Chế tạo UHMWPE và Nanocomposite HA/UHMWPE cho Ứng dụng Y Sinh

Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng UHMWPE, nanocomposite HA/UHMWPE trong y sinh. Luận án tiến sĩ chuyên sâu về vật liệu sinh học và ứng dụng tiềm năng.

• Tác giả: Fang Liming
• Người hướng dẫn: Professor Leng Yang, Department Mechanical Engineering
• Trường học: The Hong Kong University Science and Technology
• Chuyên ngành: Mechanical Engineering
• Đề tài: Processing Of UHMWPE And HA/UHMWPE Nanocomposite For Biomedical Applications
• Loại tài liệu: Thesis
• Năm xuất bản: August 2006
• Địa điểm: Hong Kong

Tóm tắt

I. UHMWPE Tổng quan vật liệu ứng dụng Y Sinh 55 ký tự

Ứng dụng của UHMWPE (Ultra-High Molecular Weight Polyethylene) ngày càng tăng trong lĩnh vực y sinh, đặc biệt trong các ứng dụng cấy ghép chỉnh hình. Vật liệu này nổi bật với các tính chất cơ học tuyệt vời như độ bền cao, khả năng chịu mài mòn tốt và hệ số ma sát thấp. Tuy nhiên, khả năng chế tạo vật liệu từ UHMWPE còn gặp nhiều thách thức, đặc biệt khi sử dụng làm nền cho các nanocomposite nhằm cải thiện tính chất sinh học. Bài viết này sẽ đi sâu vào các nghiên cứu về chế tạo UHMWPE và Nanocomposite HA/UHMWPE và các ứng dụng y sinh tiềm năng của chúng. Theo Fang Liming, việc phát triển vật liệu thay thế cần dựa trên sự hiểu biết sâu sắc về cấu trúc và chức năng của bộ phận cần thay thế.

1.1. Cấu trúc và tính chất đặc trưng của UHMWPE

UHMWPE là một loại polyethylene có trọng lượng phân tử cực cao, mang lại độ bền và khả năng chống mài mòn vượt trội so với các loại polyethylene khác. Cấu trúc mạch dài của nó tạo ra sự liên kết phân tử mạnh mẽ, giúp vật liệu chịu được tải trọng lớn và giảm thiểu hao mòn. Tính chất này làm cho UHMWPE trở thành lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng chịu tải và ma sát cao trong ứng dụng cấy ghép, đặc biệt là trong thay khớp.

1.2. Ưu điểm và hạn chế của UHMWPE trong Y Sinh

Ưu điểm lớn nhất của UHMWPE trong y sinh là độ bền mài mòn và giảm ma sát, giúp kéo dài tuổi thọ của các bộ phận cấy ghép. Tuy nhiên, UHMWPE lại có khả năng liên kết với xương kém và không có tính chất sinh học tích cực. Do đó, các nhà nghiên cứu đang tập trung vào việc cải thiện tính chất sinh học UHMWPE bằng cách kết hợp nó với các vật liệu khác như Hydroxyapatite.

II. Nanocomposite HA UHMWPE Giải pháp tối ưu cho Y Sinh 59 ký tự

Nanocomposite HA/UHMWPE kết hợp ưu điểm của cả UHMWPE và HA (Hydroxyapatite), một khoáng chất tự nhiên có trong xương. Việc bổ sung HA giúp cải thiện độ tương thích sinh học của UHMWPE, thúc đẩy sự phát triển của tế bào xương và tăng cường khả năng tích hợp với mô xương. Đồng thời, UHMWPE cung cấp độ bền cơ học cần thiết để chịu tải trọng trong các ứng dụng cấy ghép chỉnh hình. Do đó, Nanocomposite HA/UHMWPE hứa hẹn là một vật liệu vật liệu sinh học tiềm năng cho nhiều ứng dụng y sinh. Fang Liming nhấn mạnh, việc kết hợp UHMWPE và HA tạo ra vật liệu có tính chất cơ học và sinh học vượt trội.

