超高分子量聚乙烯材料熱膨脹效應(yīng)

超高分子量聚乙烯材料熱膨脹效應(yīng).劉杰蘇學(xué)英王慧娟王東輝李秀平曹承彬[摘要]由于手術(shù)中髖臼聚乙烯內(nèi)襯的松緊度經(jīng)常表現(xiàn)出令人不可理解的變化,很明顯,聚乙烯的熱膨脹效應(yīng)有其非常特殊的本質(zhì).本文是通過實(shí)驗(yàn)方法對(duì)超高分子量聚乙烯材料受熱膨脹后的尺寸變化進(jìn)行測(cè)量,對(duì)中國(guó)英國(guó)國(guó)生產(chǎn)的幾種常見的聚乙烯材料在0℃和接近室溫的20℃以及在接近人體體溫的37℃條件下在其長(zhǎng)度外徑和內(nèi)徑三個(gè)方向的熱膨脹變化進(jìn)行觀察和比, 以確定聚乙烯內(nèi)襯和鈦合金外杯在不同季節(jié)和不同溫度下加工的最佳公差.從而對(duì)機(jī)加工過程及檢驗(yàn)方法進(jìn)行指導(dǎo)和改進(jìn),并為制作聚乙烯材料的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員提供了參考數(shù)據(jù).[關(guān)鍵詞]超高分子量聚乙烯、熱膨脹[Abstract]Intotalhipreplacement,thepress-fitoftheUHMWPElinertothemetalshellissometimesunpredictable.Obviously,propertiesofUHMWPEareverydifferentfromthoseofmetal.ThepurposeofthisstudyistocomparethethermalexpansionratiosamongthreecommonusedUHMWPEspecimens,whicharemadeinChina, EnglandandGermanthroughmeasuringthelength,externaldiameterandinternaldiameterrespectively.Thetestperformedatthetemperatureof0℃,20℃and 37℃ tosimulatetheambientandhumanbodytemperature.ThenthemostappropriatetolerancesbetweenUHWPElinerandtitaniumshellindifferenttemperaturesandseasonscouldbedetermined.Thistestcouldofferthedesignersnecessarydata.[Keywords]UHMWPE,thermalexpansion介 紹在進(jìn)行髖關(guān)節(jié)置換的外科手術(shù)中，最常見的臨床問題是髖臼內(nèi)襯從外杯脫落或無(wú)法壓進(jìn)外杯.這個(gè)問題與聚乙烯在不同溫度下的熱膨脹情況有關(guān)[2.3]已論文證明，聚乙烯的熱膨脹會(huì)影響內(nèi)襯與外杯的配合情況[1].本實(shí)驗(yàn)對(duì)三種不同產(chǎn)地的聚乙烯材料在0℃20℃ 和37℃條件下的熱膨脹與相同條件下的鈦合材料的熱膨脹進(jìn)行比較.并在干燥和水浴兩種條件下進(jìn)行，以模擬機(jī)加工環(huán)境和人體體液環(huán)境因?yàn)楸本┟商蜥t(yī)療器械有限公司對(duì)聚乙烯產(chǎn)品是使用冰水檢的,所以此實(shí)驗(yàn)的意義在于首先確定37度水浴中聚乙烯內(nèi)襯的真實(shí)尺寸,繼而推算出冰水檢驗(yàn)時(shí)的允許公差,然后根據(jù)不同溫度下聚乙烯膨脹率的曲線制定不同溫度下的制造公差.材料與實(shí)驗(yàn)方法準(zhǔn)備常溫下內(nèi)徑為ф28mm,外徑為ф40mm,高度為40mm的4個(gè)圓筒,材料別為中國(guó)聚乙烯、德國(guó)聚乙烯、英國(guó)聚乙烯和鈦合金. 為了確定樣品的長(zhǎng)度、內(nèi)徑、外徑的尺寸變化，用恒溫箱控制溫度，用卡尺進(jìn)行測(cè)量]1)國(guó)產(chǎn)聚乙烯國(guó)產(chǎn)聚乙烯德國(guó)聚乙烯英國(guó)聚乙烯圖1：實(shí)驗(yàn)樣件干燥條件下的熱膨脹：將恒溫箱中溫度調(diào)至0℃后將樣塊放入,30分鐘后取出,用卡尺對(duì)其長(zhǎng)度外徑內(nèi)徑進(jìn)行測(cè)量記錄再將恒溫箱溫度分別調(diào)至20℃和各保留30 分鐘，用同一方法測(cè)量在這兩種溫度下的樣塊的尺寸并記錄。水浴中的熱膨脹：將樣品放入冰水混合物中,3020℃37℃，30方法測(cè)量在這兩種溫度下的樣塊的尺寸并記錄。實(shí)驗(yàn)結(jié)果第一．在本實(shí)驗(yàn)條件下，聚乙烯由于吸水造成的膨脹視為零實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,在相同的溫度條件下,超高分子量聚乙烯樣塊在干燥和水浴兩種1.2),所以在本實(shí)驗(yàn)條件下超高分子量聚液體中或在干燥狀態(tài)下的區(qū)別.第二,在相同的溫度條件下三種聚乙烯的膨脹程度以中國(guó)聚乙烯的最大,德國(guó)的次之英國(guó)的最小.通過對(duì)表1.表2的數(shù)據(jù)分析, 得出聚乙烯的熱膨脹曲線如下圖3.4.5.所示:其差別率在1%左右.對(duì)產(chǎn)品的精確度不能說沒有影響.第三,在不同的溫度條件下三種聚乙烯在長(zhǎng)度.外徑.