人工关节金属件表面激光冲击微造型的无菌性松动抑制机理

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51605296
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    23.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0509.加工制造
  • 结题年份:
    2019
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2019-12-31

项目摘要

In order to solve the bottleneck problem about limited life span of joint prosthesis due to aseptic loosening, the mechanism of laser peen texturing (LPT) and the improvement on tribological performance of joint prosthesis will be investigated. Firstly, by conducting experimental and numerical investigation on the micro-dimple fabrication using LPT, the stress-strain relationship under the high strain rate effect of laser shock process and the mechanism of micro-dimple fabrication on joint prosthesis will be studied. Then, the influence of LPT process parameters on geometrical and physical property of joint prosthesis will be analyzed, with the consideration of comprehensive influences of high strain rate effect and plasma shielding effect. Followed, by analyzing and evaluating the results of friction and wear tests, the aseptic loosening inhibition mechanism of LPT will be revealed. Finally, the relationship between geometrical and physical property and the tribological performance of joint prosthesis will be established. Through the combination with the effect of LPT process parameters on geometrical and physical property of joint prosthesis, the process planning method of LPT aiming at inhibiting aseptic loosening of joint prosthesis will be proposed. The research will not only enrich the theory of friction and wear reduction using micro-dimple array, but also meet the urgent demand for prolonging the life span of joint prosthesis. It is also meaningful for expanding the application of LPT theoretically and practically.
针对人工关节因无菌性松动导致使用寿命受限的瓶颈问题,基于激光冲击微造型工艺,研究人工关节表面改形改性机理及微坑阵列对人工关节生物摩擦学性能的改善机制,实现抑制无菌性松动的目标。开展人工关节表面激光冲击微坑实验与仿真分析,研究激光高应变率动态冲击作用下材料应力应变状态的演变机制,阐明人工关节表面激光冲击微坑成形机理;探索在高应变率效应与等离子体屏蔽效应综合作用下,激光冲击工艺参数对人工关节材料表层几何与物理性能的影响规律;通过摩擦磨损实验分析与评价,揭示微坑阵列提高人工关节摩擦学性能进而抑制无菌性松动的内在机理;建立材料表层几何和物理性能与人工关节摩擦学性能间的映射关系,结合激光冲击微造型工艺规律,形成人工关节表面激光冲击微造型工艺规划方法。本项目的研究将丰富激光冲击微坑阵列的减摩抗磨理论,有望满足延长人工关节服役寿命的迫切需求,对于拓展激光冲击微造型技术的应用领域具有重要的理论和实用价值。

结项摘要

针对人工关节易于摩擦磨损从而导致无菌性松动失效的问题,基于激光冲击微造型加工新工艺,研究了人工关节表面激光冲击改形改性的机理与规律,旨在提高人工关节的摩擦磨损性能,延长其使用寿命。开展了典型人工关节材料表面激光冲击微造型试验与仿真建模,研究了在激光瞬时冲击作用下应力应变状态的演变机制,阐明了人工关节材料表面激光冲击微坑成形机理,探索了在高应变率效应与等离子体屏蔽效应下,激光冲击工艺参数对人工关节材料表层几何与物理性能的影响规律。研究发现,激光冲击后,人工关节材料表面和亚表面均产生了残余压应力、晶粒细化及硬度提高现象,且存在冲击饱和效应。通过数值仿真对激光冲击人工关节材料中出现的残余应力缺失现象进行了深入分析,建立了残余应力缺失的定量评价体系,研究了激光能量密度、光斑直径、脉冲宽度、压力分布方式等关键参数对残余应力缺失现象的影响机制,为抑制残余应力缺失现象提供了理论依据。通过模拟人体服役环境,对人工关节材料表面微坑阵列的摩擦学性能进行了分析,揭示了微坑阵列对于无菌性松动的抑制机理,得到了微坑直径、深径比、分布密度等特征参数与人工关节摩擦学性能间的映射关系。项目研究成果对于拓展激光冲击技术的应用领域、有效延长人工关节的使用寿命具有较高的理论和实用价值。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(1)
专利数量(3)
Investigation on Residual Stress Loss during Laser Peen Texturing of 316L Stainless Steel
316L不锈钢激光喷丸毛化过程中残余应力损失的研究
  • DOI:
    10.3390/app9173511
  • 发表时间:
    2019-09-01
  • 期刊:
    APPLIED SCIENCES-BASEL
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Li, Kangmei;Wang, Yifei;Hu, Jun
  • 通讯作者:
    Hu, Jun
Investigating the multiple-pulse drilling on titanium alloy in picosecond laser
皮秒激光钛合金多脉冲钻孔研究
  • DOI:
    10.1016/j.jmatprotec.2018.12.027
  • 发表时间:
    2019-06
  • 期刊:
    Journal of Materials Processing Technology
  • 影响因子:
    6.3
  • 作者:
    Yu Zhou;Hu Jun;Li Kangmei
  • 通讯作者:
    Li Kangmei
Effects of surface properties of titanium alloys modified by grinding, sandblasting and acidizing and nanosecond laser on cell proliferation and cytoskeleton
磨削喷砂酸化及纳秒激光改性钛合金表面性能对细胞增殖及细胞骨架的影响
  • DOI:
    10.1016/j.apsusc.2019.144279
  • 发表时间:
    2020-01
  • 期刊:
    Applied Surface Science
  • 影响因子:
    6.7
  • 作者:
    Wang Yifei;Yu Zhou;Li Kangmei;Hu Jun
  • 通讯作者:
    Hu Jun
Process mechanism in laser peen texturing artificial joint material
激光喷丸毛化人工关节材料的工艺机理
  • DOI:
    10.1016/j.optlaseng.2018.11.013
  • 发表时间:
    2019-04
  • 期刊:
    Optics and Lasers in Engineering
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Li Kangmei;Wang Yifei;Yu Zhou;Hu Jun
  • 通讯作者:
    Hu Jun
Experimental and Numerical Investigation of Surface Texturing 316L Stainless Steel by Laser Shock Processing
激光冲击加工 316L 不锈钢表面织构的实验和数值研究
  • DOI:
    10.1088/1755-1315/252/2/022042
  • 发表时间:
    2019-07
  • 期刊:
    Earth and Environmental Science
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Kangmei Li;Yu Cai;Jun Hu
  • 通讯作者:
    Jun Hu

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其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

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          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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