聚醚醚酮與髕骨軟骨間的生物摩擦學(xué)特性

張欣悅，張德坤，陳 凱，徐寒冬

(1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

全膝關(guān)節(jié)置換術(shù)(total knee arthroplasty, TKA)對(duì)于關(guān)節(jié)炎患者是一種非常有效的治療手段[1]，目前研究應(yīng)用的人工膝關(guān)節(jié)假體材料主要為金屬、骨水泥、生物陶瓷、高分子復(fù)合材料4大類，但由于假體材料的生物力學(xué)特性與天然關(guān)節(jié)存在一定差異，隨年限的增加，會(huì)出現(xiàn)無(wú)菌松動(dòng)、感染和骨溶解等一系列問(wèn)題[2-4]，制約著人工關(guān)節(jié)的使用壽命。傳統(tǒng)的人工關(guān)節(jié)置換普遍采用鈷鉻鉬合金作為股骨組件材料，但存在質(zhì)量大、重金屬離子及應(yīng)力遮擋等問(wèn)題[5]。聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)是一種芳香族半結(jié)晶的線型熱塑性聚合物，具有較低的制造成本、良好的生物相容性[6-7]、優(yōu)異的耐腐蝕性、耐磨性及抗疲勞性等[8-9]優(yōu)點(diǎn)，自20世紀(jì)90代初期以來(lái)，已經(jīng)越來(lái)越多地被用在整形外科、脊柱等植入物上[10-11]。

眾多學(xué)者對(duì)PEEK材料在關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域的應(yīng)用展開了大量研究，韓成龍等[12]發(fā)現(xiàn)，PEEK椎體間融合器的并發(fā)癥明顯低于其他材料的融合器，是治療脊髓型頸椎病的一種良好選擇。Lee等[13]證明用PEEK復(fù)合材料制作的種植體更符合疲勞強(qiáng)度的要求，且其彈性模量接近皮質(zhì)骨的彈性模量，可有效減小應(yīng)力遮擋效應(yīng)。Pace等[14]使用CFR-PEEK內(nèi)襯對(duì)氧化鋁陶瓷頭的體外模擬實(shí)驗(yàn)表明，CFR-PEEK生物相容性較好。Schole等[15]研究表明，與超高分子量聚乙烯和鈷鉻鉬的磨損(UHMWPE/CoCrMo)以及其他硬質(zhì)材料配合(UHMWPE/Ti合金，UHMWPE/ZrO2)相比，PEEK和CFR-PEEK材料在自我配合的磨損程度較低。

雖然PEEK作為一種新型生物材料，在自配合及與UHMWPE配合的低載實(shí)驗(yàn)中都表現(xiàn)出了優(yōu)異的摩擦學(xué)性能，但目前國(guó)際上在膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)假體置換中，PEEK材料還沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)臨床應(yīng)用，關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)界面間的摩擦行為還有待研究。且目前針對(duì)保留自身髕骨的半膝關(guān)節(jié)置換狀態(tài)來(lái)研究PEEK與髕骨軟骨的摩擦磨損行為還鮮有報(bào)道。髕骨是膝關(guān)節(jié)磨損的主要部件之一，髕骨置換后的并發(fā)癥占人工關(guān)節(jié)全膝置換并發(fā)癥的50%，包括應(yīng)力骨折、髕骨缺血性壞死、假體松動(dòng)、磨損、假體周圍髕骨骨折等[16]。Mayassi等[17]在醫(yī)療診斷可以保留髕骨的前提下，對(duì)照研究了保留自身髕骨的半膝關(guān)節(jié)置換和替換髕骨的膝關(guān)節(jié)置換術(shù)，發(fā)現(xiàn)患者自身髕骨比髕骨假體更符合生理和解剖而利于關(guān)節(jié)恢復(fù)。

