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-on-UHMWPE 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 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 1.2.1 Tổng quan khớp tự nhiên 1.2.2 Sụn khớp (Articular Cartilage) 1.2.3 Chuyển động khớp háng 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 Mô hình thí nghiệm đo ma sát Pin-on-Disc 29 3.1.1 Lựa chọn mô hình thí nghiệm .29 3.1.2 Nguyên lý đo mô 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 Mơ hình thí nghiệm hoàn 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