalt (Co), chrome (Cr) molypden (Mo) với một số kim loại khác như: wolfram (W), gali (Ga), silic (Si), mangan (Mn), nhôm (Al) Hợp kim CoCrMo dùng nhiều để thay loại thép ngành y học, đặc biệt vật liệu có đợ cứng, đợ bóng cao chịu ăn mịn cực tốt với thay khớp người CoCrMo ứng dụng nhiều y học phẫu thuật cấy ghép khớp gối, khớp háng giả với khả tương thích sinh học cao 1.3.3.3 Hợp kim Titan Titan nguyên tố kim loại William Gregor tìm lần Anh vào năm 1790 không ngừng nghiên cứu phát triển [27] Cho đến nay, Titan hợp kim Titan (Ti-6Al-4V) sử dụng nhiều y học để thay một số bộ phận thể người (hình 1.13) như: làm giả, thay khớp… [27,34] Hình 1.13 Vật liệu titan sử dụng khớp háng nhân tạo Với đặc tính tuyệt vời có đợ bền cao, mơ đun đàn hồi thấp, có trọng lượng nhẹ (4.51 g/cm3), khả tương thích rất cao mơi trường sinh học người… [27] Ti-6Al-4V hợp kim Titan sử dụng nhiều có đặc tính chống ăn mịn rất tốt với thành phần hóa học thể bảng 1.2 bao gồm: nhôm (Al), vanadi (V), carbon (C), sắt (Fe), oxi (O2), nitro (N2) titan (Ti) Bảng 1.2 Thành phần hóa học Ti-6Al-4V Al V C Fe O2 N2 Ti 5.5 – 6.75% 3.5-4.5% ≤ 0.1% ≤ 0.3% ≤ 0.02% ≤ 0.05% Còn lại 17 Tuy việc chế tạo gia công nước ta chưa đáp ứng yêu cầu, vật liệu hợp kim Titan dùng công nghiệp y học phải nhập từ nước ngoài, giá thành cao Theo thống kế số lượng Vụ Trang thiết bị y tế - Bợ Y tế, năm có khoản 100.000 chi tiết nhập khẩu, số lượng nhập năm tăng Giá dao động từ vài triệu đồng đến vài trăm triệu đồng tùy loại chi tiết nhập từ nước: Mỹ, Đức, Nhật, Trung Quốc… [34] 1.3.3.4 Gốm y sinh Gốm y sinh loại vật liệu với đặc tính cao cấp với khả chịu lực khả tương thích sinh học cực cao nên ứng dụng thể người từ rất sớm Năm 1920, Albee ứng dụng thành công gốm y sinh thể người Đến nay, gốm y sinh ứng dụng rộng rãi phát triển mạnh mẽ nhiều lĩnh vực Gốm y sinh ứng dụng nhiều nhất y học như: canxi photphat (Ca3(PO4)2), nhôm oxit (Al203), kẽm oxit (ZnO), Tetragonal Zirconia Polycrystal (TZP)… hợp chất có tính tương thích sinh học tốt nhất [26] Với mục đích khơng ngừng nâng cao chất lượng c̣c sống, vật liệu gốm y sinh nhà vật liệu học chuyên gia lĩnh vực y học quan tâm nghiên cứu Gốm y sinh sử dụng y học sử dụng y học nhằm thay bộ phận xương bị chấn thương hay bệnh lý thể người mà khơng có khả phục hồi Gốm y sinh thường ứng dụng nha khoa phẫu thuật cấy ghép khớp nhân tạo (hình 1.14) Hình 1.14 Gốm y sinh sử dụng khớp háng nhân tạo 18 Các vật liệu gốm y sinh nhân tạo gốm thường sử dụng cho khớp yêu cầu độ cứng, khả chống ăn mòn cao khả chịu mài mịn tốt Gốm y sinh có đặc tính tương thích sinh học cao so với loại vật liệu y sinh truyền thống như: UHMWPE, CoCrMo Ti-6Al-4V giá thành gốm y sinh rất cao làm ảnh hưởng đến việc sử dụng vật liệu 19 CHƯƠNG 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Tổng quan ma sát 2.1.1 Khái niệm ma sát Ma sát tượng xảy có chuyển động tương