針對(duì)保留自身髕骨的半膝關(guān)節(jié)置換狀態(tài)，本工作將PEEK生物材料與天然髕骨軟骨組合，研究不同摩擦配副、接觸載荷、滑移速率對(duì)PEEK與天然軟骨摩擦磨損行為的影響，分析了不同參數(shù)下摩擦配副之間的摩擦因數(shù)、磨損形貌等，相關(guān)研究?jī)?nèi)容對(duì)PEEK材料作為膝關(guān)節(jié)置換材料提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)分析其摩擦磨損機(jī)理及壽命預(yù)測(cè)情況具有重要的參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及制備

PEEK購(gòu)自江蘇奧康尼醫(yī)療科技發(fā)展有限公司，CoCrMo購(gòu)自上海氏博金屬制品有限公司，兩種材料的力學(xué)性能見表1。天然關(guān)節(jié)軟骨試樣取自18個(gè)月成年牛股骨髁和髕骨，屠宰后4h內(nèi)獲取，存放在生理鹽水中，在-20℃低溫箱中冷凍保存?zhèn)溆?，其力學(xué)性能見文獻(xiàn)[18]。Maroudas等[19]證實(shí)了軟骨在-20℃低溫下保存不會(huì)影響其力學(xué)特性。存儲(chǔ)時(shí)間不超過(guò)4天，軟骨樣品表面無(wú)損傷，對(duì)結(jié)果沒(méi)有影響，試樣表面的平整度和粗糙度對(duì)摩擦因數(shù)有較大影響[20]。軟骨試樣分別使用φ25mm(股骨)和φ6mm(髕骨)的空心鉆頭加工，選取軟骨中心較平整區(qū)域，隨后對(duì)軟骨試樣下表面進(jìn)行切割、打磨處理，以保證軟骨試樣底面的水平。髕骨試樣為φ6mm×6mm銷試樣，股骨、PEEK、CoCrMo試樣為φ25mm×4mm的圓盤試樣，進(jìn)行打磨拋光處理以保證試樣表面粗糙度一致，膝關(guān)節(jié)植入物粗糙度Ra約為0.04mm[21]。實(shí)驗(yàn)前，軟骨樣本在室溫下自然恢復(fù)，隨后放入體積分?jǐn)?shù)為25%的新生小牛血清(fetal bovine serum,FBS)中浸泡至少1h，以保證軟骨試樣飽和。實(shí)驗(yàn)用新生小牛血清購(gòu)自浙江天杭生物科技股份有限公司，質(zhì)量級(jí)別為超級(jí)，實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，軟骨試樣用生理鹽水清洗，其他試樣用去離子水清洗。

表1 選用材料的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of materials

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

針對(duì)膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的磨損形式和天然軟骨摩擦磨損的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，本研究選擇在RTEC多功能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行銷盤往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)摩擦實(shí)驗(yàn)(如圖1所示)，上試樣為髕骨軟骨銷，下試樣為PEEK/CoCrMo/股骨軟骨盤，運(yùn)動(dòng)方式為上試樣固定不動(dòng)，下試樣作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)獲取z方向變形量、滑行過(guò)程中切向力Fx、法向力Fz和摩擦因數(shù)等物理量，隨后采用VW-9000型高速攝像機(jī)、S-3000N 型掃描電鏡觀察磨損表面形貌特征以及采用DEKTAK XT型臺(tái)階儀測(cè)量下試樣表面磨痕輪廓，以研究其磨損機(jī)理。

本研究采用載荷、速率和配副3個(gè)因素進(jìn)行摩擦學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究載荷、速率、潤(rùn)滑和配副與摩擦因數(shù)和磨損程度的相關(guān)性。大量關(guān)節(jié)應(yīng)力研究表明，正常平均關(guān)節(jié)應(yīng)力范圍為0.1～2.0MPa，行走速率1～2rad/s，折合線速0～0.1m/s[22]。因此法向載荷分別選取10，20，30，40，50N，假設(shè)赫茲接觸，最高載荷不超過(guò)1.77MPa，即為正常接觸應(yīng)力范圍，滑移速率選取2，5，10，15，20mm/s。本研究測(cè)量120min內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以建立穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，所有實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。

