初次承重引发骨水泥-柄界面脱粘损伤的分析

doi:10.3969/j.issn.2095-4344.2016.08.003

中国组织工程研究 ›› 2016, Vol. 20 ›› Issue (8): 1081-1088.doi: 10.3969/j.issn.2095-4344.2016.08.003

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初次承重引发骨水泥-柄界面脱粘损伤的分析

张岚峰¹，葛世荣¹，刘洪涛²，郭开今³

¹中国矿业大学机电工程学院，江苏省徐州市 221116；²中国矿业大学材料科学与工程学院，江苏省徐州市 221116；³徐州医学院附属医院关节外科，江苏省徐州市 221000

收稿日期:2015-12-09 出版日期:2016-02-19 发布日期:2016-02-19
通讯作者: 张岚峰，中国矿业大学机电工程学院，江苏省徐州市 221116
作者简介:张岚峰，男，1984年生，江苏省徐州市人，汉族，中国矿业大学机电学院在读博士，主要从事生物力学研究。
基金资助:
江苏省高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)；江苏省青蓝基金(04150006)；江苏省研究生培养创新工程(KYLX_1376)；江苏省卫生计生委科研项目(H201528)

Primary loading causes bone cement-stem interface debonding injury

Zhang Lan-feng¹, Ge Shi-rong¹, Liu Hong-tao², Guo Kai-jin³

¹School of Mechatronic Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu Province, China; ²School of Material Science and Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu Province, China; ³Department of Joint Surgery, the Affiliated Hospital of Xuzhou Medical College, Xuzhou 221000, Jiangsu Province, China

Received:2015-12-09 Online:2016-02-19 Published:2016-02-19
Contact: Zhang Lan-feng, School of Mechatronic Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu Province, China
About author:Zhang Lan-feng, Studying for doctorate, School of Mechatronic Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, Jiangsu Province, China
Supported by:
a grant supported by the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions; Qinglan Foundation from Jiangsu Province of China, No. 04150006; the Graduate Education Innovation Project in Jiangsu Province of China, No. KYLX_1376; the Scientific Research Project of Health and Family Planning Commission of Jiangsu Province of China, No. H201528

摘要/Abstract

摘要：

文章快速阅读：

文题释义：

骨水泥型关节置换松动的本质：骨水泥型关节置换松动的本质是骨水泥与假体和骨腔结合强度的破坏，而金属柄与骨水泥的黏结强度由骨水泥中的胶体与金属表面的化学胶着力、骨水泥-柄界面的机械咬合力和骨水泥-金属接触面摩擦力3部分组成。

骨水泥裂纹生成的原因：骨水泥内部微裂纹的萌生是导致骨水泥损伤及骨水泥-柄界面脱粘的主要原因。从宏观角度而言，骨水泥裂纹的生成，一方面骨水泥椁因受由径向和轴向应力共同形成压力场，影响萌生裂纹。另一方面界面滑动对骨水泥内部断裂损伤的影响，柄在骨水泥椁中下沉的最大距离为(2.2± 0.8)mm，而后骨水泥微裂纹压实，界面再次箍紧固定。从微观而言，骨水泥在搅拌聚合过程中形成不同饱和结晶度的聚合物，以及骨水泥颗粒分布不均匀形成的基体密度对断裂造成影响。

背景：骨水泥型人工假体术后松动的主要原因是界面脱粘和骨水泥内部损伤，多数研究认为二者发生于疲劳损伤过程中，却很少研究初次承重会引发骨水泥-柄界面和骨水泥内部的初始损伤。

目的：研究骨水泥-柄界面的力学特性和骨水泥内裂纹形成对该界面松动的影响。

方法：制作骨水泥-钛合金柄植入体构件，采用压入实验测量骨水泥-柄界面的最大黏结力，通过声发射仪在线监测骨水泥-柄界面脱粘过程中的骨水泥损伤和裂纹，利用三维表面轮廓仪、超声显微镜、X射线检测仪对金属表面与骨水泥圆筒内层进行无损检测。