đối vùng tiếp xúc hai vật thể rắn tác dụng tải trọng Trong vật lý học, ma sát một loại lực cản xuất bề mặt vật chất, chống lại xu hướng thay đổi vị trí tương đối hai bề mặt Lực ma sát đại lượng vật lý đặc trưng trình ma sát Lực ma sát lực cản trở chuyển động tương đối vật rắn có chiều ngược chiều chuyển đợng x́t vùng tiếp xúc Ma sát định nghĩa lần đầu vào kỷ 15 Leonardo Da Vinci sau phát triển bổ xung Amontons Coulomb vào năm 1785 với ba định luật ma sát a) Lực ma sát (Fms) tỷ lệ thuận với lực tác động (FN) b) Lực ma sát không phụ tḥc vào diện tích tiếp xúc danh nghĩa c) Lực ma sát không phụ thuộc vào tốc độ trượt Độ lớn lực ma sát xác định theo khoảng dịch chuyển vật rắn theo phương tiếp tuyến với lực tác đợng vị trí tiếp xúc hai bề mặt (hình 2.1) Hình 2.1 Lực ma sát tác dụng lên một vật nằm mặt phẳng ngang Dựa vào khoảng dịch chuyển ta có: lực ma sát tĩnh lực ma sát động Lực ma sát tĩnh dịch chuyển từ trạng thái dịch chuyển ban đầu sang trạng thái trượt Lực ma sát động lực ma sát x́t q trình có chuyển đợng tương đối vùng tiếp xúc 20 2.1.2 Hệ số ma sát Hệ số ma sát tham số sử dụng nhằm mô tả ma sát cặp vật liệu, phụ tḥc vào đặc tính lý, vật lý hóa học hai bề mặt vật liệu [11] Hệ số ma sát (µ) mợt đại lượng khơng có đơn vị, tỉ số lực ma sát (Fms) với lực tác động (FN), biểu diễn theo công thức 2.1: 𝜇= 𝐹𝑚𝑠 𝐹𝑁 (2.1) Hệ số ma sát phụ thuộc vào vật liệu hai bề mặt tiếp xúc trạng thái bề mặt tiếp xúc Hệ số ma sát một đại lượng mang tính thực nghiệm, xác định q trình thí nghiệm 2.1.3 Bơi trơn khớp nhân tạo Bề mặt kim loại cho dù gia công máy đại nhất, có dịch chuyển tiếp xúc hai bề mặt, lực ma sát xuất làm cản trở dịch chuyển làm bề mặt tiếp xúc nóng lên Lực ma sát nhiệt sinh gây mài mòn gây hư hổng cho chi tiết Bôi trơn (Lubrication) biện pháp đưa dung dịch bôi trơn vào vùng ma sát nhằm làm giảm ma sát mòn bảo vệ bề mặt làm việc giúp chi tiết hoạt động dễ dàng hơn, đảm báo tính truyền dẫn, giảm mất mát lượng học, giảm sinh nhiệt chống rung tốt Chế độ bôi trơn chia thành ba loại: bôi trơn ướt (Fluid Film Lubrication), bôi trơn ướt (Boundary Lubrication), bôi trơn hỗn hợp (Mixed Lubrication) [35] Với chế độ bôi trơn ướt, hai bề mặt vật liệu chuyển đợng tương khơng có tiếp xúc tách hoàn toàn dung dịch bôi trơn Bôi trơn ướt dạng bôi trơn mà hai bề mặt cặp vật liệu ngăn cách không liên tục một lớp dung dịch bôi trơn, mà chủ yếu nhờ độ nhớt dung dịch để bôi trơn Bôi trơn hỗn hợp trung gian hai chế độ bôi trơn ướt bôi trơn ướt, bề dày lớp dung dịch tương đương với độ lồi lõm bề mặt cặp vật liệu nên khơng ngăn cách hồn tồn Các chế đợ bơi trơn biểu 21 diễn sơ đồ đường cong Stribeck (hình 2.2), thể mối quan hệ hệ số ma sát với tốc đợ dịch chuyển Hình 2.2 Đường cong Stribeck [35] Dung dịch bôi trơn ứng dụng y học đóng vai trị quan trọng việc bơi trơn tất cả khớp nhân tạo [11] Bôi trơn khớp háng nhân tạo rất quan