BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LÊ CƠNG ĐẠT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ NHÁM BỀ
MẶT ĐẾN ĐẶC TÍNH MA SÁT CỦA CẶP VẬT LIỆU
Y SINH CoCrMo-UHMWPE TRONG KHỚP HÁNG
NHÂN TẠO TOÀN PHẦN

Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Mã chuyên ngành: 60520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2018


Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Cơng nghiệp TP. Hồ Chí Minh.
Người hướng dẫn khoa học: TS. Đường Công Truyền
Người phản biện 1: .......................................................................................................
Người phản biện 2: .......................................................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại
học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ngày … tháng … năm 2018.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. ........................................................................................... Chủ tịch hội đồng
2. ........................................................................................... Phản biện 1
3. ........................................................................................... Phản biện 2
4. ........................................................................................... Ủy viên
5. ........................................................................................... Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ


BỘ CƠNG THƯƠNG

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LÊ CÔNG ĐẠT

MSHV: 15118321

Ngày, tháng, năm sinh: 11/02/1993

Nơi sinh: Cai Lậy - Tiền Giang

Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí

Mã chuyên ngành: 60520103

I. TÊN ĐỀ TÀI:
“Nghiên cứu ảnh hưởng của đợ nhám bề mặt đến đặc tính ma sát của cặp vật liệu y

sinh CoCrMo-UHMWPE trong khớp háng nhân tạo toàn phần”.
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu tổng quát đặc tính ma sát của khớp tự nhiên và khớp nhân tạo.
Nghiên cứu xây dựng mơ hình thiết bị đo ma sát Pin-on-Disc.
Nghiên cứu thực nghiệm, kiểm chứng và đánh giá đặc tính ma sát của cặp vật liệu y
sinh CoCrMo-UHMWPE dùng trong khớp háng nhân tạo toàn phần.
II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 27/03/2017
III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 27/03/2018
IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Đường Công Truyền
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 03 năm 2018
NGƯỜI HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ


LỜI CẢM ƠN
Trên thực tế khơng có sự thành cơng nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp
đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Với lòng biết ơn sâu
sắc nhất, em xin gửi đến thầy TS. Đường Công Truyền, người đã trực tiếp hướng dẫn
cũng như cung cấp tài liệu thơng tin khoa học cần thiết để em có thể hoàn thành xong
luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, phịng
Quản lý Sau đại học và Khoa Cơng nghệ Cơ khí đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để
em có thể thực hiện cơng việc nghiên cứu của mình.
Bước đầu tìm hiểu về lĩnh vực nghiên cứu khoa học, kiến thức của em còn hạn chế
và còn nhiều bỡ ngỡ. Do vậy, khơng tránh khỏi những thiếu sót trong q trình nghiên
cứu của mình, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp q báu của q Thầy
Cơ để kiến thức của em trong lĩnh vực này được hoàn thiện hơn.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 27 tháng 03 năm 2017
Học viên thực hiện

Lê Công Đạt

i


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Từ nhu cầu ngày càng nhiều của con người khi những vấn đề về khớp như bệnh tật,
tai nạn cũng như tuổi thọ tăng lên làm thay đổi đặc tính bề mặt của khớp dẫn đến ảnh
hưởng không tốt đến cuộc sống của họ. Do đó, việc nghiên cứu đặc tính ma sát cũng
như đặc tính cơ học của vật liệu y sinh nhân tạo là thật sự cần thiết. Việc nghiên cứu
này nhằm cung cấp dữ liệu phục vụ cho việc chế tạo khớp nhân tạo, cũng như nhằm
phát triển các vật liệu y sinh nhân tạo mới.
Nợi dung chính của đề tài tập trung vào nghiên cứu thực nghiệm đo hệ số ma sát của
cặp vật liệu y sinh nhân tạo: hợp kim Cobalt-Chrome-Molybden (CoCrMo) và nhựa
polyethylene có trọng lượng phân tử siêu cao (Ultra High Molecular Weight
Polyethylene – UHMWPE), thực nghiệm trên mơ hình thí nghiệm đo ma sát dạng
Pin-on-Disc do tác giả tự xây dựng. Từ đó, tác giả nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ
nhám bề mặt cũng như các thông số khác như vật liệu bôi trơn, chế độ tải đến đặc
tính ma sát của cặp vật liệu y sinh nhân tạo CoCrMo-UHMWPE. Thí nghiệm được
đo liên tục trong khoảng thời gian 3600 s dưới các điều kiện sau: đợ nhám bề mặt Ra
= 0.25 µm và Ra = 2.5 µm, đo ma sát khơ và có bơi trơn sử dụng dung dịch huyết
thanh bò (Bovine Serum Albumin - BSA) nồng độ 25 mg/ml, lực tác động FN = 4 N
và 16 N. Kết quả thí nghiệm cho thấy khi đĩa UHMWPE được gia công bằng phương
pháp tiện đạt đợ nhám bề mặt Ra = 0.25 µm thì có hệ số ma sát lớn hơn so với đĩa
UHMWPE có nhám bề mặt Ra = 2.5 µm, đĩa UHMWPE được gia công bằng phương
pháp phay đạt độ nhám bề mặt Ra = 0.25 µm thì có hệ số ma sát nhỏ hơn so với đĩa
UHMWPE có nhám bề mặt Ra = 2.5 µm. Việc sử dụng BSA 25 mg/ml trong thí