2.1. Vai trò của HA trong Nanocomposite HA UHMWPE

HA (Hydroxyapatite) đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện tính chất sinh học của Nanocomposite HA/UHMWPE. HA là một vật liệu có cấu trúc tương tự như thành phần khoáng chất của xương, do đó nó có khả năng kích thích sự phát triển của tế bào xương và tăng cường quá trình tái tạo xương. Việc kết hợp HA với UHMWPE giúp tăng cường khả năng tích hợp của vật liệu cấy ghép với mô xương, giảm nguy cơ lỏng lẻo và kéo dài tuổi thọ của cấy ghép.

2.2. Các phương pháp chế tạo Nanocomposite HA UHMWPE

Việc chế tạo Nanocomposite HA/UHMWPE đòi hỏi các kỹ thuật tiên tiến để đảm bảo sự phân tán đồng đều của các hạt HA trong nền UHMWPE. Các phương pháp phổ biến bao gồm trộn cơ học, ép nóng, và đùn. Trong đó, phương pháp đùn trục vít đôi (Twin-screw extrusion) thường được sử dụng để kiểm soát độ nhớt và đảm bảo sự phân tán tốt của HA trong UHMWPE.

2.3. Ảnh hưởng của hàm lượng HA đến tính chất cơ học

Hàm lượng HA trong Nanocomposite HA/UHMWPE ảnh hưởng đáng kể đến tính chất cơ học của vật liệu. Việc tăng hàm lượng HA có thể cải thiện độ cứng và mô đun đàn hồi của vật liệu, nhưng đồng thời cũng có thể làm giảm độ dẻo dai và khả năng chịu va đập. Do đó, cần tối ưu hóa hàm lượng HA để đạt được sự cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai cho từng ứng dụng cụ thể.

III. Phương pháp chế tạo UHMWPE nâng cao Cách nào hiệu quả 58 ký tự

Việc chế tạo UHMWPE truyền thống gặp nhiều khó khăn do độ nhớt cao và khả năng hòa tan kém của vật liệu. Các phương pháp mới như ép đùn trong cửa sổ nhiệt độ, sử dụng pha mesophase, giúp cải thiện khả năng chế tạo UHMWPE và tạo ra các sản phẩm có tính chất cơ học tốt hơn. Các phương pháp này tập trung vào việc tăng cường độ linh động của chuỗi polymer và cải thiện sự khuếch tán giữa các hạt UHMWPE.

3.1. Ép đùn UHMWPE trong cửa sổ nhiệt độ

Phương pháp ép đùn trong cửa sổ nhiệt độ tận dụng sự chuyển đổi pha của UHMWPE để giảm độ nhớt và cải thiện khả năng chế tạo vật liệu. Bằng cách kiểm soát nhiệt độ và tốc độ đùn, các nhà nghiên cứu có thể tạo ra các sản phẩm UHMWPE có độ đồng nhất cao và tính chất cơ học tốt hơn so với các phương pháp truyền thống. Fang Liming đã nghiên cứu và chứng minh hiệu quả của phương pháp này trong việc cải thiện khả năng gia công của UHMWPE.

3.2. Sử dụng pha mesophase để cải thiện khả năng gia công

Pha mesophase là một trạng thái trung gian giữa trạng thái rắn và trạng thái lỏng, cho phép các chuỗi polymer UHMWPE di chuyển dễ dàng hơn. Việc sử dụng pha mesophase trong quá trình chế tạo UHMWPE giúp giảm lực cản dòng chảy và cải thiện sự khuếch tán giữa các hạt, từ đó tạo ra các sản phẩm có độ bền cao và khả năng chịu mài mòn tốt.