圖1 摩擦實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of friction test

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦副對(duì)摩擦行為的影響

圖2為髕骨軟骨與不同材料之間摩擦因數(shù)的變化，由圖2(a)可以看出，PEEK/髕骨軟骨和CoCrMo/髕骨軟骨的摩擦曲線均呈現(xiàn)為先急劇增加后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)，而天然軟骨配副的摩擦因數(shù)曲線則為先下降再上升然后逐漸平穩(wěn)。這是由于天然軟骨本身獨(dú)特的組織結(jié)構(gòu)所決定的，加載初期，由于軟骨表層組織較為薄弱，存在少量微凸體，隨摩擦的進(jìn)行，表層薄膜被破壞，產(chǎn)生微小顆粒，且軟骨內(nèi)部水分無(wú)法及時(shí)釋放，導(dǎo)致開始時(shí)摩擦因數(shù)較高，隨后軟骨內(nèi)部水分有效釋放，摩擦因數(shù)有所降低，但隨著水分的持續(xù)流失，軟骨變形增大，摩擦因數(shù)增加，隨后軟骨中透明質(zhì)酸、磷脂質(zhì)等物質(zhì)有效促進(jìn)其軟骨的自潤(rùn)滑[23]，使軟骨變形與其自潤(rùn)滑相協(xié)調(diào)，摩擦因數(shù)達(dá)到平穩(wěn)，顯示軟骨優(yōu)越的自潤(rùn)滑作用，同時(shí)也說(shuō)明了天然軟骨配副間的摩擦因數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他兩種配副。圖2(b)為軟骨與不同摩擦副之間的平均摩擦因數(shù)(穩(wěn)定后最后10min的數(shù)據(jù))柱狀圖，可以看出，在同樣載荷、速率和潤(rùn)滑條件下，PEEK/髕骨軟骨的摩擦因數(shù)為0.235，明顯低于CoCrMo/髕骨軟骨的摩擦因數(shù)0.272，且圖2(a)曲線顯示其優(yōu)先達(dá)到平穩(wěn)階段，天然關(guān)節(jié)軟骨的摩擦因數(shù)很小，僅有0.0113。

圖3為不同配副的試樣表面形貌，可以看出，PEEK盤與CoCrMo盤表面皆有明顯的劃痕區(qū)域，而軟骨盤則無(wú)明顯劃痕，僅有稍微褶皺出現(xiàn)，在進(jìn)一步的SEM圖中(圖4)同樣表現(xiàn)為PEEK盤與CoCrMo盤表面有明顯犁溝，軟骨表面幾乎無(wú)損傷，但PEEK盤表面劃痕數(shù)量和均勻程度明顯高于CoCrMo盤，且劃痕周圍伴有毛邊。

圖3 不同配副表面宏觀形貌 (a)PEEK盤；(b)CoCrMo盤；(c)cartilage盤Fig.3 Macroscopic morphologies of the sample surface under different pairs (a)PEEK disc;(b)CoCrMo disc;(c)cartilage disc

圖4 不同配副表面SEM形貌(a)PEEK盤;(b)CoCrMo盤;(c)軟骨盤;(d)髕骨銷(PEEK);(e)髕骨銷(CoCrMo);(f)髕骨銷(軟骨)Fig.4 SEM morphologies of the sample surface under different pairs(a)PEEK disc;(b)CoCrMo disc;(c)cartilage disc;(d)patella cartilage pin(PEEK);(e)patella cartilage pin(CoCrMo);(f)patella cartilage pin(cartilage)