nghiệm đo ma sát cho thấy có sự cải thiện về đặc tính ma sát của cặp vật liệu y sinh
nhân tạo CoCrMo-UHMWPE khi không sử dụng dung dịch bôi trơn. Trong nghiên
cứu, bề mặt tiếp xúc giữa cặp vật liệu chịu tác động bởi lực tác động FN = 4 N thì có
hệ số ma sát nhỏ hơn khi gia tăng lực tác động lên FN = 16 N.

ii


ABSTRACT
Due to the increasing demands of human on the joint problems caused by illness,
accidents as well as longevity that alter the surface properties of articular joints and
affect to their lives, so there is a need of studying on tribological and mechanical
properties of artificial articular joints. The results of this study are going to provide
data for the manufacturing of artificial joints as well as for the development of new
artificial biomaterials.
The main contents of the thesis focused on the measurements of the frictional
coefficient of CoCrMo-on-UHMWPE artificial hip bearing using the macroscale
custom pin-on-disc friction device. Since then, we studied the effect of the surface
roughness as well as other parameters such as lubricant, applied normal loads to the
frictional properties of CoCrMo-on-UHMWPE bearing. The experiment was
measured continuously over a period of 3600 seconds under the following conditions:
surface roughness of UHMWPE disc Ra = 0.25 µm and Ra = 2.5 µm, dry condition
and lubrication using bovine serum albumin (BSA) at the concentration of 25 mg/ml
in PBS, the applied normal loads of FN = 4 N and 16 N. Experimental results showed
that the frictional properties of the CoCrMo-on-UHMWPE bearing depend on the
surface roughness, lubricant and the applied normal loads. The frictional coefficient
of the CoCrMo-on-UHMWPE bearing increases with the increase of the surface
roughness when the UHMWPE disc to be machined by CNC milling method but the
opposite result occurs when the UHMWPE disc to be machined by CNC turning
method. BSA 25 mg/ml improves the lubricating ability of the CoCrMo-onUHMWPE bearing. The increase of the applied normal load led to the decrease of

frictional properties of the CoCrMo-on-UHMWPE bearing.

iii


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của bản thân tôi và dưới sự hướng
dẫn của Thầy hướng dẫn TS. Đường Công Truyền. Các kết quả thí nghiệm trong
nghiên cứu được đánh giá và phân tích trong luận văn là trung thực, chưa cơng bố
dưới bất kỳ hình thức nào trước đây và khơng sao chép từ ai dưới mọi hình thức.
Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được trích dẫn và ghi rõ nguồn tài liệu tham
khảo đúng quy định.
Học viên

Lê Công Đạt

iv


MỤC LỤC
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................ ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU .................................................................................... xiii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ....................................................................................xv
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. Đặt vấn đề ............................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................2
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ..........................................................2
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài .................................................................................3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU Y SINH NHÂN TẠO........................4
1.1 Giới thiệu ...........................................................................................................4
1.2 Khớp tự nhiên trong cơ thể người .....................................................................5
1.2.1 Tổng quan về khớp tự nhiên ........................................................................5
1.2.2 Sụn khớp (Articular Cartilage) ....................................................................7
1.2.3 Chuyển động của khớp háng .......................................................................8
1.2.4 Thối hóa khớp (Osteoarthritis) ..................................................................9
1.3 Khớp háng nhân tạo trong cơ thể người (Artificial Hip Joint) ........................11
1.3.1 Khái quát về khớp háng nhân tạo ..............................................................11

v


1.3.2 Kết cấu của khớp háng nhân tạo toàn phần (Total Hip Arthroplasty) ......12
1.3.3 Tổng quát vật liệu y sinh nhân tạo dùng trong khớp .................................14
1.3.3.1 Nhựa Polyethylene có trọng lượng phân tử siêu cao ..........................15
1.3.3.2 Hợp kim Cobalt-Chrome-Molypden ...................................................16
1.3.3.3 Hợp kim Titan .....................................................................................17
1.3.3.4 Gốm y sinh ..........................................................................................18
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................20
2.1 Tổng quan về ma sát ........................................................................................20
2.1.1 Khái niệm về ma sát ..................................................................................20
2.1.2 Hệ số ma sát ..............................................................................................21
2.1.3 Bôi trơn khớp nhân tạo ..............................................................................21
2.2 Phương pháp đo ma sát ....................................................................................23
2.2.1 Thiết bị Pin-on-Disc ..................................................................................24
2.2.2 Thiết bị Pin-on-Plate .................................................................................25
2.2.3 Hip Simulator ............................................................................................26
2.2.4 Thiết bị đo ma sát ở tỉ lệ micro/nano.........................................................27
CHƯƠNG 3 CHẾ