IV. Ứng dụng Nanocomposite HA UHMWPE trong cấy ghép 54 ký tự

Nanocomposite HA/UHMWPE có tiềm năng lớn trong nhiều ứng dụng cấy ghép chỉnh hình, bao gồm thay khớp gối, khớp háng và các bộ phận cấy ghép khác. Độ tương thích sinh học cao và tính chất cơ học tốt của vật liệu giúp tăng cường khả năng tích hợp với mô xương và kéo dài tuổi thọ của cấy ghép. Ngoài ra, Nanocomposite HA/UHMWPE cũng có thể được sử dụng trong vật liệu thay thế xương và vật liệu phủ bề mặt để cải thiện khả năng tích hợp và giảm nguy cơ viêm nhiễm.

4.1. Ứng dụng trong thay khớp gối và khớp háng

Nanocomposite HA/UHMWPE được sử dụng để chế tạo các thành phần chịu tải trong thay khớp gối và khớp háng, như chỏm xương đùi và ổ cối. Độ bền mài mòn cao và giảm ma sát của vật liệu giúp giảm hao mòn và kéo dài tuổi thọ của cấy ghép. Đồng thời, độ tương thích sinh học cao giúp tăng cường khả năng tích hợp với mô xương và giảm nguy cơ lỏng lẻo.

4.2. Vật liệu thay thế xương và vật liệu phủ bề mặt

Nanocomposite HA/UHMWPE cũng có thể được sử dụng làm vật liệu thay thế xương trong các trường hợp mất xương do chấn thương hoặc bệnh tật. Vật liệu này có khả năng kích thích sự phát triển của tế bào xương và tái tạo mô xương mới. Ngoài ra, Nanocomposite HA/UHMWPE cũng có thể được sử dụng làm vật liệu phủ bề mặt cho các bộ phận cấy ghép kim loại để cải thiện khả năng tích hợp và giảm nguy cơ viêm nhiễm.

V. Nghiên cứu độ mài mòn UHMWPE Nanocomposite HA UHMWPE 57 ký tự

Độ mài mòn là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tuổi thọ của các bộ phận cấy ghép UHMWPE. Các nghiên cứu về độ mài mòn của UHMWPE và Nanocomposite HA/UHMWPE giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về cơ chế mài mòn và phát triển các vật liệu có khả năng chống mài mòn tốt hơn. Kết quả cho thấy việc cải thiện tính chất cơ học và tính chất sinh học có thể đồng thời làm giảm thiểu sự hao mòn của vật liệu trong môi trường sinh học.

5.1. Phương pháp thử nghiệm độ mài mòn

Các phương pháp thử nghiệm độ mài mòn phổ biến bao gồm thử nghiệm pin-on-disc, thử nghiệm khối-trên-vòng và thử nghiệm mô phỏng khớp. Các thử nghiệm này được thực hiện trong môi trường sinh học mô phỏng để đánh giá khả năng chống mài mòn của vật liệu trong điều kiện thực tế. Kết quả từ các thử nghiệm này cung cấp thông tin quan trọng để cải thiện thiết kế và vật liệu của các bộ phận cấy ghép.

5.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ mài mòn

Nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ mài mòn của UHMWPE và Nanocomposite HA/UHMWPE, bao gồm tải trọng, tốc độ trượt, nhiệt độ, và môi trường sinh học. Các yếu tố này có thể tác động đến cơ chế mài mòn và làm tăng hoặc giảm tốc độ hao mòn của vật liệu. Việc hiểu rõ các yếu tố này giúp các nhà khoa học phát triển các chiến lược để giảm thiểu sự mài mòn và kéo dài tuổi thọ của cấy ghép.

VI. Tương lai Triển vọng của UHMWPE trong Y Sinh 52 ký tự

Với những ưu điểm vượt trội, UHMWPE và Nanocomposite HA/UHMWPE tiếp tục là những vật liệu tiềm năng trong lĩnh vực y sinh. Các nghiên cứu trong tương lai tập trung vào việc cải thiện hơn nữa tính chất cơ học và tính chất sinh học của vật liệu, phát triển các phương pháp chế tạo vật liệu tiên tiến và mở rộng ứng dụng sang các lĩnh vực khác như ứng dụng tim mạch và ứng dụng mô mềm. Công nghệ in 3D UHMWPE hứa hẹn mở ra những khả năng mới trong việc tạo ra các bộ phận cấy ghép cá nhân hóa và có độ chính xác cao.