trọng thể người làm giảm ma sát mài mòn, kéo dài tuổi thọ khớp háng nhân tạo Trong khớp tự nhiên, dịch khớp với sụn khớp tạo nên đặc tính bơi trơn tuyệt vời, có chức bơi trơn giảm xóc cho khớp vận đợng [36] Dịch khớp có bốn thành phần bao gồm: hyaluronic acid (HA), huyết (Albumin), phospholipid γ–globulin [36] HA xuất một cách tự nhiên khắp thể người, đặc biệt cần thiết cho bôi trơn sụn khớp HA với nồng độ từ 3.0 đến 4.0 mg/ml dịch khớp người giúp trì đợ nhớt dịch khớp làm cho khớp hoạt động dễ dàng chịu tải trọng [37] Ở khớp thối hóa, nồng đợ HA giảm làm giảm khả nuôi dưỡng sụn khớp độ nhớt dịch khớp giảm theo làm hạn chế khả hoạt động khớp Phospholipid một lipid tế bào dịch khớp người với nồng đợ từ 0.1 đến 0.2 mg/ml [37] Phospholipid có vai trị quan trọng mợt chất bơi trơn khớp với đặc tính hấp thụ lipid khác Với γ–globulin một loại globulin khớp tự nhiên với nồng độ 1.0 đến 4.2 mg/ml, γ– globulin yếu tố miễn dịch có vai trị bảo vệ thể [37] Huyết có nồng đợ 22 protein dịch khớp thể người khoảng từ 5.5 đến 50 mg/ml [38] Trong nghiên cứu, huyết bò (Bovine Serum Albumin – BSA) sử dụng thay cho huyết người mợt protein lấy từ bị, đóng vai trò quan trọng việc cải thiện hệ số ma sát chế độ bôi trơn Một chất bôi trơn khác sử dụng cho việc bơi trơn khớp háng nhân tạo dung dịch muối đệm phosphate (Phosphat Buffer Saline – PBS), một dung dịch đệm sử dụng phổ biến nghiên cứu vật liệu y sinh nhân tạo Nồng độ protein chất bơi trơn có tác đợng mạnh mẽ lên ma sát mòn cặp vật liệu sử dụng khớp nhân tạo [3] Trong thực tế, nồng độ protein khác thay đổi một phạm vi rộng, nồng đợ protein chất bơi trơn có ảnh hưởng lớn đến ma sát mòn cặp vật liệu y sinh nhân tạo sử dụng khớp háng nhân tạo [28] Nồng độ protein dung dịch bơi trơn có tác dụng làm cho bề mặt vật liệu y sinh nhân tạo dễ dàng hấp thụ tạo nên một lớp màng mỏng giúp khớp hoạt động dễ dàng hơn, làm mát bề mặt tiếp xúc từ đo làm giảm hệ số ma sát cặp vật liệu y sinh nhân tạo [18] Trong trình hoạt động khớp háng nhân tạo, bề mặt tiếp xúc chi tiết chịu tác động lực ma sát Chi tiết ma sát bị mài mòn hạt mài sinh gây nguy hiểm cho người Đối với khớp háng nhân tạo, ma sát đóng mợt vai trị rất quan trọng việc truyền tải từ khớp háng nhân tạo đến xương, ma sát thấp bề mặt khớp làm giảm bớt sức ép lên bộ phận cố định cố định, cử đợng dễ dàng 2.2 Phương pháp đo ma sát Thiết bị đo ma sát (Tribometer) một thiết bị sử dụng để đo ma sát mòn hai bề mặt vật liệu tiếp xúc chuyển động tương Thử nghiệm thực điều kiện mơi trường, thiết bị khác để kiểm tra tinh xác bề mặt ma sát Có nhiều thiết bị kiểm tra tính chất ma sát bề mặt cặp vật liệu tiếp xúc, thiết bị giúp tính tốn hệ số ma sát dựa nguyên lý mặt phẳng nghiêng nguyên lý lực kéo trượt bề mặt phẳng ngang [17] 23 Nhưng bản nhất mơ hình thiết bị đo ma sát với bề mặt trượt bề mặt vật liệu khác Việc kiểm tra đánh giá chất lượng tính