结果与结论：通过脱粘实验和声发射仪在线监测证实，骨水泥的初始损伤萌生于患者术后初次承重，而非疲劳损伤阶段；骨水泥椁主要因受径向和轴向应力共同形成压力的作用引起裂纹萌生，骨水泥-柄界面剪滞效应无法阻止界面和椁内裂纹自上而下逐渐扩展；骨水泥固化过程中形成缺陷易影响材料力学性能，最终促使晶面断裂和高分子链断裂，形成银纹状裂纹，导致构件失效。

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: 0000-0003-1791-0599(张岚峰)

关键词: 生物材料, 骨生物材料, 骨水泥, 柄, 钛合金, 断裂, 损伤, 脱粘, 无损检测, 缺陷

Abstract:

BACKGROUND: The main reason for the postoperative loosening of cemented prosthesis is interfacial debonding and bone cement internal damage. Most studies have suggested that both of them occur in the process of fatigue damage, however, little is reported on primary loading that results in the initial damage to the bone cement-stem interface and inside of bone cement.
OBJECTIVE: To study the mechanical properties of bone cement-stem interface, and the effect of crack formation in bone cement on interfacial loosening.
METHODS: The cement-titanium alloy handle implant components were prepared. The maximum adhesive force of bone cement-stem interface was measured using push-in experiment. The cement damage and crack in the process of bone cement-handle interfacial debonding were monitored online using acoustic emission tester. The non-destructive testing on the metal surface and the inner layer of bone cement cylinder was conducted using three-dimensional surface profiler, ultrasonic microscopy and X-ray detector.
RESULTS AND CONCLUSION: The online monitoring results of debonding experiment and acoustic emission tester demonstrated that the initial damage of bone cement initiated in the primary loading of patients after operation, rather than at fatigue damage stage. Bone cement coffin caused cracks initiation mainly due to the combination effect of radial and axial stress. The bone cement-stem interfacial shear lag effect could not prevent the gradual extension of interface and inner coffin crack from top to bottom. The bone cement defects formed in solidification process was likely to affect the mechanical properties of the material, and eventually induced the crystal face and macromolecular chain fractures, forming silver striated cracks and leading component failure.

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

张岚峰，葛世荣，刘洪涛，郭开今. 初次承重引发骨水泥-柄界面脱粘损伤的分析[J]. 中国组织工程研究, 2016, 20(8): 1081-1088.

Zhang Lan-feng, Ge Shi-rong, Liu Hong-tao, Guo Kai-jin . Primary loading causes bone cement-stem interface debonding injury[J]. Chinese Journal of Tissue Engineering Research, 2016, 20(8): 1081-1088.

图/表（结果） 5

2.1 骨水泥-柄界面力学及损伤过程分析如图2所示，当载荷为2 021.42 N时，点a为骨水泥-柄界面屈服载荷点，骨水泥受内外压缩比例极限应力对应的声发射能量为7 985 J/s，a点之前为脱粘阶段，当载荷达到2 341.12 N时，点b为骨水泥的弹性极限，而对应的能量损失为10 789 J/s，从点a到点b的阶段为骨水泥弹性变形阶段，至此骨水泥-柄界面脱粘进入劈裂阶段。点c为剪切应力失效点，此时骨水泥对柄的径向约束失效。从c到d为锯齿状屈服阶段，该过程骨水泥内部微裂纹继续扩张，因钛合金的径向压力增大，使得骨水泥圆筒内部裂纹被压实，导致钛合金的箍筋力增强。从d点开始，骨水泥对金属柄的黏结特性完全失效。从d点到f点为骨水泥对金属柄约束的增强阶段，该过程材料损伤较小并逐步达到损伤后新的箍紧力平衡状态^[1^，^10]。至此之后，骨水泥-柄界面的约束为摩擦约束，而骨水泥椁也由原来的应力挤压改为股骨内腔和柄界面的双剪切应力对材料的破坏，通过CT图像可以发现，骨水泥椁内中间区域形成因微裂纹形成的密度较低的损伤带。骨水泥-柄界面损伤(图2)表面，界面初始为胶接失效阶段。随着载荷增加，界面黏着逐渐失效，当载荷达到2 021.42 N时，界面脱粘失效，而后钛合金柄进一步压缩，并对骨水泥椁进行压缩，导致骨水泥径向压力增大。