6.1. Phát triển vật liệu UHMWPE thế hệ mới

Các nghiên cứu đang tập trung vào việc phát triển các vật liệu UHMWPE thế hệ mới với tính chất cơ học và tính chất sinh học vượt trội. Các phương pháp như liên kết chéo, thêm phụ gia, và biến đổi bề mặt được sử dụng để cải thiện độ bền, khả năng chống mài mòn và khả năng tích hợp với mô xương. Vật liệu UHMWPE thế hệ mới hứa hẹn sẽ mang lại những cải tiến đáng kể trong hiệu quả và tuổi thọ của các bộ phận cấy ghép.

6.2. Ứng dụng UHMWPE trong y học tái tạo

UHMWPE và Nanocomposite HA/UHMWPE có tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực y học tái tạo, đặc biệt trong việc tạo ra các giàn giáo (scaffold) để hỗ trợ sự phát triển của tế bào và mô. Vật liệu này có thể được thiết kế để có cấu trúc xốp và khả năng phân hủy sinh học, cho phép các tế bào xâm nhập và phát triển thành mô mới. Việc sử dụng UHMWPE trong y học tái tạo hứa hẹn sẽ mang lại những giải pháp mới cho việc điều trị các bệnh lý và tổn thương mô.

Trích đoạn nội dung tài liệu

PROCESSING OF UHMWPE AND HA/UHMWPE NANOCOMPOSITE FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS by FANG Liming A Thesis Submitted to The Hong Kong University of Science and Technology in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Doctor of Philosophy in Department of Mechanical Engineering August, Hong Kong UMI Number: 3239484 INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction. In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted. Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion.

® UMI UMI Microform 3239484 Copyright 2007 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code. ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P.

Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 Authorization I hereby declare that I am the sole author of the thesis. I authorize the Hong Kong University of Science and Technology to lend this thesis to other institutions or individuals for the purpose of scholarly research. I further authorize the Hong Kong University of Science and Technology to reproduce the thesis by photocopying or by other means, in total or in part, at the request of other institutions or individuals for the purpose of scholarly research. Fang Liming FANG Liming Department of Mechanical Engineering August 28, 2006 ii PROCESSING OF UHMWPE AND HA/UHMWPE NANOCOMPOSITE FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS by FANG Liming This is to certify that I have examined the above PhD thesis and have found that it is complete and satisfactory in all respects, and that any and all revisions required by the thesis examination committee have been made.

Z Professor LENG Yang, Department of Mechanical Engineering Professor GAO tế, Department of Chemical Engineering Z Head, Professor YU Tongxi, Department of Mechanical Engineering Department of Mechanical Engineering August 30, 2006 iil Acknowledgements First of all, I am most grateful to my supervisors, Prof. LENG Yang and Prof. LENG introduced me to the fantastic world of biomaterials and helped me to build my own interest in biomaterials. GAO’s critical and constructive comments and her urge for excellent work was a great driving force for me to work hard.

Without her excellent contributions, this thesis would not have been possible. WANG Min, Prof. KIM Jang-Kyo, Prof. SUN Qingping, and Prof.

GAO Furong for participating in the committee of this thesis. I would like to thank technicians of the departments of chemical engineering, mechanical engineering, advanced engineering materials facility, and materials characterization & preparation facility, for their kind help. Special thanks going to Ms Pauline LEUNG ST, Mr. CHENG HY, Mr.

YEUNG WL, and Mr. Alex FOK, for their detailed and patient instructions. I wish to express my appreciations to all group members in both mechanical and chemical labs. In particular, Mr.

