碳化硅-碳复合材料用于小关节假体：生物力学研究及三维有限元分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.16.007

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (16): 2333-2339.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.16.007

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碳化硅-碳复合材料用于小关节假体：生物力学研究及三维有限元分析

杨永超¹，谈清²，杨萃³，陆芸⁴

1天津医科大学研究生院，天津市 300070；2湘西土家族苗族自治州人民医院骨外科，湖南省吉首市 416000；天津市泰达医院，3科教科，4骨外科，天津市 300457

收稿日期:2016-03-06 出版日期:2016-04-15 发布日期:2016-04-15
通讯作者: 陆芸，主任医师，院长，天津市泰达医院科教科骨外科，天津市 300457
作者简介:杨永超，男，1988年生，山东省泰安市人，天津医科大学骨外科在读硕士，主要从事手显微外科研究。
基金资助:
天津市科技计划项目(12ZCZDSY02800)；滨海新区卫生局医药卫生科技项目(2011BHKL003)

Silicon carbide-carbon composites for small joint prosthesis: a three-dimensional finite element model for biomechanical study

Yang Yong-chao¹, Tan Qing², Yang Cui³, Lu Yun⁴

1Graduate School of Tianjin Medical University, Tianjin 300070, China; 2Department of Orthopedics, Xiangxi Tujia and Miao Autonomous Prefecture People's Hospital, Jishou 416000, Hunan Province, China; 3Department of Science and Technology, 4Department of Orthopedics, Tianjin TEDA Hospital, Tianjin 300457, China

Received:2016-03-06 Online:2016-04-15 Published:2016-04-15
Contact: Lu Yun, Chief physician, Department of Orthopedics, Tianjin TEDA Hospital, Tianjin 300457, China
About author:Yang Yong-chao, Studying for master’s degree, Graduate School of Tianjin Medical University, Tianjin 300070, China
Supported by:
Tianjin Science and Technology Project, No. 12ZCZDSY02800; Medical Science and Technology Project of Binhai District Health Bureau, No. 2011BHKL003

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：
碳化硅-碳复合材料：是利用化学气相渗透法在碳/碳复合材料表面进行碳化硅改性后制成的新型复合材料，具有更高的比强度及比模量、极佳的机械性能，无免疫排斥反应，具有良好的生物相容性，是小关节假体的最佳材质。
碳化硅-碳复合材料的性能：碳/碳复合材料因本身性质的疏松性决定了有一定的气孔率，进行碳化硅改性处理后，改变了碳基质表面的微观结构和纤维-基质结合方式，增加了传统碳/碳复合材料的密度，使得其表面更加致密，因而增加了它的抗弯抗压特性；同时保留了部分气孔率，因此保留了碳/碳复合材料原有的假塑性特性，可有效缓冲突然暴力所造成的强大冲击力，避免小关节假体材料的断裂、破坏。碳化硅涂层表面致密且光滑，因此有更小的摩擦系数，降低了小关节间因摩擦造成的磨损消耗，改进了传统碳/碳复合材料的不足，在力学方面更加符合小关节假体的要求。

背景：碳化硅-碳复合材料应用广泛，但其在医学假体材料领域无相关实验研究，效果尚不明确。
目的：探究新型碳化硅-碳复合材料的力学性能，采用三维有限元分析法模拟小关节的受力情况，论证其作为人工小关节假体替代材料的可行性。
方法：将规定尺寸的碳化硅-碳复合材料与传统碳/碳复合材料放置于电子万能试验机中，测定并计算材料的压缩弹性模量、抗压缩强度、最大抗压缩力、弯曲弹性模量、抗弯强度及最大抗弯力，随后测定并计算材料的摩擦系数、磨损体积和质量磨损率。应用三维有限元分析法，将第三掌骨有限元模型分别定义碳/碳复合材料及碳化硅-碳复合材料单元类型后，给予轴向200 N的作用力，分析其总位移及节点应力情况。
结果与结论：碳化硅-碳复合材料的压缩弹性模量、抗压缩强度、最大抗压缩力、弯曲弹性模量、抗弯强度及最大抗弯力高于碳/碳复合材料(P < 0.05)，摩擦系数、磨损体积和质量磨损率、最大节点应力及最大总位移低于碳/碳复合材料(P < 0.05)。结果说明，碳化硅-碳复合材料具有良好的力学性能、抗磨损性能，抗压缩形变及抗应力作用。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程
ORCID:0000-0002-3006-9100(陆芸)

关键词: 生物材料, 骨生物材料, 碳, 有限元分析, 骨和骨组织, 图像处理, 计算机辅助, 成像, 三维, 材料试验, 力学, 生物假体, 生物力学, 关节内骨折

Abstract:

BACKGROUND: Silicon carbide-carbon (C/C-SiC) composite materials are widely used, but no relevant experimental studies on medical prosthesis materials have been reported.

