摘要
关节置换术是治疗晚期关节炎及关节功能丧失最有效与最终的治疗方案。陶瓷材料具有良好的生物相容性以及较低的并发症发生率，已经被广泛应用在人工关节领域。但是陶瓷人工关节在体内服役时由于接触应力大和润滑不足而存在磨损、破裂和异响等并发症。聚乙烯醇(PVA)水凝胶具有湿、软特性，可以通过弹性形变降低局部应力，以及通过双相润滑机制提供低摩擦系数。基于此，本文提出通过在陶瓷人工关节摩擦副表面构建PVA水凝胶涂层改善陶瓷人工关节在体内服役时的润滑状态，降低接触应力。然而水凝胶改性陶瓷关节在体内稳定服役的重要前提是水凝胶/陶瓷材料两者之间牢固而稳定的结合。由于水凝胶和陶瓷物理化学性质及力学性能相差较大，难以实现强结合，因此在陶瓷材料表面构建稳定结合的水凝胶具有重要意义。 本文通过循环冻融法及退火-水化处理制备了聚多巴胺-聚乙烯醇(PDA-PVA)水凝胶，研究了PDA引入和不同退火温度(90℃、120℃和150℃)对水凝胶的微观结构、溶胀性能及力学性能的影响；同时利用引入PDA与退火-水化处理的作用在氧化铝(Al2O3)陶瓷表面成功构建了PDA-PVA水凝胶涂层，研究了水凝胶/陶瓷的结合性能与摩擦学性能。主要的研究结果如下： (1)引入PDA可以提高PVA水凝胶的结晶度与交联程度，从而增强水凝胶的抗溶胀性能、压缩性能、抗疲劳性能与拉伸强度。通过退火-水化处理，PDA-PVA水凝胶的结晶度与交联程度进一步提高，可显著增强其抗溶胀性能、压缩性能、抗疲劳性能与流变性能。随着退火温度的升高，PDA-PVA水凝胶内部结晶区过多，导致其抗溶胀性能与弹性回复能力小幅度减弱。 (2)在预先经过PDA修饰的Al2O3表面构建PDA-PVA水凝胶涂层，水凝胶与陶瓷表现较好的界面结合性能。对水凝胶/陶瓷退火-水化处理，可显著增强水凝胶与陶瓷基底的结合能力。随着退火温度的升高，PDA-PVA水凝胶的结晶度及PDA的聚合程度增加，水凝胶与陶瓷基底的结合能力进一步提高，可以在水相环境中可以承受较为长期(25000 r)的往复剪切力，实现其在水相中的稳定服役。 (3)在Al2O3陶瓷表面构建水凝胶涂层可以改善陶瓷摩擦配副的润滑状态，降低摩擦系数(从0.201降低至0.035)。此外，PDA通过增强水凝胶的抗压强度、降低表面粗糙度并产生更多的间隙水抵抗摩擦界面的接触应力、增加水合润滑作用，进一步降低了水凝胶涂层的摩擦系数。退火-水化处理可以显著增强PDA-PVA水凝胶涂层的结晶度，提高强度，其摩擦系数仍低于陶瓷的摩擦系数。但随着退火温度升高，PDA-PVA水凝胶具有更粗糙的表面、更弱的弹性变形能力以及摩擦界面产生的间隙水减少，导致水凝胶涂层的摩擦系数小幅度增加。
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