SUN WZ helped me to run the tedious wear test. LU X and Mr. TANG YH worked with me for several years, your invaluable advice and kind assistance would be a life-long memory. XIN RL and Mr.

ZHAO ZF were always nice to share new ideas with me. I am very glad to have the chance to cooperate with Miss ZHANG WJ, Mr. YANG C, and Dr. RUAN SL, et al.

Also, I must thank all the friends who made my life in HKUST colorful and joyful. Last but not the least, I’d like to give my warmest gratitude to my parents, whose deepest and everlasting love are always my infinitive source of power to overcome all difficulties. I must thank my sister and brother-in-law for considerable supports both spiritually and financially all the time. I pray grandma and grandpa are peaceful in heaven since I lost all of you in the last five years but I could do nothing.

iv Table of Contents Titde.c- co co sS S0 0900 00 00008689868006085960 0666 ii Signature.ensee +49669999669985999698999669966669996086998886950566 sssssssssssese TÍÍ Acknowledgem€H(S.oooco co 033666 66 060166666661 666 96 sessse oe iV Table of Contents .cccccscsssssossccsssscesscorscerscsscsccecssscnees ee we V List of EFigures. 999 S58606008015055586660 690004 seseesssa AX List of Tables. 990993060009900809999090000000000090090008 seeseo XV Chapter 1 Background and objective kedsesssssseseesseseeesssse Ì INN\E i8 -.1 Strucfure and DFOD€TẨV. - GG cọ nọ te 1 1.2 Disorders and treatrn€rifS.2 Ultrahigh molecular weight polyethylene (UHMWPPE).1 Structure of UHMWPEE.

LG HH ng te 4 1.2 Properties of UHMWPE.3 Biomedical applications of UHMWPPE.4 Bone-analogue polymer matrIx blocOrmpOSIf€S.5 Objective and organ1ZafiOTI.- -s ng HH ni 13 Chapter 2 Processing of UNHMWPE — 15 2.1 Difficulties in processing UHMWPE.1 Chain mobility and crystal phases of polyethylene .2 Chain mobility and processability of UHMWPE .2 Conventional processing methods.3 Processing UHMWPE in hexagonal phase. --QQ TQ ren 22 2.1 Solid state extrusion of UHMWPE nascent powder.2 Temperature window effect of polyethylene 00. eee ee eceeeeeeeeeee 24 2.4 Processing UHMWPE using the temperature wIindow effect.1 UHMWPE nascent DOW€T. ee cee eeseesseecsseeeseeceteeceseeseseecsceeeaesessucesseeeses 27 2.5 Important factors in processing UHMWPE.-- HH HH HH ng 35 2.2 Lamellar crystal thickneSs.

se :sseessseseeseeseseeeeesesesessteesseeeceseeeeees 38 Chapter 3 Microstructure of DH MWP E .1 Scanning electron microscopy (SEM) .2 Transmission electron microscopy (TEM) .2 Microstructure of UHMWPE ex(rudaf€ .- HH ke 43 KV Na oi. ảằnằUPY£NẠIỊIẠạadadđiaia.2 Lamellar SfTUC{UT€. -- - ‹ - coHọ vn 46 Chapter 4 Wear property of UHMWPE. c s c s s es es e es 48 4.1 Wear testing of UHMWPPE.

- - --- cọ TH gi 0 i4 49 4.2 Sample Dr€DATAtÍOT. - HT cv 50 LÍ NI.- ng Họ th 54 4.1 Mass loss and volume 1088 .3 Factors affect wear property of UHMWPPE. - HH ng ng 62 Chapter 5 Processing of HA/UHMWVPE nanocompoSÏÌte .1 Conventional processing methods of UHMWPE-based composites .2 Processing method of HA/UHMWPE nanocompOoSIf€.1 Twin-screw extrusion (TSE) compounding.2 Swelling UHMWPE to improve chain mobi]ity.3 Processing details of HA/UHMWPE nanocomposife .4 Important factors in processing HA/UHMWPE nanocomposite .1 Swelling effect on the viscosity of UHMWPE gel.2 Compounding parameters on the exfrUSIOII .3 HA content on the consolidation at the final stage. 80 Chapter 6 Mierostructure of HA/UHMWPE nanocomposite .1 Character1zation mmethOdS.