OBJECTIVE: To demonstrate the feasibility of C/C-SiC composite materials as a substitute for facet joint prosthesis based on the biomechanical research and three-dimensional finite element analysis.

METHODS: The predetermined size C/C-SiC composites and traditional carbon/carbon(C/C) composite materials were placed in an electronic universal testing machine, to measure and calculate material compressive elastic modulus, compressive strength, maximal anticompression force, flexural modulus, bending strength and maximal antibending force. Afterwards friction coefficient, wear volume and weight wear rate were measured. Using three-dimensional finite element analysis, finite element models of the third metacarpal bone were defined as C/C and C/C-SiC composite element types, respectively. 200 N axial force was applied to analyze the total displacement and node stress.

RESULTS AND CONCLUSION: Compressive elastic modulus, compressive strength，maximal anticompression force, flexural modulus, bending strength and maximal antibending force of C/C-SiC composites were significantly higher than those of the C/C materials (P < 0.05); friction coefficient, wear volume, weight wear rate, total displacement as well as node stress of C/C-SiC composites were significantly lower than those of C/C materials (P < 0.05). These results prove that C/C-SiC composite has favorable mechanical properties, antiwear ability, compression resistance and stress resistance.
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

Key words: Finger Injuries, Fractures, Bone, Hand Injuries, Bone Substitutes, Arthroplasty, Replacement, Finger, Joint Prosthesis, Tissue Engineering

杨永超，谈清，杨萃，陆芸. 碳化硅-碳复合材料用于小关节假体：生物力学研究及三维有限元分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(16): 2333-2339.

Yang Yong-chao, Tan Qing, Yang Cui, Lu Yun. Silicon carbide-carbon composites for small joint prosthesis: a three-dimensional finite element model for biomechanical study[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(16): 2333-2339.

图/表（结果） 9

2.1 压缩强度如表2所示，碳化硅-碳复合材料的压缩弹性模量、抗压缩强度及最大抗压缩力均明显优于碳/碳复合材料组(P < 0.05)，说明碳化硅-碳复合材料的抗压缩性能优于碳/碳复合材料。由图1可以看出，两种材料在达到最大抗压缩力前，碳化硅-碳复合材料的压缩稳定性优于普通碳/碳复合材料。因两种材料在达到最大抗压缩力后，线性关系呈滑坡状下降，而不是呈峰状迅速下降，说明两组材料在达到最大压缩负荷后均有一个缓冲面，这属于材料的假塑性特性，碳化硅-碳复合材料的下降坡度更为和缓，说明其假塑性特性要优于碳/碳复合材料，具有更好的应对压缩的特性。

2.2 抗弯强度碳化硅-碳复合材料的弯曲弹性模量、抗弯强度及最大抗弯力均明显优于碳/碳复合材料近2倍(P < 0.05)，说明碳化硅-碳复合材料的抗弯曲性能优于碳/碳复合材料，见表3。

图2为两种材料的抗弯强度载荷-位移曲线，两种材料在达到最大弯曲载荷前，基本成良好的线性关系；而两种材料在达到最大压缩载荷后，线性关系呈阶梯状下降，且在呈直线状下落后没有出现较长的缓慢降落曲线，说明两组材料在达到最大弯曲负荷后均有一个缓冲面，从而也表现出了材料的假塑性特性；碳化硅-碳复合材料的阶梯状峰更为密集，且多于碳/碳复合材料，说明其具有更好的抗弯特性。

2.3 抗摩擦磨损在摩擦系数、磨损体积及质量磨损率方面，碳化硅-碳复合材料均小于碳/碳复合材料(P < 0.05)，见表4。图3为两种材料摩擦系数-时间变化图，在前5 min内，因两种材料未达到稳定的摩擦状态，故曲线有交叉；在5-20 min时两组材料处于摩擦稳定状态，表现出平缓且曲度相对稳定的上升曲线，且同一时间内，碳化硅-碳复合材料的摩擦系数均小于碳/碳复合材料组(P < 0.05)。为了避免实验外因素对摩擦系数产生误差，故摩擦系数取值应取此时间段内各值。在20-60 min内，因碳化硅-碳复合材料的表面碳化硅涂层逐渐磨损殆尽，暴露出内部的碳/碳复合材料，故两曲线逐渐接近，最终趋于稳定，说明碳化硅涂层具有较好的抗磨损性能。

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引言

材料方法

1.1 设计人工小关节假体力学性能实验。

1.2 时间及地点实验于2015年10月至2016年1月在天津市天津医院、天津市泰达医院、南开大学生物活性材料实验室及天津大学力学实验室完成。

1.3 材料

碳化硅-碳复合材料力学性能实验用材料与仪器：
材料与仪器	来源
碳/碳及碳化硅-碳复合材料	江苏宜兴市天鸟高新技术有限公司
电子万能试验机	上海协强仪器科技有限公司，上海
M-200摩擦磨损试验机	北京中航时代仪器设备有限公司，北京
戴尔T7910工作站	Dell，美国
西门子GE CT/I型64排螺旋CT	SIMENS，德国
Mmics10.0软件	Materialise，比利时
Geomagic studio10软件	Geomagic，美国
ANSYS12.0软件	ANSYS，美国

1.4 实验方法

1.4.1 力学性能测试

抗压缩强度测试：将10组尺寸为10 mm×10 mm× 20 mm(X×Y×Z方向)的碳/碳复合材料及碳化硅-碳复合材料放置于电子万能试验机的中心位置，以1 mm/min的加载速率平行于材料Y轴的方向匀速施加载荷，直至样品破裂，读取压缩弹性模量，标记此时的载荷大小，即为该材料的最大抗压缩力。抗压缩强度使用公式P=F/(L•B)计算，其中P为抗压缩强度(MPa)，F为最大抗压缩力(N)，L为长度(mm)，B为宽度(mm)。

抗弯强度测试：采取三点弯曲法，将10组尺寸为 50 mm×10 mm×2 mm(X×Y×Z方向)的碳/碳复合材料及碳化硅-碳复合材料放置于电子万能试验机中，以加载速率为1 mm/min、跨距为36 mm、跨厚比为18 mm、载荷加载方向平行于Z平面的方向进行测试，直至样品破裂，读取弯曲弹性模量，标记此时的载荷大小，即为该材料的最大抗弯力。抗弯强度使用公式R=(3F×L)/ (2B×H²)计算。其中，R为抗弯强度(MPa)，F为最大抗弯力(N)，B为宽度(mm)，H为厚度(mm)，L为跨距(mm)。

摩擦磨损测试：该测试在摩擦磨损试验机中进行，碳/碳复合材料及碳化硅-碳复合材料的尺寸为25.5 mm× 7 mm×7 mm。将两材料表面及试验机中钢试环擦拭干净，以保证实验准确性。实验采用干摩擦，摩擦时间设置为1 h，钢试环半径为21.8 mm，并设置钢试环转速为200 r/min，采取10 kg载荷力将两试验样本置于转动的钢试环上进行摩擦，每隔5 min记录摩擦力矩值。材料的摩擦系数按以下公式计算：μ=M/(P•R)，其中，μ为摩擦系数，M为摩擦力矩(N•mm)，P为施加载荷(N)，R为试环半径(mm)。实验后，将实验材料称质量后清洗，测量磨痕长度、磨痕宽度。磨损体积以下列公式计算：

，

公式中的B为磨痕长度(mm)，b为磨痕宽度(mm)，R为试环半径(mm)。试样质量磨损率计算公式： K=(W1-W2)/W1×100%，其中，K为质量磨损率，W1为试样磨损前质量(g)，W2为试样磨损后质量(g)。

1.4.2 三维有限元分析

建立三维模型：选择1名26岁健康男性志愿者，身高179 cm，体质量75 kg，经体检无骨骼及其他疾病，在征得其同意及医院伦理委员会批准后进行掌腕部CT平扫。志愿者手平放，掌心朝下，五指分开，前臂稍抬起，采用64排螺旋CT对右手及尺、桡骨远端平扫，得到0.625层厚、1 020×1 020矩阵、198张断层图像。将数据以dicom格式保存，并导入Mmics10.0软件中。利用软件的Thresholding功能选取腕骨及掌骨骨组织，将第三掌骨与头状骨骨髓腔填充后，使用Region growing命令将头状骨及第3掌骨成功分离，应用Caculate 3D命令形成大多角骨及第1，2掌骨的粗糙三维模型。以点云格式保存，导入至Geomagic studio10软件中，依次经过点阶段、封装阶段、多边形阶段、曲面片阶段的操作后，形成精细的三维模型，以IGES格式保存。

建立三维有限元模型：将上述精细三维模型导入ANSYS12.0软件中，根据相关文献资料及天津大学生物材料实验室数据得到掌骨、头状骨与碳/碳复合材料、碳化硅-碳复合材料的单元类型、泊松比及弹性模量绘制成表1，并对各有限元模型进行赋值、网格划分。因第三掌骨及头状骨为不规则物体，故应使用smartmesh命令进行网格划分，依次得到碳/碳复合材料、碳化硅-碳复合材料的第三掌骨三维有限元模型、正常头状骨三维有限元模型，各自单元数与节点数合并列入表1。

