本研究调查了基于纤维增强的聚碳酸酯聚氨酯（PCU）作为候选半月板替代品的潜在用途。使用压缩成型技术设计和制造机械测试件。将超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维浸渍到PCU基体中，并评估其机械和微观结构性能。PCU的拉伸模量被发现不合适，因为它们比弯月板的拉伸模量相对较低，并且可能无法有效地复制弯月板的固有作用。然而，纤维的加入使拉伸模量显着增加，达到针对半月板组织测量的接近范围内的值。使用PCU纤维增强复合材料计算出的增量高达%。PCU复合材料中的嵌入纤维通过防止断裂PCU中出现的脆性破坏和塑性变形来增强断裂机制。复合材料的压缩行为随PCU基体材料的不同而变化。所开发的PCU复合材料所展示的机械特性表明，纤维增强材料具有相当大的潜力，可以复制半月板独特且多方面的生物力学作用。
一、简介
半月板是膝关节中复杂且重要的生物力学纤维软骨组织。半月板是重要的结构，因为它们在减震、关节润滑和关节一致性方面具有参与作用。由于半月板承受很大的力，它经常受到撕裂，并且随着时间的推移而磨损。半月板撕裂已被广泛报道为最常见的膝关节损伤之一。半月板损伤会影响其在膝关节中的负载分担和分配作用，这与关节软骨的退化和破坏性疾病骨关节炎的高风险有关。半月板去除对关节有相当大的影响，因为它会导致异常的接触压力，导致关节退化。由于半月板切除术的后果，替代措施涉及修复或更换半月板。然而，由于各种限制，可用的选择取得的成功有限，例如只有当撕裂发生在血管化区域时才可能进行修复，而血管化区域由于血液供应短缺而无法很好地愈合。同种异体移植物是用半月板切除膝关节替代年轻患者半月板的替代方法。尽管同种异体移植物具有可接受的临床结果，但长期检查显示对软骨的保护作用存在争议。此外，同种异体半月板移植物重塑困难且缺乏足够的强度。因此，同种异体移植不能绝对治愈半月板切除术后疼痛。另一方面，半月板替代物在生物力学上是合适的，并且在多方面撕裂的情况下作为替代品具有明显的优势，并且可以减轻与半月板损伤相关的剧烈疼痛。
人们已经寻求使用合成支架、天然半月板组织或复合材料来替代半月板。第一批开发的半月板替代品是由聚四氟乙烯和涤纶制成的永久性半月板替代品。在对兔子进行体内测试后发现这些替代品不兼容，因为磨损产生的颗粒沉积在植入物上。此外，机械完整性也受到损害。同样，研究人员也研究了嵌入聚乙醇酸纤维的聚（乳酸-乙醇酸）支架。尽管体内研究表明支架在植入十周后产生了类似半月板的组织，但该组织的机械模量不足，因为它与天然半月板不具有可比性。另一项开发是透明质酸和聚己内酯基质与聚乳酸增强纤维的复合材料。体内研究表明，复合材料支持半月板组织生长，植入后不会对软骨产生任何不利影响，但植入物挤出会导致失败。在开发全半月板替代品时采用了不同的方法，其中研究了胶原-透明质酸基质的多孔支架和可降解的聚（脱氨基酪氨酸-酪氨酸十二烷基酯十二酸酯）增强纤维。这些支架被证明是成功的，具有相当大的机械性能，适合作为半月板替代品；然而，植入物挤出仍然是一个挑战。人们已经研究了使用聚乙烯醇（PVA）水凝胶作为永久半月板置换的选择材料。研究表明植入物无法保护关节软骨，作者得出的结论是失败可能是由于尺寸不协调和固定效率低下造成的
研究探索了将超高分子量聚乙烯(UHMWPE)纤维纳入不同基质的可能性，例如聚（乙烯醇）水凝胶和聚碳酸酯聚氨酯。前一组制造的半月板替代品显示出良好的机械性能和可制造性。他们报告了局限性，包括分层和植入物挤出。在后一项研究中，使用承受压缩载荷的膝关节模型通过数学和实验确定了半月板假体的机械行为。然而，在体外充分表征所开发的复合材料的机械性能是必不可少的。而且，有限元模型是数值模型的近似。尽管一些研究人员致力于半月板替代品的开发，但他们的大部分尝试都集中在从组织工程角度研究植入物的生物学特性。虽然这些因素对于身体替换部件至关重要，但所开发的植入物的机械性能没有得到充分考虑。这种差距从文献报道的失败中就可以明显看出。因此，缺乏描述半月板组织替代物的机械要求和功能性能的信息。由于半月板的承载能力及其每年经历数百万次循环，因此评估用于替代半月板的植入材料的机械特性的重要性怎么强调都不为过，因为这将提供关键信息，例如植入前的安全性。此外，当前与现有合成半月板植入物相关的故障，强度、耐用性不足、脱位、磨损和断裂，进一步增强了评估拟用于替代半月板的材料的机械行为的需要。因此，选择适当的设计材料、几何形状和机械属性，可以产生合适的替代半月板的候选材料。
半月板是一束软骨组织，具有复杂的材料特性，随位置和方向的不同而变化。其奇特和特殊的作用源于其独特的化学、物理和生物力学成分，以及其独特的结构体系。
因此，为了恢复磨损的半月板的生物力学任务，重要的是谨慎选择生物力学特性尽可能接近天然半月板的替代材料。尽管弯液面在拉伸和压缩方面表现出与位置相关的特性，但预计可以精确地安装复合材料来复制这些特性，从而取代弯液面。因此，各向同性基质材料可能无法产生天然弯液面所表现出的不均匀和各向异性特性，但纤维增强聚碳酸酯聚氨酯（PCU）可以根据增强纤维及其方向的适当选择进行定制和调整。此外，纤维增强复合材料的使用将使增强纤维能够充当将植入物连接到关节囊的通道，以适应运动过程中的脱位。将高强度纤维融入软聚合物基质中以设计合成半月板替代物尚未得到广泛探索。因此，这项工作旨在开发一种结构化、定制的、PCU增强的UHMWPE（简称PE）复合材料作为半月板替代品。为了改进UHMWPE的表面结构以改善生物医学应用，已经引入了几种表面工程方法。这些方法包括等离子体技术、激光表面改性和掺入颗粒或纤维增强材料，已用于增强UHMWPE基材的机械、摩擦学和生物性能。
医用级聚氨酯已在生物医学应用中得到广泛推广。特别是，PCU因其优异的机械性能、生物稳定性和生物相容性而在骨科器械行业引起了广泛