-- -- - so ng ng 82 6.2 Scanning electron microscopy (SEM).3 Transmission electron microscopy (TEM|).5 Fourier transform 1nfrared spectroscopy (FTIR).2 Chemical anaÌyS1S. chì HH HH no TT” 85 6.1 HA and UHMWPE in the composite (XXRD).3 Oxidation and paraffin oil residue (F TÌIR).3 Microstructure of HA/UHMWPE nanocomposife.1 HA nano particle dispersion (SEM, EDS).2 HA/UHMWPE interface (TEM).3 UHMWPE chann alignment (SEM, WAXD).4 Processing effects on microstructure of the compOSIf€. «co 94 Chapter 7 Mechanical properties of HA/UHMWPE nanocomposite .1 HA content effect on mechanical prODe€FI€S.2 Hot drawing effect on mechanical properties .4 Phenomenologlcal modeling of mechanical properti€s.-<~5 103 Chapter 8 Biological evaluation of HA/UHMWPE nanocomposite.1 BiocompatIbility test: Acute systeImiC fOXICI(Y.2 Bloactivity test: Simulated body fluid (SBE).- ác TH HH He 111 8.2 HA conftent efÍ€ct.3 Ca-P layer characf€r1ZzatIOn\. cv S9 TK tk, 113 Chapter 9 Concluding remarks and future WOF.--o co sec «nen 61660068666 117 9,1 Concluding rernarKS.

HH HH 119 References. 121 vii Appendices ee 135 Appendix A Pin-on-disc wear test of UHMWPE/CoCr alloy in literature. 135 Appendix B Mechanical properties of bio-analogue composites of interest. 139 Appendix C Acute systemic toxicity Study .cccccccscscsssessserscscecesecesessssnenes 141 Publication list.„‹ 146 Vili List of Figures Figure 1.1 Hierarchical structural organization of bone.2 Anatomy ofhuman hip jOITI.3 Typical metal-on-UHMWPE total hip joint replacement.4 Chain structure of UHMWPE.5 Loose hip prosthesis caused by bone resorption.6 Crosslinking process of UHMWPE.

HH HH ng me 8 Figure 1.7 Various applications of different polymer composite biomaterials.1 Equilibrium phase đdiagram of polyethylene.2 Typical processing steps in the manufacture of UHMWPE implants.3 Schematics of ram extrusion, compression molding, hot 1sostatic 94-0 ae.4 Fusion defects due to bad consolidation.5 Particle size đistribution of UHMWPE powder.---àcc- cà 27 Figure 2.6 SEM micrographs of UHMWPE powder morphology.7 Schematic drawing of Géttfert Rheograph 2003 capillary rheometer. A: test chamber; B: test barrel; C: locking nut; D: heater element; E: capillary block; F: round hole capillary; G: capillary nut; H: pressure transducer; I: thermocouple (mounting sleeve); J: thin wall là 416441 Phố .8 Schematic drawing of the extrusion đie. - - «s sen vn 28 Figure 2.9 Photo Of ©XÍTU(CIA€.10 Schematic of flow field and pattern during extrusIon.11 Force profile during extrusion,. ce cccccsessesoreessecceusnsasceeennsceseueesecenes 38 Figure 2.12 Crystal growth and size dependent phase stability diagram.1 SEM micrographs indicate the fusion defects of UHMWPE.