TẠO

MƠ

HÌNH

THÍ

NGHIỆM

ĐO

MA

SÁT

DẠNG PIN-ON-DISC ..............................................................................................29
3.1 Mơ hình thí nghiệm đo ma sát Pin-on-Disc .....................................................29
3.1.1 Lựa chọn mơ hình thí nghiệm ...................................................................29
3.1.2 Ngun lý đo của mơ hình thí nghiệm đo má sát dạng Pin-on-Disc.........29

vi


3.1.3 Phương án thiết kế .....................................................................................30
3.2 Bản vẽ thiết kế mơ hình thí nghiệm đo ma sát dạng Pin-on-Disc ...................30
3.3 Mơ hình thí nghiệm hồn chỉnh .......................................................................34
CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐẶC TÍNH MA SÁT CỦA CẶP
VẬT LIỆU Y SINH CoCrMo-UHMWPE ................................................................36

4.1 Giới thiệu .........................................................................................................36
4.2 Vật liệu và phương pháp nghiên cứu ...............................................................37
4.2.1 Chuẩn bị vật liệu........................................................................................37
4.2.1.1 Chuẩn bị vật liệu chốt .........................................................................37
4.2.1.2 Chuẩn bị vật liệu đĩa ...........................................................................38
4.2.1.3 Chuẩn bị dung dịch bơi trơn ...............................................................40
4.2.2 Phương pháp thí nghiệm ...........................................................................42
4.2.2.1 Phương pháp tính hệ số ma sát ...........................................................42
4.2.2.2 Phương pháp thí nghiệm .....................................................................45
4.2.2.3 Phương pháp phân tích thơng kê.........................................................46
4.3 Kết quả thí nghiệm và thảo luận ......................................................................47
4.3.1 Ảnh hưởng của độ nhám bề mặt................................................................47
4.3.1.1 Đĩa UHMWPE được gia công bởi phương pháp tiện .........................47
4.3.1.2 Đĩa UHMWPE được gia công bởi phương pháp phay .......................50
4.3.2 Ảnh hưởng của vật liệu bôi trơn ................................................................54
4.3.3 Ảnh hưởng của lực tác động .....................................................................58

vii


KẾT LUẬN ...............................................................................................................64
1. Kết quả đạt được ................................................................................................64
2. Giới hạn của đề tài .............................................................................................65
3. Hướng phát triển của đề tài................................................................................65
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ÐÃ CƠNG BỐ CỦA HỌC VIÊN ............................67
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................68
PHỤ LỤC ..................................................................................................................73
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN .......................................................112

viii



DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Cấu tạo của khớp cơ bản ..............................................................................6
Hình 1.2 Cấu tạo khớp háng [13] ................................................................................7
Hình 1.3 Sụn khớp háng ..............................................................................................7
Hình 1.4 Cấu tạo sụn khớp ..........................................................................................8
Hình 1.5 Chuyển đợng tự do ở khớp háng [17] ..........................................................9
Hình 1.6 Chuyển động của khớp háng khi đi bộ [13] .................................................9
Hình 1.7 Thối hóa ở khớp háng ...............................................................................10
Hình 1.8 Phẫu thuật cấy ghép khớp háng nhân tạo ...................................................11
Hình 1.9 Cặp vật liệu y sinh nhân tạo dùng trong phẫu thuật thay thế khớp háng: (a)
Metal- on- UHMWPE, (b) Ceramic-on- UHMWPE, (c) Ceramic- on- Ceramic, (d)
Metal-on- Metal ........................................................................................................12
Hình 1.10 Kết cấu của mợt khớp háng nhân tạo tồn phần ......................................13
Hình 1.11 Nhựa UHMWPE sử dụng trong khớp háng nhân tạo ..............................16
Hình 1.12 Vật liệu CoCrMo sử dụng trong khớp háng nhân tạo ..............................16
Hình 1.13 Vật liệu titan sử dụng trong khớp háng nhân tạo .....................................17
Hình 1.14 Gốm y sinh sử dụng trong khớp háng nhân tạo .......................................18
Hình 2.1 Lực ma sát tác dụng lên mợt vật nằm trên mặt phẳng ngang.....................20
Hình 2.2 Đường cong Stribeck [35] ..........................................................................22
Hình 2.4 Thiết bị đo ma sát dạng Pin-on-Disc ..........................................................24
Hình 2.5 Phương pháp đo ma sát dạng Pin-on-Disc .................................................25
ix


Hình 2.6 Thiết bị đo ma sát dạng Pin-on-Plate .........................................................25
Hình 2.7 Phương pháp đo ma sát dạng Pin-on-Plate ................................................26
Hình 2.8 Thiết bị Hip Simulator giả lặp khớp háng ..................................................26
Hình 2.9 Sơ đồ cơ chế làm việc của kính hiển vi lực ngun tử ..............................27