由局部力学得出，随着荷载增大，第1位置和第4位置处出现柄内应力的2个峰值，这主要因加载近端骨水泥的约束增大，界面的黏结力增大，使得钛合金柄在近端位置出现应力集中现象。而在第4位置出现的应力峰值，主要是由自由端附近的峰值是支座附近垂直压力作用引起钛合金柄与骨水泥间抵抗滑动摩擦阻力增大产生的。从第1到第4位置处的滑移量是逐渐减小的，当载荷较小时滑移量几乎为一条平行线，而随载荷的逐渐增大，该线斜率不断增大，同时压出构件的变形加剧，压力拱效应朝自由端偏移，这就导致了黏结应力峰值往自由端移动。

2.2 钛合金柄界面损伤分析图3揭示实验前后金属三维表面形貌，实验前金属表面较为平整，粗糙度为(0.043±0.031) μm；脱粘后，金属近段埋置区域形成较为明显的(4.2±2.5) μm沟痕，粗糙度为(0.158±0.120) μm，而柄表面中段区域则形成凹凸不平的峰谷形貌，峰谷差为(2.2±1.2) μm，粗糙度为(0.109±0.120) μm，远段区域也存在峰谷，但较为平整，峰谷差为(0.140±0.080) μm，粗糙度为(0.055±0.032) μm。

2.3 骨水泥损伤分析

2.3.1 骨水泥裂纹损伤分析采用X-Ray检测仪对试样裂纹进行无损采样。图4Ⅱa结果显示骨水泥萌生的断裂裂纹尺寸较小，且如点星状分布于骨水泥扫描图中，图4表明骨水泥裂纹不仅存在于聚甲基丙烯酸甲酯颗粒中，也存在于聚甲基丙烯酸甲酯颗粒之间，裂纹尺寸长(38.50±9.19) μm，宽(5.90±2.33) μm，该结果印证了Sinnett-Jonesa等^[35]的结果。图4Ⅱ表明骨水泥内部除了有微小不规则孔穴/裂纹，也存在细长银纹状孔穴，其尺寸为(45.00±22.30) μm。如图4所示微小裂纹呈爆炸性星状分布，由于骨水泥椁先后受到径向压缩和纵向滑移的运动影响，且主要受界面滑动影响裂纹方向沿纵向扩展，其呈现倾斜角度的裂纹(图4Ⅱa和Ⅱb)，在脱粘过程中，微小裂纹的密集度主要分布在近端位置，中间和远端位置分布较少，且属于滑开型裂纹，统计分析平均微小裂纹密度为13.85 cracks/mm²。在脱粘后骨水泥椁试样X-Ray扫描图像中选取0.03 mm²面积进行统计，脱粘后近段失效面积为99.86%，中段失效面积为98.77%，远段失效面积为25.58%，骨水泥表面微小裂纹长度为(95.14±85.78) μm，而长度大于100 μm裂纹失效面积率分别为57.6%，27.1%和10.4%，且其与相关结果一致^[31^，³³^-^35]。

2.3.2 界面裂纹尖端力学分析脱粘早期，骨水泥内部裂纹受柄径向压应力作用，形成张开型裂纹，而后界面错动，裂纹受力机制发生变化，裂纹由张开型转为滑开型^[28^，³¹^，^35]。由于早期张开型裂纹尺寸和形状极不规则，文章主要针对影响损伤的滑开型裂纹进行研究。基于弹性断裂力学理论及试验数据，以滑开型(Ⅱ型)裂纹方法研究裂纹尖端附近的应力场和位移场，根据统计测量得裂纹的角度范围(63±12)°≤θ≤(99±11)°。

图5测量裂纹长度85.87 μm和62.5°≤θ≤98.8°进行计算。

裂纹尖端应力场：

-0.015 MPa≤σ_x≤-0.013 MPa (1)

-4.664×10^-⁴ MPa≤σ_y≤-5.633×10^-³ MPa (2)

3.340 4×10^-³ MPa≤τ_xy≤6.152 94×10^-³ MPa (3)

裂纹尖端位移场：

2.329×10^-⁵ mm≤μ≤3.011×10^-⁵ mm (4)

-1.00 6×10^-⁵ mm≤ν≤-4.387×10^-⁶ mm (5)

骨水泥断裂应力强度因子K_II为：

K_II=τ•(π•a)^½=2.4×10^-³ MPa (6)