施加约束及负载力：因第三掌骨与头状骨为微动关节^[10]，故将头状骨移动度约束为0。将第三掌骨长轴设置为X轴，近端为X轴正方向，第三掌骨桡侧方向为Y轴正方向，背侧方向为Z轴正方向建立工作坐标系，并对X轴负方向上施加载荷为200 N的节点压力，得到两种材料的总形变及节点应力云状图。

1.5 主要观察指标 ①两种材料的压缩弹性模量、抗压缩强度、最大抗压缩力、弯曲弹性模量、抗弯强度及最大抗弯力，以及摩擦系数、磨损体积和质量磨损率。

讨论

自1840年起假体材料首次置入人体以来^[12]，各种各样的关节假体材料不断被发掘、应用于临床中，为人工关节置换提供了强大的推动力。金属材料是临床上第1次大规模使用的关节假体材料，主要有钴基合金、钛合金等。钴基合金材料具有低弹性模量、高抗磨损性等特点，但因密度较大、加工困难、可加重慢性肾衰患者血液中的钴铬含量等原因，且无大量资料证明其无毒性及致癌性，故在小关节假体领域应用受限^[13-14]。钛合金具有极佳的生物相容性，无免疫排斥反应，且弹性模量低、仅为钴合金的一半，可有效减少假体周围骨骼的应力阻挡作用^[15]，应用广泛。但钛合金的抗磨损性能较差^[16]，一般不用于假体关节面的制造。

高分子复合材料的飞速发展，为目前假体材料的多元化拓展了思路。超高分子量聚乙烯具有极高抗磨损性、价格适中、综合性能突出的特点，在人工骨关节面上的应用广泛。但是聚乙烯磨屑可激活成纤维细胞与巨噬细胞，引起免疫反应并破坏周围骨组织，导致置入假体的无菌性松动，制约了其在临床上的大量应用^[17-18]。作为复合材料的优秀代表，碳/碳复合材料与碳化硅-碳复合材料在航空航天等领域发挥了越来越大的作用。与大关节假体材料相比，虽不需承受较大重力，但有研究证实，正常人体掌指关节的最大捏合力可达200-300 N^[19]，因此亦需要强大的抗弯抗压性能，故在进行三维有限元分析时，将轴向作用力设置为200 N。在各项力学测试中，与传统的碳/碳复合材料相比，碳化硅-碳复合材料表现出了更为卓越的性能。两种材料均由同一设计工艺制作，不存在材料密度、材料成分的不同，惟一区别点在于表面是否进行了碳化硅的涂层改性。碳/碳复合材料因本身性质的疏松性决定了有一定的气孔率^[20-26]，进行碳化硅改性处理后，改变了碳基质表面的微观结构和纤维-基质结合方式，增加了传统碳/碳复合材料的密度，使得其表面更加致密，因而增加了它的抗弯抗压特性；同时保留了部分气孔率，因此保留了碳/碳复合材料原有的假塑性特性，可有效缓冲突然暴力所造成的强大冲击力，避免小关节假体材料的断裂、破坏。碳化硅涂层表面致密且光滑，因此有更小的摩擦系数，降低了小关节间因摩擦造成的磨损消耗，改进了传统碳/碳复合材料的不足，在力学方面更加符合小关节假体的要求。

三维有限元法是指利用数学近似的方法，通过对有限元模型进行材料赋值，模拟现物理系统进行力学、光学等测试的一种方法，1972年由Brekelmans首次应用于骨外科领域的研究中，在国内外得到了广泛应用。韧带、肌腱等软组织均为线性结构，在受到突然暴力时，不会立即产生反作用力，当且仅当骨组织发生位移后才会起到牵拉限制作用，暴力发生时对骨组织的生物力学分析较小，故本实验未将软组织考虑在内。重建三维有限元模型后，将碳/碳复合材料与碳化硅-碳复合材料进行单元赋值，分析其不同部位的受力情况及施加不同压力后的位移情况，可达到与两种材料置入体内后相近似的力学环境，具有可重复性强、结果准确、实验误差小、可信度高等其他实验无法达到的优点。经有限元分析可知，碳化硅-碳复合材料具有更好的抗压缩形变及抗应力作用，满足体内小关节假体的需求，值得在临床上推广。

综上，碳化硅-碳复合材料具有极佳的力学特性，可替代或部分替代传统碳/碳复合材料，是人工小关节假体的理想材质。但作者此次实验未涉及动物体内实验部分，在接下来的工作中还需更深层次的研究。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料; 口腔生物材料; 纳米材料; 缓释材料; 材料相容性；组织工程

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