Hình 2.10 Kính hiển vi ngun tử lực AFM .............................................................27
Hình 3.1 Nguyên lý đo ma sát trên mơ hình Pin-on-Disc .........................................30
Hình 3.2 Tổng thể mơ hình thí nghiệm đo ma sát dạng Pin-on-Disc .......................31
Hình 3.3 Trục truyền đợng từ đợng cơ ......................................................................32
Hình 3.4 Khớp nối giữa chi tiết gá đĩa với trục quay................................................32
Hình 3.5 Gá đĩa UHMWPE ......................................................................................33
Hình 3.6 Chi tiết gá đĩa UHMWPE và chặn dung dịch bơi trơn BSA......................33
Hình 3.7 Chi tiết gá chốt CoCrMo và tải ..................................................................34
Hình 3.8 Thiết bị đo ma sát dạng Pin-on-Disc ..........................................................34
Hình 3.9 Loadcell được lắp vào cánh tay sử dụng trong thiết bị ..............................35
Hình 3.10 Card giao tiếp PCI-1711 được lắp vào CPU máy tính .............................35
Hình 4.1 Chốt CoCrMo với chiều dài 15 mm ...........................................................37
Hình 4.2 Đĩa UHMWPE với đường kính 90 mm, dày 5.2 mm ................................38
Hình 4.3 Thiết bị đo độ nhám bề mặt Mitutoyo – SJ 310: (a) bộ phận cài đặt các thông
số trước khi đo độ nhám và lấy dữ liệu từ cánh tay đo, (b) bộ phận đo độ nhám, (c)
kết quả đo độ nhám và được in ra từ bộ phận cài đặt ...............................................39
Hình 4.4 Đặc tính biên dạng bề mặt vật liệu đĩa được chụp bằng SEM ...................40

x


Hình 4.5 Muối đệm phosphat – PBS ở dạng rắn.......................................................41
Hình 4.6 Huyết thanh bị – BSA ở dạng bợt .............................................................41
Hình 4.7 Pha dung dịch BSA 25 mg/ml ....................................................................42
Hình 4.8 Sơ đồ ngun lý hoạt đợng của mơ hình Pin-on-Disc ...............................42
Hình 4.9 Sơ đồ khối tính hệ số ma sát ......................................................................43
Hình 4.10 Sơ đồ tính hệ số ma sát trên Matlab .........................................................44
Hình 4.11 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của hệ số ma sát trong thời gian 3600 s với
đĩa UHMWPE được gia công bằng phương pháp tiện khi xét sự ảnh hưởng của hai
giá trị độ nhám bề mặt khác nhau .............................................................................47

Hình 4.12 Hệ số ma sát trung bình và đợ lệch chuẩn ở từng phương án thí nghiệm
khác nhau khi xét sự ảnh hưởng của độ nhám bề mặt với vật liệu đĩa UHMWPE được
gia công bằng phương pháp tiện, trong đó *: p < 0.001 ...........................................49
Hình 4.13 Bề mặt đĩa UHMWPE được gia công bởi phương pháp tiện: (a) bề mặt
chưa thí nghiệm và (b) bề mặt đã thí nghiệm............................................................50
Hình 4.14 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của hệ số ma sát trong thời gian 3600 s với
đĩa UHMWPE được gia công bằng phương pháp phay khi xét sự ảnh hưởng của hai
giá trị độ nhám bề mặt khác nhau .............................................................................51
Hình 4.15 Hệ số ma sát trung bình và đợ lệch chuẩn ở từng phương án thí nghiệm
khác nhau khi xét sự ảnh hưởng của đợ nhám bề mặt với UHMWPE được gia công
bằng phương pháp phay, trong đó *: p < 0.001 ........................................................53
Hình 4. 16 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của hệ số ma sát trong thời gian 3600 s với
đĩa UHMWPE được gia công bằng phương pháp tiện khi xét sự ảnh hưởng của điều
kiện đo ma sát khô và đo ma sát sử dụng BSA 25 mg/ml ........................................54

xi


Hình 4.17 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của hệ số ma sát trong thời gian 3600 s với
đĩa UHMWPE được gia công bằng phương pháp phay khi xét sự ảnh hưởng của điều
kiện đo ma sát khô và đo ma sát sử dụng BSA 25 mg/ml ........................................55
Hình 4.18 Hệ số ma sát trung bình và đợ lệch chuẩn ở từng phương án thí nghiệm
khác nhau khi xét sự ảnh hưởng của đo ma sát khơ và có sử dụng BSA 25 mg/ml với
UHMWPE được gia công bằng phương pháp tiện, trong đó *: p < 0.001 ...............57
Hình 4.19 Hệ số ma sát trung bình và đợ lệch chuẩn ở từng phương án thí nghiệm
khác nhau khi xét sự ảnh hưởng của đo ma sát khơ và có sử dụng BSA 25 mg/ml với
UHMWPE được gia công bằng phương pháp phay, trong đó *: p < 0.001..............57
Hình 4.20 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của hệ số ma sát trong thời gian 3600 s với
đĩa UHMWPE được gia công bằng phương pháp tiện khi xét sự ảnh hưởng của lực
tác đợng .....................................................................................................................59