chất lớp bề mặt đóng vai trị quan trọng, đặc biệt đánh giá ảnh hưởng độ nhám bề mặt đặc tính ma sát bề mặt vật liệu Dựa vào tính chất ma sát với phát triển khoa học công nghệ, thiết bị sử dụng xác định hệ số ma sát nghiên cứu rộng rãi có nhiều bước cải tiến rõ rệt Thiết bị đánh giá hệ số ma sát mòn vật liệu y sinh nhân tạo sử dụng phịng thí nghiệm bao gồm: Pin-on-Disc, Pin-on-Plate, Hip Simulator thiết bị đo ma sát tỉ lệ micro/nano 2.2.1 Thiết bị Pin-on-Disc Thiết bị Pin-on-Disc (hình 2.3) dùng để mơ phỏng, đánh giá đặc tính ma sát – mòn ứng dụng trung tâm nghiên cứu đào tạo liên quan đến ngành Cơ khí, Cơng nghệ vật liệu Y học Hình 2.3 Thiết bị đo ma sát dạng Pin-on-Disc Thiết bị hoạt đợng dựa ngun lý tính tốn ma sát tiếp xúc đĩa quay với bề mặt chi tiết chốt thí nghiệm với điều kiện ma sát khơng có sử dụng dung dịch bơi trơn (khơ) ma sát có sử dụng dung dịch bôi trơn mô tả hình 2.4: 24 Hình 2.4 Phương pháp đo ma sát dạng Pin-on-Disc Kết quả thí nghiệm từ mơ hình đáp ứng với đợ tin cậy cao với nguyên lý đo hệ số ma sát hoạt động đơn giản thay đổi thông số đầu vào độ nhám bề mặt cặp vật liệu, lực tác đợng lên bề mặt tiếp xúc thí nghiệm điều kiện đo ma sát khô đo ma sát có sử dụng dung dịch bơi trơn để kiểm tra lực ma sát bề mặt chốt tiếp xúc với bề mặt đĩa Lực ma sát đo cảm biến mơmen lực, từ thu liệu đa dạng đối tượng cần nghiên cứu [17] Hầu hết hoạt động nghiên cứu liên quan đến đánh giá đặc tính ma sát – mịn vật liệu thiết bị Pin-on-Disc 2.2.2 Thiết bị Pin-on-Plate Thiết bị Pin-on-Plate (hình 2.5) thiết bị Pin-on-Disc một phương pháp đơn giản để đánh giá thông số ma sát vật liệu với tốc đợ trượt [20] Hình 2.5 Thiết bị đo ma sát dạng Pin-on-Plate 25 Thiết bị đánh giá mài mịn hai vật liệu tiếp xúc với tốc đợ trượt tải tương ứng với chuyển động tịnh tiến qua lại Với vật liệu chốt (Pin) tấm (Plate) thiết kế đơn giản, hoạt động theo nguyên lý trượt hai bề mặt vật liệu thể cụ thể hình 2.6 bên dưới: Hình 2.6 Phương pháp đo ma sát dạng Pin-on-Plate 2.2.3 Hip Simulator Hip Simulator (hình 2.7) thiết bị thiết kế để mơ xác chuyển đợng, tải trọng môi trường khớp háng tự nhiên qua trình hoạt đợng ngày người Thiết bị hoạt động với tốc độ gần chu kỳ bợ bình thường khớp háng tự nhiên Hip Simulator mơ hình thiết bị sử dụng phương pháp mơ giả lặp cho phép nhà nghiên cứu, nhà sản xuất chuyên gia ngành đánh giá hiệu suất ma sát mòn cặp vật liệu nhân tạo dùng khớp háng nhân tạo Hình 2.7 Thiết bị Hip Simulator giả lặp khớp háng 26 Từ việc mô giả lập chuyển động giống chuyển động thật khớp tự nhiên, giúp tối ưu hóa cải tiến thiết kế khớp nhân tạo trước sản xuất với quy mô lớn phẫu thuật cấy ghép 2.2.4 Thiết bị đo ma sát tỉ lệ micro/nano Nghiên cứu ma sát cấp độ phân tử (tỉ lệ micro/nano) thường thực kính hiển vi lực nguyên tử (Atomic Force Microscope – AFM) AFM một kỹ thuật đo quan sát cấu trúc vi mô bề mặt vật rắn kính