骨水泥裂纹应力场的断裂韧性指数的应变能量释放率(G)为：G=(P_c²/4πr)•A_L•E=40.721(N/M) (7)

其中P_c是断裂载荷，r是界面半径，A_L是载荷面积，E是骨水泥试样的弹性模量。

2.3.3 骨水泥材料缺陷对裂纹萌生的影响图6表明骨水泥固化过程中，部分空气和化合过程中产生的气体会滞留在骨水泥椁中，形成气泡空穴、缺陷，密度不均匀而形成灰洞现象，尺寸及密度见表1。骨水泥-柄界面脱粘后，骨水泥椁中的微小裂纹生成，劈裂失效过程会促使骨水泥椁中裂纹在不断扩展。该宏观裂纹扩展路径为骨水泥椁内朝椁中扩展，且裂纹长度为(0.95±0.80) mm。

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引言

骨水泥作为置入假体固定材料已被广泛应用50多年，生理环境下界面脱粘和骨水泥内部损伤是假体术后松动的主要原因^[1-4]。Clauss和Thakore等^[5-6]发现生理载荷下不同材料结合界面材料的弹性模量差异度，是引发界面位错或者滑动的根源，虽然骨水泥对柄起到箍紧作用，可阻止界面错动却也加剧了骨水泥损伤^[7-9]。研究发现，优化金属表面粗糙度不仅可增强界面固定^[10]，也能增强界面互锁，减小界面错动，降低界面损伤^[9^，^11-14]。也有研究发现，添加磷酸钙、介孔二氧化硅纳米颗粒和维生素E，及饱和结晶程度都会影响界面的力学行为^[15-18]。

研究证明骨水泥-柄界面的近端剪切力是拉伸应力的2倍，界面脱粘始于近端、远端和中前部位^[19-20]。循环载荷造就骨水泥椁内闭锁应力的累积损伤，界面逐渐平缓脱粘。Hung和Pérez等^[21-22]分别基于裂纹闭锁和非线性累积损伤理论剖析裂纹扩展，以研究柄对界面的可靠性关系和柄下沉。近年来，多采用非线性模拟和试验结合研究界面应力场的变化和界面损伤^[1-2^，⁴^，^23]。Huang等^[24]发现载荷为4 420 N时，柄下沉50.1 μm；而扭矩为67.9 N•m、旋转角度为0.056°时，柄下沉200.7 μm。Damron和Moreo等^[25-26]发现脱粘幅度分别为10^-^7.31米/周期和10^-^(6.77±1.25) 米/周期。Afsharpoya和Flitti等^[27-28]发现裂纹萌生方向可为水平、垂直和倾斜，近段生成裂纹为水平型，而远段裂纹为复合型，骨水泥最终疲劳裂纹扩展率为(25± 19)%，而柄裂纹扩展率为100%。许多研究借助无损检测探伤裂纹，Ruther等^[29]使用声发射仪和超声检测仪实现界面脱粘定位和定量研究，Lin等^[30]通过声发射技术结合光学相干断层成像得出，界面经历10⁶疲劳周期后，最大损伤应力为10.98 MPa，并得到临床研究证实^[23]。Qi等^[31]基于声发射发现，骨水泥微观分层结构半结晶聚合物内部裂纹小于10^-⁶ m微裂纹。有研究基于小波变换的声发射技术采集了骨水泥微观裂纹萌生而导致的早期损伤及而后疲劳特性^[32-34]。而Sinnetf-Jones 等^[35-36]通过疲劳试验和同步加速器微观X射线断层摄影术证实，骨水泥内部缺陷和微结构跟疲劳过程相互作用，却不认同裂纹路径靠近骨水泥微球。