Hình 4.21 Biểu đồ thể hiện sự thay đổi của hệ số ma sát trong thời gian 3600 s với
đia UHMWPE được gia công bằng phương pháp phay khi xét sự ảnh hưởng của lực
tác đợng .....................................................................................................................59
Hình 4.22 Hệ số ma sát trung bình và đợ lệch chuẩn ở từng phương án thí nghiệm
khác nhau khi xét sự ảnh hưởng của lực tác động khác nhau lên bề mặt đĩa UHMWPE
được gia công bằng phương pháp tiện, trong đó *: p < 0.001 ..................................61
Hình 4.23 Hệ số ma sát trung bình và đợ lệch chuẩn ở từng phương án thí nghiệm
khác nhau khi xét sự ảnh hưởng của lực tác động khác nhau lên bề mặt đĩa UHMWPE
được gia cơng bằng phương pháp phay, trong đó *: p < 0.001 ................................62

xii


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Mô đun đàn hồi, tỉ số Poisson và độ nhám bề mặt của vật liệu y sinh dùng
trong khớp háng nhân tạo ..........................................................................................15
Bảng 1.2 Thành phần hóa học của Ti-6Al-4V ..........................................................17
Bảng 4.1 Hệ số chuyển đổi điện áp – lực ..................................................................44
Bảng 4.1 Thành phần hóa học của hợp kim CoCrMo...............................................38
Bảng 4.2 Kết quả đo độ nhám bề mặt vật liệu đĩa và chốt........................................40
Bảng 4.3 Các thơng số được sử dụng trong thí nghiệm ............................................45
Bảng 4.4 Phương án thí nghiệm với chốt (CoCrMo) và đĩa (UHMWPE) ...............46
Bảng 4.5 Hệ số ma sát trung bình ± đợ lệch chuẩn với UHMWPE được gia công bằng
phương pháp tiện khi xét sự ảnh hưởng đến hệ số ma sát với đợ nhám bề mặt ở từng
phương án thí nghiệm ...............................................................................................48
Bảng 4.6 Hệ số ma sát trung bình ± đợ lệch chuẩn với UHMWPE được gia công bằng
phương pháp phay khi xét sự ảnh hưởng đến hệ số ma sát với đợ nhám bề mặt ở từng
phương án thí nghiệm khác nhau ..............................................................................52
Bảng 4.7 Hệ số ma sát trung bình ± độ lệch chuẩn với bề mặt UHMWPE được gia
công bằng phương pháp tiện khi xét sự ảnh hưởng của đo ma sát khơ và đo ma sát có

sử dụng BSA 25 mg/ml .............................................................................................56
Bảng 4.8 Hệ số ma sát trung bình ± đợ lệch chuẩn với bề mặt UHMWPE được gia
công bằng phương pháp phay khi xét sự ảnh hưởng của đo ma sát khơ và đo ma sát
có sử dụng BSA 25 mg/ml ........................................................................................56
Bảng 4.9 Hệ số ma sát trung bình ± đợ lệch chuẩn với UHMWPE được gia công bằng
phương pháp tiện khi thay đổi lực tác động ở từng phương án thí nghiệm ..............60

xiii


Bảng 4.10 Hệ số ma sát trung bình ± đợ lệch chuẩn với UHMWPE được gia công
bằng phương pháp phay khi thay đổi lực tác động ở từng phương án thí nghiệm ...60