內(nèi)徑三個(gè)方向上各自的膨脹率也不相等,其中長(zhǎng)度方向的膨脹率最大,內(nèi)徑最小.(見表3.圖5).α（L1-L0）/L0（T1-T0）=△L/L0△Tlα=（D1-D0）/D0（T1-T0）=△D/D0△TDα=（d1-d0）/d0（T1-T0）=△d/d0△Td第四,同一種材料在不同的溫度階段,其膨脹率也是不一樣,例如在0-20℃溫度階段的膨脹率小于20-37℃的膨脹率(見表3.圖6).表1:單位mm 表2:單位mm L長(zhǎng)度D:外徑d:L39.73L39.7339.8839.90L39.7339.8839.900℃D40.0040.0040.000℃D40.0040.0040.00d28.1328.2028.20d28.1328.2028.20L39.8540.0039.98L39.8540.0039.9820℃D40.1240.1140.0720℃D40.1240.1140.07d28.2028.2628.24d28.2028.2628.24L39.9940.1340.08L39.9940.1340.0837℃D40.2440.2140.1637℃D40.2440.2140.16d28.2728.3228.29d28.2728.3228.293：三種聚乙烯的膨脹率條件及參數(shù) 中國(guó)聚乙烯膨 德國(guó)聚乙烯膨 英國(guó)聚乙烯膨脹脹率脹率率長(zhǎng)度方 1.50×10-41.50×10-41.00×10-4中國(guó)聚乙德國(guó)聚乙英國(guó)聚乙中國(guó)聚乙德國(guó)聚乙英國(guó)聚乙烯烯烯中國(guó)聚乙德國(guó)聚乙英國(guó)聚乙烯烯烯向表向外徑方向1.38×10外徑方向1.38×10-41.50×10-40.88×10-4內(nèi)徑方向1.06×10-41.24×10-40.71×10-4長(zhǎng)度方向1.91×10-42.01×10-41.47×10-4外徑方向1.46×10-41.75×10-41.32×10-4內(nèi)徑方向1.24×10-41.46×10-41.04×10-4(20-37)℃6：表第五．聚乙烯的熱膨脹系數(shù)大約是鈦合熱膨脹系數(shù)的20倍(表4)聚乙烯的膨脹系聚乙烯的熱膨脹系數(shù)大于鈦合產(chǎn)地?cái)?shù)鈦合金的膨脹系數(shù)金的熱膨脹系數(shù)的倍數(shù)中國(guó)聚乙烯2.01×10-4(37°C)8.53×10-6(100°C)24.51德國(guó)聚乙烯1.91×10-4(37°C)8.53×10-6(100°C)22.39英國(guó)聚乙烯1.47×10-4(37°C)8.53×10-6(100°C)17.23由于鈦合金的膨脹系數(shù)在100°C 下為8.53×10-6/°C,在200°C 下為9.34×10-6/°C 在300°C下為9.52×10-6/°C(參考文獻(xiàn)5)所以理論上鈦合金樣塊在本實(shí)驗(yàn)條件下的膨脹尺寸是無(wú)法測(cè)量的,因此在本實(shí)驗(yàn)中對(duì)鈦合金的膨情況可以視為無(wú)膨脹.一溫度條件下其膨脹率不隨時(shí)間而變化,即時(shí)間效應(yīng)為零.(如圖7)。圖7：20℃下德國(guó)聚乙烯加工后尺寸的變化249620℃)條件下的狀況第七、同樣,放射滅菌對(duì)聚乙烯的熱膨脹效應(yīng)也為零(如圖8).γ射線滅菌對(duì)聚乙烯的膨脹率不產(chǎn)生影響。以英國(guó)聚乙烯為例說明在同一溫度(如37℃)條件下的狀況圖8：37℃下英國(guó)聚乙烯滅菌后尺寸的變化討論37℃42mm56mm37°C0.12mm0.11mm;0.09mm.因此,聚乙烯膨脹率對(duì)于內(nèi)襯加工具有不可忽視的影響.為了解決這個(gè)問題,國(guó)內(nèi)外有不少?gòu)S家對(duì)聚乙烯內(nèi)襯的生產(chǎn)實(shí)行冷加工,或者在恒溫車間內(nèi)加工,但是仍然溫度對(duì)聚乙烯在機(jī)加工過程的膨脹和收縮有若干不可控制的影響:--環(huán)境熱:加工時(shí)的溫度與檢驗(yàn)時(shí)的溫度不同而產(chǎn)生誤差;--切削熱:盡管有冷卻液,刀尖進(jìn)給的速度,車床的轉(zhuǎn)速不同,工件的溫度也不同--電機(jī)熱:造成原材料溫度升高.37℃時(shí)配合尺寸最佳,北京蒙太因醫(yī)療器械有限公司始終對(duì)加37℃聚乙烯公差的最佳值,回溯到冰水檢驗(yàn)的相應(yīng)值,再制定不同加工溫度下機(jī)加工的獨(dú)立公差.即不論在配合。參考文獻(xiàn)：1.Doescoolinganacetabular linercomponenteaseinsertion?ROLANG,GP.,MCALLISTER.R.W.,LOCH,D.A.,KYLE,R.F.,BECHTOLD,J.E.42ndAnnualMeeting,OrthopaedicReaserchSociety,February19-22,1996,Atlanta,Georgia.2、 InterlaboratoryreproducibilityofswellratiomeasurementsforcrosslinkedUHMWPEPosterNo.102548th AnnualMeetingofOrthopedicResearchSociety3.EffectoflinercoolingonacetabularassemblyforcesPaperNo.018948th AnnualMeetingofortho