综上所述，骨水泥内部微裂纹的萌生是导致骨水泥损伤及骨水泥-柄界面脱粘的主要原因。实验针对骨水泥型髋关节置换术后的初始损伤进行了研究。

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

材料方法

1.1 设计压入载荷因素对界面黏结力及骨水泥损伤影响的重复实验。

1.2 时间及地点于2012年12月至2014月6月在中国矿业大学摩擦与可靠性研究所完成。

1.3 材料

设计一个理想化的圆柱形髋关节骨水泥植入体：①实验选用表面粗糙度1.5 μm直径为Φ10 mm、长度为70 mm 的Ti6Al4V钛合金，虽因其疲劳特性和低抗磨性不被临床优先用于骨水泥型髋关节置换，但钛合金的优良生物相容性和力学特性吸引研究者进行提升其性能的研究^[13]。Ti6Al4V钛合金的成分：Al占6.025%，V占4.1%，Fe占0.168%，O占0.041%，C占0.16%，N占0.02%，H占0.003%，Ti占89.483%。Ti6Al4V钛合金的弹性模量为110 GPa，泊松比为0.3，屈服强度为830 MPa，拉伸强度为902 MP。在实验之前，钛合金试样用医用乙醇和丙酮在超声波中清洗，并被放置于模具中。②选用防锈处理的金属模具(长60 mm、宽60 mm、高50 mm)模拟骨腔对制备骨水泥-钛合金试样箍紧约束环境。骨水泥圆筒设计为内部直径为10 mm、外部直径为16 mm、厚度为3 mm、长度为40 mm，骨水泥-金属接触面积为1 256 mm²。③丙烯酸树脂骨水泥Ⅲ型(天津合成材料研究所)：弹性模量为2.5 GPa，泊松比为0.39，屈服强度为68 MPa，拉伸强度为75 MP。化学成分中，单体成分共36.66 g，包括甲基丙烯酸甲酯、二甲基缩醛甲苯酸、对苯二酚，分别占98.20%、1.80%及7.5×10^-⁵%；粉末成分共100 g，包括聚甲基丙烯酸甲酯、过氧化苯甲酰、硫酸钡，分别占12%、3%、85%。

实验设备：应变片(BE120-05AA)，电阻值(119.6± 0.1) Ω，灵敏系数为(1.79±1)%，敏感栅尺寸(长×宽)为 0.5 mm×0.5 mm，基体尺寸为3.6 mm×3.0 mm，Zhonghang Electronic Measuring Instruments Co. Ltd.；应力数据采集仪(UEILOGGER600，上海邑成测试设备有限公司)；材料万能试验机；非接触式超高精度三维轮廓仪(MiaoXAM 2.5X-50X，美国ADE公司)；PVA TePLa 超声显微镜(PVA TePla AM 300，Quester (China) Co., Ltd. China)和德国X-Ray射线检测仪(Phoenix PCBA Analyser 160，PHOENIX NANOMEX1X Germany)；三维表面轮廓仪(MicroX-AM，ADE)，通过多排螺旋CT扫描机(CT，GE Lightspeed Pro16，AGITO MEDICAL A/S GE Co., Ltd.)对骨水泥椁进行断面扫描，扫描空间分辨率为6.5 Lp/mm@2%MTF，扫描层厚0.6 mm，CT值为(130±100)Hu，选用骨窗位(W1126，L978)，X射线线曝光量90 mAs，投照条件为 X射线电压130 kV，最后共获得17张512×512的 CT图像(DICOM 格式)，分析骨水泥内部损伤。

1.4 实验方法

试样设计：共采用10个试样用于重复实验，并选取其中一组数据进行分析，其差异有显著性意义 (t=2.142，P < 0.05)。每个试样选用Φ10 mm的Ti6Al4V棒并在其对称两侧铣深1.2 mm、宽3.5 mm的槽。打磨槽底使得粗糙度为2 μm，用于贴应变片，埋置骨水泥深度为40 mm。骨水泥埋置分为4个区域测量不同位置处的钛合金棒应力，每个位置之间的距离为10 mm。每个位置对称粘贴2片应变片，共8片应变片，应变片沿着轴向方向对称安置，以减少弯矩效应。

将埋置区域划分为3个区域，其中第1位置定义为近段，第2和3位置为中段，而第4位置为远段。实验主要探究骨水泥-柄黏结界面脱粘量，不测量金属柄径向应变量。每个应变片引出导线连接外部设备数据采集器和电脑，以采集不同载荷情况下应变片的数据见图1。在已贴完应变片的槽，浇灌702胶，以防湿潮和剪切实验中骨水泥对应变片的破坏。试样在完成应变片粘贴后放置24 h，后浇灌702胶水并烘干处理，放置48 h。对钛合金棒表面进行除渣和除油处理并放置烘箱中处理24 h，防止油膜和废渣对界面黏结产生影响。制备试样前，骨水泥被放置在23 ℃和湿度为50%的环境中24 h(模拟手术室环境)。手工搅拌骨水泥2 min，而后将其先倒入模具，再插入钛合金棒，将试样在23 ℃环境下固化48 h，使得在实验前骨水泥-金属界面完全黏结。为确定棒位于骨水泥中心位置，模具上下盖设置了定位孔，完成上述工序后进行加压处理，灌注方法参考标准ISO5833。为了更好测量和分析局部钛合金棒与骨水泥界面的黏结特性，用微量位移传感器测量加载端和自由端的滑移量见图1。