xiv


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
3D

Three Dimensional

ANOVA

Analysis of Variance

BSA

Bovine Serum Albumins

CoC


Ceramic-on-Ceramic

CoCrMo

Cobalt-Chrome-Molybden

CoP

Ceramic-on-Polyethylene

MoM

Metal-on-Metal

MoP

Metal-on- Polyethylene

PBS

Phosphat Buffer Saline

PTFE

Poly Tetra Fluorethylene

SEM

Scanning Electron Microscope


TZP

Tetragonal Zirconia Polycrystal

UHMWPE

Ultra High Molecular Weight Polyethylene

xv


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Hiện nay dân số trên thế giới ngày càng tăng kéo theo đó là các tệ nạn, bệnh tật và
các tai nạn xảy ra trong cuộc sống hàng ngày… con người có thể bị tổn thương, tàn
tật ảnh hưởng đến hoạt động của khớp trên cơ thể làm cho con người cảm thấy khó
khăn trong sinh hoạt và ảnh hưởng đến sức khỏe của họ [1]. Từ nhu cầu ngày càng
tăng của các bệnh nhân và sự tiến bợ của khoa học kỹ thuật, thì vật liệu y sinh nhân
tạo cần được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng trong những năm tới. Việc nghiên
cứu vật liệu y sinh nhân tạo đã và đang phát triển rất mạnh, ngày càng đạt được những
thành tựu to lớn, nhiều vật liệu mới đã được phát triển và ứng dụng [2].
Ngành công nghệ vật liệu y sinh nhân tạo là ngành khá mới ở Việt Nam, chỉ có
mợt số phịng thí nghiệm hay mợt số cơng trình nghiên cứu về vật liệu y sinh nhân
tạo của một số đơn vị như: Viện Bỏng Quốc gia, Trường Đại học Y khoa Phạm
Ngọc Thạch, Trường Đại học Bách Khoa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và
Trường Đại học Quốc tế tḥc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, Trung
tâm Công nghệ Vật liệu [2]. Phần lớn các công trình đều dừng ở mức nghiên cứu,
chỉ mợt số sản phẩm được thử nghiệm lâm sàng, hầu như chưa có sản phẩm nào
được sản xuất công nghiệp để đưa ra thị trường. Ở Việt Nam, với dân số trên 90

triệu người năm 2016, chúng ta có thể hình dung được nhu cầu sử dụng vật liệu y
sinh nhân tạo là rất lớn.
Vật liệu y sinh nhân tạo được dùng để chế tạo các sản phẩm giả thay thế cho những
bộ phận ở người khi bị chấn thương, tàn tật và chữa các bệnh lý ở khớp tự nhiên [3].
Vật liệu y sinh nhân tạo được sử dụng nhiều như: nhựa Polyethylene có trọng lượng
phân tử siêu cao (Ultra High Molecular Weight Polyethylene – UHMWPE), gốm y
sinh (Ceramic), hợp kim Cobalt-Chrome-Molypden (CoCrMo), Titan và hợp kim của
Titan (Ti-6Al-4V) [3]. Do chúng có đợ bền cao, khả năng chống ăn mịn tốt, khả năng
tương thích trong mơi trường sinh học, khơng gây độc. Chúng ta cần phải tập trung
1


nghiên cứu sự ảnh hưởng của các vấn đề như thay đổi độ nhám bề mặt, việc sử dụng
huyết thanh bị (Bovine Serum Albumins – BSA) làm dung dịch bơi trơn và thay đổi
lực tác đợng đến đặc tính ma sát cũng như đặc tính cơ học của vật liệu y sinh nhân tạo.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của độ nhám bề mặt cũng như các thông số khác nhau như
vật liệu bôi trơn, chế độ tải đến đặc tính ma sát của cặp vật liệu y sinh CoCrMoUHMWPE dùng trong khớp háng nhân tạo ở người. Kết quả của nghiên cứu giúp
chúng ta hiểu rõ hơn về khớp tự nhiên, khớp nhân tạo và những vấn đề liên quan đến
khớp háng nhân tạo cũng như cung cấp dữ liệu nhằm hỗ trợ cho việc nghiên cứu và
chế tạo vật liệu y sinh dùng trong khớp háng nhân tạo toàn phần.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: vật liệu y sinh nhân tạo CoCrMo-UHMWPE dùng trong khớp
háng nhân tạo toàn phần ở người.
Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu ảnh hưởng độ nhám bề mặt đến đặc tính ma sát của
vật liệu y sinh nhân tạo dùng trong khớp háng nhân tạo ở người. Sử dụng BSA làm
chất bơi trơn và có xét đến sự thay đổi của lực tác động trong nghiên cứu nhằm xét
sự ảnh hưởng của chúng đến hệ số ma sát của cặp vật liệu y sinh nhân tạo.
4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu
Phương pháp tiếp cận: từ việc kế thừa các phân tích và nghiên cứu về vật liệu y sinh

nhân tạo đã công bố, tổng hợp kiến thức và tài liệu liên quan đến đối tượng nghiên
cứu. Từ đó xác định mơ hình thí nghiệm đo ma sát và vật liệu sử dụng trong thí
nghiệm, xác định phương pháp và quy trình thực hiện thí nghiệm. Tiến hành thí
nghiệm trên những vật liêu khác nhau trong cùng một điều kiện, tham khảo với
người hướng dẫn từ đó rút ra kết luận về ảnh hưởng của các thơng số thí nghiệm đối
với đặc tính ma sát của vật liệu y sinh nhân tạo. Kết quả nghiên cứu thu được và xử
lý trên máy tính.