hiển vi dựa nguyên tắc xác định lực tương tác nguyên tử đầu dò nhọn với bề mặt mẫu tỉ lệ micro/nano hình 2.8 Hình 2.8 Sơ đồ chế làm việc kính hiển vi lực nguyên tử Thiết bị đo ma sát tỉ lệ micro/nano phát triển vào năm 1986 [39], AFM nhằm khắc phục hạn chế việc nghiên cứu vật liệu y sinh thiết bị Pin-onDisc, Pin-on-Plate Hip Simulator, AFM đo mẫu cấp độ nano, không làm vỡ bề mặt vật liệu mẫu đo với tải rất nhỏ [11] Hình 2.9 Kính hiển vi nguyên tử lực AFM 27 Phương pháp phát triển có nhiều đóng góp quan trọng cho việc nghiên cứu vật liệu y sinh nhân tạo [11] AFM hạn chế việc sử dụng do: quét ảnh một diện tích hẹp, tốc đọ ghi ảnh chậm, chất lượng ảnh phụ tḥc vào đầu dị, giá thành rất cao đặc biệt có cơng nghệ chế tạo phức tạp 28 CHƯƠNG 3.1 CHẾ TẠO MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM ĐO MA SÁT DẠNG PIN-ON-DISC Mơ hình thí nghiệm đo ma sát Pin-on-Disc 3.1.1 Lựa chọn mơ hình thí nghiệm Thiết bị đánh giá ma sát dạng Pin-on-Disc thiết bị đánh giá hệ số ma sát vật liệu bề mặt gia công theo phương pháp khác dạng chốt đĩa Hiện nay, thiết bị đánh giá ma sát dạng Pin-on-Disc chế tạo giới rất nhiều bán với giá rất cao tới hàng trăm ngàn USD [40] Thiết bị đánh giá đặc tính ma sát trang bị Việt Nam rất hạn chế Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Học viện Kỹ thuật Quân [40] Do thiết bị có giá thành rất cao, hạn chế nơi trang bị thiết bị thí nghiệm hồn chỉnh với ngun lý hoạt đợng đơn giản nên tác giả xây dựng chế tạo mơ hình thí nghiệm dạng Pin-on-Disc sử dụng nghiên cứu để kiểm tra ảnh hưởng độ nhám bề mặt, ảnh hưởng điều kiện đo ma sát khơng có dung dịch bơi trơn (khơ) có sử dụng dung dịch bôi trơn ảnh hưởng lực tác động đến hệ số ma sát cặp vật liệu y sinh CoCrMo sử dụng cho chốt UHMWPE sử dụng cho đĩa Mơ hình chế tạo có cấu tạo nguyên lý vận hành đơn giản, đáp ứng yêu cầu đánh giá đặc tính ma sát bề mặt vật liệu y sinh nhân tạo Mẫu chốt đĩa thay dễ dàng chế tạo từ loại vật liệu khác 3.1.2 Nguyên lý đo mơ hình thí nghiệm đo má sát dạng Pin-on-Disc Theo yêu cầu đề tài đưa tác giả tiến hành xây dựng thiết bị đo ma sát dạng Pinon-Disc theo nguyên lý tiếp xúc trượt hai bề mặt vật liệu chốt (Pin) đĩa xoay (Disc) hình 3.1 bên dưới: 29 ... nhám bề mặt đến đặc tính ma sát cặp vật liệu y sinh CoCrMo- UHMWPE khớp háng nhân tạo toàn phần? ?? nhằm cung cấp liệu độ nhám bề mặt, hệ số ma sát đặc tính học mợt số vật liệu y sinh nhân tạo, ... việc nghiên cứu chế tạo vật liệu y sinh dùng khớp háng nhân tạo toàn phần Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: vật liệu y sinh nhân tạo CoCrMo- UHMWPE dùng khớp háng nhân tạo toàn phần. .. chuyên ngành: 60520103 I TÊN ĐỀ TÀI: ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng độ nhám bề mặt đến đặc tính ma sát cặp vật liệu y sinh CoCrMo- UHMWPE khớp háng nhân tạo toàn phần? ?? NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu