髖關節假體疲勞試驗中固定介質的性能研究

牛冬子，陳艷梅，蘇 健

(北京市醫療器械檢驗所 材料二室，北京101111)

髖關節假體疲勞試驗中固定介質的性能研究

牛冬子，陳艷梅，蘇 健

(北京市醫療器械檢驗所 材料二室，北京101111)

在髖關節假體疲勞試驗中，股骨柄和股骨頭能否牢固固定對整個疲勞試驗進行起著決定性作用，為了降低試驗成本，滿足標準中對股骨柄固定介質的物理性能要求，本研究選擇E51環氧樹脂和T31環氧樹脂固定劑進行充分混合后形成的固化成品作為固定介質，研究不同固化配比和不同固化溫度對固定介質彈性模量的影響。

試驗結果表明：在E51和T31的質量配比為4:1的條件下，室溫(20～25℃)固化24h后繼續在50℃固化24h得到的彈成品性模量最高為4.05GPa，符合標準中規定的固定介質的彈性模量為3～6GPa。最終，確定股骨柄固定介質為質量配比4∶1的E51和T31環氧樹脂固化系，固化過程為室溫(20～25℃)固化24h后繼續50℃固化24h。

髖關節假體；疲勞試驗；固定介質；彈性模量

1 研究的背景和目的

20世紀50年代以來，臨床上骨水泥型髖關節假體與骨髓腔的固定材料一直都是聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethylmet hycyylate, PMMA)骨水泥。經過不斷地研發相繼出現多種配方改良的骨水泥，降低松動發生率，臨床效果都比較好。當然，我們在進行體外模擬疲勞試驗時，髖關節最好的固定方式應該是臨床應用的骨水泥。

本文以完成髖關節假體疲勞試驗為目標，以完善髖關節假體固定裝置為主要任務。根據標準確認髖關節疲勞試驗中需要完善的股骨柄固定介質的選擇。標準中對于固定介質的要求是“在測試過程中受力時不破裂；不出現過度的變形或蠕變；在強度和其他特性上再現性好；彈性模量在3～6GPa的澆注介質”，并沒有限定是哪一種材料。

基于以上考慮，既要降低試驗成本，又要滿足標準中對于澆注介質的物理性能要求，我們選擇了環氧樹脂固化體系作為疲勞試驗股骨柄的固定介質。若本研究能夠順利成功，將大大降低試驗成本，最終必將促進關節疲勞試驗研究的發展。

2 試驗材料和樣品制備

環氧樹脂固化系(epoxy resin adhesive)一般是指以環氧樹脂(分子式見圖2)為主體所制得的膠粘劑，該固化系還包括環氧樹脂固化劑，否則這個膠就不會固化。環氧樹脂是開發最早、應用最廣的樹脂，雙酚A二縮水甘油醚環氧樹脂是熱固性樹脂中的主導產品。其中E51型環氧樹脂是雙酚A型環氧樹脂中的一種，它具有很高的強度和粘接強度、一定的韌性和耐熱性，廣泛用作粘接劑、無溶劑涂料、自流平地平料、澆注料等。固化劑選用酚醛胺環氧樹脂固化劑(T31)，是一種比較理想的常溫固化劑，因其分子量不大、粘度低、與環氧樹脂的混溶性好、固化速度快，是目前國內用量最大的固化劑品種，屬于無毒等級的精細化工產品。

圖1 環氧樹脂分子式

E51環氧樹脂和T31固化劑采用以下兩種固化過程分別研究不同質量配比和不同固化溫度對固化成品彈性模量的影響。

(1)E51與T31的質量配比選擇2∶1、3∶1、4∶1、5∶1，固化時間選擇室溫(20～25℃)固化24h后繼續37℃固化24h，用于研究不同配比對其彈性模量的影響。

(2)E51與T31的配比選擇4∶1，固化時間選擇室溫(20～25℃)固化24h后繼續不同環境溫度(室溫(20～25℃)、37℃、50℃)固化24h，用于研究不同固化溫度對其彈性模量的影響。

3 結果分析

(1) E51與T31的質量配比對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)反應而得到的改性胺類產品，在降低傳統胺類固化劑的揮發性和毒性的同時，也使得它與環氧樹脂的配比要求不嚴格了，在一定配比范圍內均能達到固化性能良好的要求。因此在不同行業內不同要求的應用中，環氧樹脂和固化劑的配比是不同的。而我們研究的目的是要尋找合適的配比使最終環氧樹脂膠的彈性模量達到標準中要求的3～6GPa。

E51與T31的不同質量配條件下得到的固化樣品的彈性模量見表2所示。可以看出，E51與T31的質量配比在2∶1和5∶1之間時樣品的彈性模量均在3GPa之上，而且E51與T31的質量配比小于等于4∶1時，隨著配比的增大，成品的彈性模量小幅度增加。但是當E51與T31的質量配比為5∶1時，樣品的彈性模量卻稍有下降。E51型環氧樹脂的固化原理在于環氧樹脂的結構中有羥基(>CH-OH)、醚基(-O-)和極為活潑的環氧基存在。環氧樹脂在未固化前是呈熱塑性的線型結構，加入固化劑后，固化劑中的活潑氫原子便與環氧樹脂的環氧基反應，變成網狀結構的大分子 ，成為不溶且不熔的熱固性成品。隨著固化劑含量的增多，環氧樹脂得到充分的反應，形成大量的網狀結構大分子，結構均勻，固化成品的彈性模量增大。當固化劑含量過多，超過充分反應的量值后，固化成品中就會混有多余的固化劑，也會影響到固化成品的彈性模量。

表2 E51與T31的不同質量配比下的固化成品的彈性模量

(2) 固化溫度對固化成品彈性模量的影響

環氧樹脂固化劑種類較多，按照固化溫度可以分為高溫(>100℃)、中溫(50～100℃)、室溫(室溫～50℃)和低溫(室溫以下)。而不同固化溫度又直接影響環氧樹脂的固化時間。作為環氧樹脂最早的固化劑多胺類固化劑反應劇烈放熱，室溫固化7天左右，固化性能一般。而改進后的多胺固化劑在25℃下24h內就能充分固化，固化7d其性能才能達到最高值，但是，若能在25℃固化24h后繼續在適當高溫下固化，既可縮短固化時間，同時又能提高固化性能。

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，選擇相同固化配比和相同固化時間條件下，研究不同固化溫度對成品彈性模量的影響。E51環氧樹脂與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，只有0.42GPa，見表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℃環境中繼續固化24h，得到的固化成品的彈性模量值顯著提高，分別是3.90 GPa和4.05GPa，見表3所示。顯然，在相同固化時間下提高固化溫度能夠提高固化成品的彈性模量，能夠滿足標準中對髖關節假體進行固定的要求。

表3 不同固化溫度下固化成品的彈性模量

5 結論

推薦性行業標準YY/T 0809.4對髖關節疲勞試驗樣品固定方式僅進行了指導性描述，規定股骨柄樣品固定調整參數(股骨柄偏離加載線的角度、股骨頭至嵌入介質上表面的高度)，并未規定股骨柄的固定介質選擇和股骨頭的固定方式。

固化過程為室溫(20～25℃)固化24h后繼續50℃固化24h，質量配比為4∶1的E51環氧樹脂和T31環氧樹脂固定劑經充分混合后得到的固化成品的彈性模量為4.05GPa，符合YY/T 0809.4中對股骨柄固定介質彈性模量的要求。確定股骨柄固定介質為質量配比4∶1的E51和T31環氧樹脂固化系，固化過程為室溫(20～25℃)固化24h后繼續50℃固化24h。

本試驗中以環氧樹脂固化體系作為疲勞試驗股骨柄的固定介質極大降低了試驗成本且澆注過程簡單易操作，澆注介質的物理性能滿足標準中要求，為髖關節疲勞試驗奠定了堅實的基礎。

[1]袁啟明.全人工髖關節置換系統.上海生物醫學工程，2004，25(3)：38-43.

[2] 周其鳳，范星河，謝曉峰.耐高溫聚合物及其復合材料合成-合成，應用與進展.

[3] 周繼亮，涂偉萍，夏正斌.水性環氧固化劑的合成及性能.化工新型材料，2005，33(2)：25-28.

[4] 于平，張國亮，張連紅，梁紅玉.室溫快固化環氧樹脂固化劑研究進展.當代化工，2012，41(2)：173-176.

[5] 汪水平，汪國慶，翁睿.環氧樹脂柔性固化劑的合成.廣東建材，2010，10(1)：10-12.

2013-11-19

R681.6

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1002-2376(2014)04-0032-02