2


Nghiên cứu lý thuyết từ nhiều nguồn thông tin khác nhau như: sách, báo, tạp chí khoa
học, internet… được tổng hợp thu thập thơng tin, tìm hiểu tài liệu, đọc các bài báo
khoa học trong và ngoài nước liên quan đến vấn đề nghiên cứu để hiểu một cách tổng
quát về khớp tự nhiên ở người, khớp háng nhân tạo, đặc tính cơ học của vật liệu y
sinh dùng trong khớp háng nhân tạo, mơ hình thiết bị đo ma sát.
Nghiên cứu thực nghiệm: từ những nghiên cứu trước đã được cơng bố, xác định các
mơ hình thực hiện thí nghiệm đo ma sát: Pin-on-Disc, Pin-on-Plate và Joint simulators
[4,5]. Chọn mơ hình thực nghiệm Pin-on-Disc để xây dựng mơ hình thí nghiệm đo
ma sát cho đề tài, thí nghiệm đo ma sát của vật liệu y sinh nhân tạo dùng trong khớp
háng nhân tạo với điều kiện khơng có chất bơi trơn và có chất bơi trơn trên cùng mợt
mơ hình thí nghiệm và được thực hiện tại Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố
Hồ Chí Minh.
Phương pháp thống kê: dùng phân tích xử lý số liệu thực nghiệm sử dụng phần mềm
Statgraphics, và phân tích phương sai mợt chiều (Oneway Anova).
5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Từ các vấn đề đặt ra, tác giả chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ nhám bề
mặt đến đặc tính ma sát của cặp vật liệu y sinh CoCrMo-UHMWPE trong khớp háng
nhân tạo toàn phần” nhằm cung cấp dữ liệu về độ nhám bề mặt, hệ số ma sát cũng
như đặc tính cơ học của mợt số vật liệu y sinh nhân tạo, qua đó cũng có thể cung cấp

dữ liệu để phát triển các vật liệu y sinh nhân tạo mới.

3


CHƯƠNG 1
1.1

TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU Y SINH NHÂN TẠO

Giới thiệu

Đầu thế kỉ XXI, vật liệu y sinh nhân tạo được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực y
học, nha khoa và công nghệ sinh học [6]. Các nhà nghiên cứu từ những lĩnh vực khác
nhau như y học, hóa học, cơng nghệ hóa và cơng nghệ cơ khí đã nỗ lực đặt nền móng
cho lĩnh vực hiện đại gọi là vật liệu y sinh, song với sự hình thành của các tổ chức về
vật liệu y sinh nhân tạo. Tổ chức về cơ quan nội tạng nhân tạo của Mỹ (American
Society for Artificial Internal Organs – ASAIO) là tổ chức đầu tiên thành lập vào năm
1954 liên quan đến lĩnh vực vật liệu y sinh nhân tạo.
Vật liệu y sinh nhân tạo (Artificial Biomaterials) được ứng dụng trong y học với mục
đích điều trị và phục hồi chức năng của các hệ sinh học bị tổn thương [7]. Nghiên cứu
của J. Black đã xác định vật liệu y sinh nhân tạo có nguồn gốc thiên nhiên hoặc nhân
tạo được sử dụng để điều trị, bổ sung, hoặc thay thế các chức năng của khớp [8].
Trong cơ thể người, khớp háng và khớp gối là khớp quan trọng nhất và dễ chấn thương
nhất do phải chịu tồn bợ tải trọng của cơ thể. Khi khớp bị tổn thương làm ảnh hưởng
đến khả năng di chuyển cũng như các hoạt động hằng ngày, do vậy cần phải phẫu
thuật cấy ghép thay thế khớp bị tổn thương để mang lại khả năng hoạt đợng bình
thường của khớp hoặc giảm đau. Trên thế giới, có hơn 600.000 ca phẫu thuật thay thế
khớp háng mỗi năm [9,10]. Hầu hết các loại cấy ghép thay thế khớp háng có tuổi thọ
trung bình từ 15 đến 20 năm [1,6].

Trong hơn 50 năm qua, đã có nhiều loại vật liệu y sinh nhân tạo được phát triển trong
phẫu thuật thay thế khớp trên cơ thể người do bệnh lý hoặc do chấn thương. Vật liệu
nhựa lần đầu được nghiên cứu và sử dụng trong phẫu thuật thay thế khớp háng bởi
John Charnley vào năm 1950 [11]. Ông đã sử dụng nhựa Teflon (Poly Tetra
Fluorethylene – PTFE) để thay thế ổ cối (Acetabulum) trong khung xương chậu và
một loại thép không gỉ cho chỏm xương đùi (Femoral Head) trong phẫu thuật cấy
ghép khớp háng. Việc chọn PTFE ở thời điểm này là do có hệ số ma sát thấp và khơng
có gây đợc hại cho sức khỏe người, nhưng PTFE có tuổi thọ ngắn trong cơ thể người
4


do sự mài mịn trong q trình làm việc. Do đó, mợt vật liệu nhựa mới đã được nghiêm
cứu và phát triển nhằm nâng cao khả năng chống mài mòn, đó là nhựa Polyethylene
có trọng lượng phân tử siêu cao (Ultra High Molecular Weight Polyethylene –
UHMWPE) được giới thiệu và đã cải thiện tuổi thọ trung bình của vật liệu y sinh
nhân tạo. Các loại thép không gỉ như hợp kim Cobalt-Chrome-Molypden (CoCrMo)
và hợp kim Titan đã được sử dụng cho chỏm xương đùi trong phẫu thuật cấy ghép
khớp háng. CoCrMo đang được ưa cḥng vì tính chịu mài mịn, có hệ số ma sát thấp
và có khả năng chống ăn mịn cao hơn. Ngồi ra, gần đây vật liệu gốm y sinh
(Ceramic) cũng được sử dụng nhiều, do có hệ số ma sát thấp, khả năng chống trầy
xước, tỉ lệ mài mịn thấp và có đợ bền cao.
1.2