脱粘实验：选用电子材料万能试验机压入速度为0.1 mm/min。应变片采用半桥接入方法，钛合金柄两侧4个位置应变片成对组成半桥电路测量，以减少弯矩造成的误差，而后通过数据采集仪(BQ120-3BB)采集实验过程中植入钛合金柄局部形变量，以推导出界面黏结力和滑移量的关系，并分析骨水泥应力场的损伤过程。选用美国物理声学公司PCI-2型声发射检测系统(PCI-2 Acoustic emission systems, Physical acoustics Corp.)，采集骨水泥-柄界面初始脱粘损伤过程中的损伤信号。声发射仪器传感器探头采用两个宽频传感器(R15)，监测频率范围为1 kHz-3 MHz，共振频率为150 kHz，前放增益40 dB，采样频率2 MHz，峰值定义时间PDT为300 μs，撞击定义时间HDT为600 µs，撞击锁定时间HLT为1 000 μs。设置固定门槛值为40 dB，能量门槛值为30 dB 用以去除实验过程中的噪声，传感器探头使用凡士林为耦合剂分别布置在试样两侧外表面上。

1.5 主要观察指标脱粘过程中骨水泥和钛合金柄的应力、界面粘黏结力及能量释放量，以及骨水泥裂纹形成和扩展。

1.6 统计学分析全部采用SPSS 13.0统计软件对数据进行统计学处理，数据的格式均以x(_)±s表示，数据采用t 检验，P < 0.05为差异有显著性意义。

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

讨论

很多研究认为，骨水泥型关节置换松动的本质是骨水泥与假体和骨腔结合强度的破坏，而金属柄与骨水泥的黏结强度由骨水泥中的胶体与金属表面的化学胶着力、骨水泥-柄界面的机械咬合力和骨水泥-金属接触面摩擦力3部分组成^[2^，⁸^，¹³^，¹⁶^，²⁰^，³¹^，³⁵^，^41]。有研究发现疲劳损伤过程是引发骨水泥裂纹扩展直至柄下沉失效的主要原因，却很少研究术后骨水泥-柄的初次承重会引发骨水泥-柄和骨水泥的初始损伤^[2^，¹³^，²⁰^，^23]。实验发现载荷为2 021.42 N时，骨水泥-柄界面出现初始损伤。患者术后2周左右即可下床进行步态康复训练，有研究发现术后患者(体质量60 kg)步速平均为 0.84 m/s，股骨关节加速度为5.01 m/s²；而有学者发现步态运动过程中，股骨所承担载荷脚跟着地相为 2 728.32 N，单肢中立相为2 063.88 N，脚趾离地相为 2 546.04 N，因此，患者在步态过程中极易引发骨水泥-柄界面的初始损伤。另一方面，有研究统计得出72%髋关节患者体质量指数≥25 kg/m²，属严重肥胖，因此肥胖体质也会加速术后骨水泥体损伤。由此骨水泥-柄界面初始损伤萌生于康复阶段，而非疲劳损伤阶段。实验也发现钛合金棒在纵向变形时，骨水泥对钛合金棒的约束力增大，钛合金-骨水泥之间的摩擦也因钛合金表面变得凹凸不平而略有增大，因而钛合金与骨水泥间的黏结性能反而增强。此时声发射信号已明显增加，意味靠近加载端附近骨水泥-金属界面的胶接力正在逐步失效。随着载荷增加，钛合金埋置区内的径向弹性形变逐渐增加，导致骨水泥椁内压增大，骨水泥内细观裂纹和损伤带萌生，声发射信号能量增强，使得骨水泥椁体积膨胀，导致骨水泥保护层开裂甚至剥落，降低外围骨水泥对钛合金柄的约束，以致削弱柄对骨水泥的黏结锚固作用，最终降低构件的承载力。柄承受载荷增加，导致不同区域骨水泥-柄界面的机械咬合力失效，该界面完全分离形成摩擦阶段，引发骨水泥内部细观裂纹断裂萌生和扩展，而劈裂过程会因载荷的波动，引发骨水泥裂纹扩展。而骨水泥椁会因界面剪滞效应和压缩导致裂纹损伤带再次压实，恢复骨水泥椁对柄的约束力平衡。