a) Microtome cut; b) Cryogenically fractured; c) Polished & etched. 1) GUR 1050 ram extruded; 2) Basell 1900 capillary extruded.2 SEM micrographs show lamellae structures in crystalline regions revealed after etching the amorphous phase of UHMWPE (etched specimen). a) GUR1050 ram extruded; b) Basell1900 capillary ©4409" .3 TEM micrograph shows the lamellar structure of capillary extruded UHMWPE (unsftainedÌ). - - --- ng nọ 0t 45 Figure 3.4 XRD patterns of as-received UHMWPE powder and capillary extruded UHMWPE rod indicate the chain orientation in as- extruded UHMWPE.

a) Equipment setup; b) Pin-on-disc configuration; c) Environrnental chamber.2 Photos of UHMWPE pin and CoCrMGO đỉsc.- --- Su nen ese 51 Figure 4.3 Schematic drawing of CoCrMG đ1§C.4 Wear loss of UHMWPE against wear testing cycles and sliding CiStANCE.5 Mass loss of UHMWPE against wear testing cycles in the steady WEALP SLAZE.6 Morphology of as-extruded UHMWPE wear debris characterized by SEM after different wear cycles.7 Morphology of as-received UHMWPE wear debris characterized by SEM after different wear cycles.8 Morphology of as-received UHMWPE wear debris characterized by SEM after different wear cycles.9 Surface topography of UHMWPE pin and CoCr disc before and after wear testing examined by optical pro fẨiÏ€r. --- x1 se vee« 60 Figure 4.10 SEM morphology of UHMWPE worn surface. a~c) as-received; d~f) as-extruded UHMWPE.1 Schernatic Of twin-SCT€W ©XÍTU€T.2 Improved chain mobility of polymer swollen gel.3 As-received HA powder size đistrIDbutiOT.- dc n1 1 seeese 72 Figure 5.4 SEM micrographs of as-received HA powder.5 Left: Twin-screw extruded fibers; Right: Pelletized granules.6 Viscosity dependence on HMWPPE concentration.7 Compounding variables effect on exfruSIOn.1 Angles y and y defining the position of the normal to a given hkl crystal plane in the sample reference system. DD, draw direction or fiber axis; ND, normal direction; TD, transverse direction; /,, incident x-ray beam; Jgiy, diffracted intensity.2 XRD patterns of UHMWPE (a), HA powder (h), and HA/UHMWPE nanocomposite (b~g) with HA volume content from 0 (b) to 50% (2.3 a) TGA measurement of pure paraffin oil, HA, and UHMWPE powder.

b) Derivative of weight against temperature.4 TGA thermographs show the actual weight percentage of HA filler content and thermal degradation temperature of HA/UHMWPE nanocomposites with nominal HA volume percentage increasing from 0 (€) to 0 10.5 TGA thermograph of the composite with nominal HA content of 77wt% after paraffin oil extraction in hexane.6 FTIR spectra of UHMWPE powder (a), paraffin oil (b), HA powder (c), HA/UHMWPE powder mixture (d), and HA/UHMWPE nanocomposite (e). Small figure: Enlarged spectra in the wave number range of 2800~2975 0 88 Figure 6.7 SEM micrographs of HA/UHMWPE compounds cross section after twin-screw extrusion (a~f: HA vol. Sàn se Figure 6.8 Dispersion of HA nano particles (SO0vol%) in UHMWPE matrix characterized by SEM and EDS. Top surface of compression molded sheet: a) Global HA dispersion and b) Inter-penetration network of HA particles and UHMWPE fibrils; Cryogenically fractured cross section surface: c) Homogeneous dispersion of HA nano particles in the composite; d) EDS elemental analysis; and e) EDS map scanning of the element Calcium (Ca) of HA (bright so) .9 TEM micrographs of the HA/UHMWPE nanocomposite with HA volume percentage 12.

a) Composite morphology; b) Selected area for SAED and HRTEM analysis; c) SAED pattern of the area in b); and d) HRTEM image of the ellipse area In b).10 SEM micrographs show the homogeneous dispersion of HA nano- particles and highly oriented UHMWPE fibrils after hot drawing (DR = 20).11 WAXD patterns show the orientation of UHMWPE fibrils decreases „20:85.