Khớp tự nhiên trong cơ thể người

1.2.1 Tổng quan về khớp tự nhiên
Khớp (Joints) là cấu trúc kết nối lại với nhâu từ hai hay nhiều xương trong cơ thể,
được tìm thấy ở háng, đầu gối, bàn tay, bàn chân và các bộ phận khác trong cơ thể
[12]. Khớp là một hệ thống cấu trúc giúp đỡ trong sự chuyển động và sự nâng đỡ tồn
bợ cơ thể. Dựa vào hoạt đợng khớp tự nhiên gồm có ba loại: khớp bất đợng, khớp

động, khớp bán động [9,13].
Khớp bất động là khớp mà giữa các xương liên kết khơng có ổ khớp mà các xương
được dính chặt với nhau nhờ mơ liên kết sợi hoặc sụn, phạm vi hoạt động của khớp
rất nhỏ hoặc khơng thể hoạt đợng được, ví dụ: khớp giữa xương đỉnh và xương trán,
khớp giữa xương đỉnh và xương thái dương… Khớp bán động là khớp mà giữa các
xương liên kết có ổ khớp, hoạt đợng kém linh hoạt, biên độ nhỏ, với đặc điểm chung
của khớp là chỉ có lớp sụn ở giữa chỗ tiếp xúc các xương, ví dụ: khớp mu, khớp giữa
các thân đốt sống… Khớp đợng là khớp mà giữa các xương liên kết có ổ khớp giúp
cho khớp cử động được thuận lợi, hoạt động với phạm vi hoạt động rộng, hầu hết các
khớp ở chi đều thuộc loại khớp động.
Cấu tạo của một khớp cơ bản (hình 1.1) bao gồm: sụn khớp là mô bao lấy đầu xương
để ngăn các xương tiếp xúc với nhau và giúp khớp hoạt động dễ dàng, chất lỏng hoạt
5


dịch hay dịch khớp chứa trong bao hoạt dịch nằm giữa sụn khớp có tác dụng cung
cấp các dưỡng chất ni dưỡng sụn khớp, dây chằng có tác dụng kết nối các xương
lại với nhau, cơ bắp co duỗi làm khớp hoạt động, gân được nối với xương giúp
truyền lực co của cơ vào xương, bao khớp là lớp màng bao bọc quanh khớp có tác
dụng giữ các xương lại với nhau. Trong cơ thể người khớp có những chức năng
quan trọng như hỗ trợ cho sự ổn định vị trí của cơ thể, tham gia vào việc vận đợng
các phần cơ thể và hỗ trợ lẫn nhau, chuyển động giúp cơ thể di chuyển, chịu tồn
bợ trọng lượng cơ thể [9,12].

Hình 1.1 Cấu tạo của khớp cơ bản
Khớp háng (Hip Joint, hình 1.2) là khớp đợng vững chắc nhờ cấu trúc đặc biệt về giải
phẫu học [13]. Khớp háng có vai trị quan trọng trong các hoạt đợng hằng ngày cũng
như các hoạt động thể dục, thể thao liên quan đến chi dưới như đi bộ, chạy và nhảy
cũng như sự chịu lực tác động rất lớn của trọng lượng cơ thể trong mọi hoạt động
hàng ngày hay hoạt động thể thao. Khớp háng là một khớp nằm sâu trong cơ thể

người, bắt đầu thối hóa do bệnh lý hoặc do tuổi tác làm suy giảm đáng kể các hoạt
đợng của con người và có thể ngày càng trầm trọng hơn nếu như khơng có phương
pháp điều trị thích hợp [13].
6


Hình 1.2 Cấu tạo khớp háng [13]
Hệ thống xương của khớp háng gồm có: chỏm xương đùi hình cầu (Femoral Head)
hoạt động trong ổ cối (Acetabulum) của khung xương chậu. Chỏm xương đùi chịu
lực bởi một phần của ổ cối của khung xương chậu và có hình dạng bằng 2/3 hình cầu
nhưng khơng hồn tồn trịn như hình cầu.
1.2.2 Sụn khớp (Articular Cartilage)
Sụn khớp (hình 1.3) là lớp mơ màu trắng bao bọc các đầu xương trong các khớp.
Trong khớp, sụn khớp là một mô đàn hồi bao phủ và bảo vệ đầu xương có vai trị
giảm chấn khi khớp chịu tác đợng bởi mợt sức nặng.

Hình 1.3 Sụn khớp háng
7