实验后钛合金界面的凹凸不同犁沟形貌损伤程度，其形成原因，一方面，在外腔约束下，灌注骨水泥聚合过程中形成钛合金界面机械锁合固定。在钛合金承载过程中，因载荷不断加大，钛合金柄压缩变形的同时受到外腔(股骨腔)传递给骨水泥的外部约束箍紧，加大了垂直于界面的压力，使得钛合金与骨水泥界面的摩擦力增大；另一方，面由于骨水泥本身聚合过程中，在骨水泥内及与柄界面存留大量微小孔穴，也造成金属从基体剥落，形成金属基体峰谷差异。该结果得到临床印证^[4^，^20]。

很多研究对骨水泥裂纹生成进行了研究^[26^，³³^，^35-36]。从宏观角度而言，骨水泥裂纹的生成，一方面，骨水泥椁因受由径向和轴向应力共同形成压力场，影响萌生裂纹。界面黏结剪滞效应与锚固长度有着密切关系，影响不同位置骨水泥椁断层面上的应力，导致不同位置断裂损伤存在差异。另一方面，界面滑动对骨水泥内部断裂损伤的影响，柄在骨水泥椁中下沉的最大距离为(2.2±0.8) mm，而后骨水泥微裂纹压实，界面再次箍紧固定。从微观而言，聚甲基丙烯酸甲酯在搅拌聚合过程中形成不同饱和结晶度的聚合物，以及聚甲基丙烯酸甲酯颗粒分布不均匀形成的基体密度对断裂造成影响^[35]。本实验却发现裂纹不仅存在于聚甲基丙烯酸甲酯颗粒间隙，也存在于颗粒中。聚甲基丙烯酸甲酯颗粒中的断裂主要因骨水泥内高分子约束并限制了聚甲基丙烯酸甲酯颗粒变形时的横向收缩，迫使其分叉并形成更多的细小孔穴，从而形成聚甲基丙烯酸甲酯颗粒的断裂。由于复合应力作用，基体出现形状不规则微小空穴/裂纹，其中细长型为银纹损伤。银纹萌生不仅在骨水泥体内因外力形成局部应力奇异形成微空穴，也会因形成密度提升造成裂纹闭锁合，遂形成基体破坏。深入发现是因为高聚物本体界面处存在应力梯度形成银纹，微观层次中的聚合物分子链间缠绕链段会发生重排、滑移、取向、解缠及断链，到细观银纹引发、生长及断裂，直到微裂纹的产生、扩展、串接，最终导致材料的整体破坏。因此如何解决高聚合体内的细微银纹损伤是提高骨水泥可靠性的关键。

结论：①通过骨水泥-柄构件脱粘实验和声发射仪在线监测证实，骨水泥的初始损伤萌生于患者康复的承载阶段，而非疲劳损伤阶段。②骨水泥椁主要因受由径向和轴向应力共同形成压应力场影响裂纹萌生，骨水泥-柄界面的剪滞效应无法阻止得界面和椁内损伤自上而下逐渐形成，据此形成不同位置界面损伤和脱粘情况。③通过统计骨水泥裂纹长度、密度及分布情况，并基于线弹性材料滑动型裂纹模型计算裂纹尖端损伤场，实验发现因骨水泥材料搅拌工艺与饱和结晶度形成的缺陷会影响骨水泥固化材质，在压缩和剪切复合应力作用下，骨水泥聚合物易断裂，而健康骨水泥在受力过程中会因晶面断裂和高分子链断裂形成银纹损伤带，最终致使骨水泥-柄固定结构失效。

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

初次承重引发骨水泥-柄界面脱粘损伤的分析

Primary loading causes bone cement-stem interface debonding injury

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