蠕變是在一定溫度下，應(yīng)力不變時(shí)，黏彈性材料的變形隨時(shí)間逐漸增加的一種現(xiàn)象，蠕變程度能反映材料的變形能力及尺寸穩(wěn)定性。圖5為3種材料在20N加載下的蠕變曲線，從圖中可以看出PEEK的最大變形量明顯大于CoCrMo，從而說(shuō)明PEEK更易發(fā)生黏彈性變形。圖6為實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)時(shí)法向形變曲線，CoCrMo/髕骨軟骨配副的實(shí)時(shí)變形高于PEEK/髕骨軟骨配副，軟骨組織變形較為平緩。這是因?yàn)檐浌遣牧吓c其他兩種材料相比硬度小且具有兩相性，其變形主要表現(xiàn)為軟骨的變形，由圖4(d)～(f)可以看出，CoCrMo/髕骨軟骨配副的軟骨銷表面出現(xiàn)較密集且深度較大的犁溝，損傷嚴(yán)重。PEEK/髕骨軟骨配副的銷表面僅有少量深度較淺的劃痕存在，且表面損壞程度較低，而天然軟骨配副的軟骨銷表面僅觀察到少量褶皺。同時(shí)軟骨變形越大，滑動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的阻力越大，摩擦因數(shù)越高，如圖2(a)，CoCrMo/髕骨軟骨配副的摩擦因數(shù)時(shí)變曲線高于PEEK/髕骨軟骨配副。

圖5 不同材料在20N加載下的蠕變曲線Fig.5 Creep curves of different materials under 20N loading

圖6 不同材料在20N加載下的法向形變曲線Fig.6 Normal deformation curves of different materials under 20N loading

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與天然髕骨軟骨配合摩擦?xí)r，與PEEK相比CoCrMo對(duì)軟骨的損傷更為嚴(yán)重，PEEK/髕骨軟骨、CoCrMo/髕骨軟骨配副的試樣表面均有不同程度的擦傷，下面將針對(duì)PEEK/髕骨軟骨配副展開進(jìn)一步研究。

2.2 載荷對(duì)摩擦行為的影響

圖7為不同載荷條件下PEEK/髕骨軟骨配副的摩擦因數(shù)的變化，由圖7(a)可以看出，摩擦因數(shù)隨時(shí)間的增加，表現(xiàn)出先急劇上升再緩慢增加直至平穩(wěn)的趨勢(shì)。在摩擦初始階段，由于軟骨表面膜具有一定的潤(rùn)滑作用，摩擦因數(shù)較低[23]；由于試樣表面微凸體的存在，實(shí)驗(yàn)初期實(shí)際接觸面積小于名義接觸面積，應(yīng)力集中，磨損較為嚴(yán)重，易產(chǎn)生凹痕和剝離坑，且表面膜在擠壓和剪切的作用下受到破壞，并產(chǎn)生黏著作用，摩擦力快速上升表現(xiàn)為摩擦因數(shù)急劇增加；隨著摩擦的進(jìn)行材料接觸面積增加，接觸應(yīng)力減小，且軟骨持續(xù)發(fā)生彈塑性變形，其中水分不斷從軟骨表面微孔中滲出以輔助潤(rùn)滑，該效應(yīng)使摩擦因數(shù)增速減緩直至穩(wěn)定且此時(shí)軟骨表面水分有效釋放，使得材料變形與自恢復(fù)能力相協(xié)調(diào)，磨屑的產(chǎn)生與排出達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，摩擦過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定階段，摩擦因數(shù)基本穩(wěn)定。對(duì)比實(shí)驗(yàn)前期曲線發(fā)現(xiàn)，低載時(shí)摩擦因數(shù)與時(shí)間的斜率大，到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間長(zhǎng)，載荷大時(shí)斜率有所降低，摩擦因數(shù)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間減短。

圖7 摩擦因數(shù)隨載荷的變化曲線 (a)摩擦因數(shù)時(shí)變曲線;(b)穩(wěn)定階段的摩擦因數(shù)Fig.7 Change curves of friction coefficient under different axial load(a)time-dependent curve of the friction coefficient;(b)friction coefficient at steady stage

圖7(b)為不同載荷條件下PEEK/髕骨軟骨配副的摩擦因數(shù)變化柱狀圖，可以看出，在同樣的速率潤(rùn)滑條件下，PEEK/髕骨軟骨配副的摩擦因數(shù)隨法向載荷的增大呈現(xiàn)出先降低后逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)。當(dāng)法向載荷較小時(shí)(10N)，軟骨中的水分不足以充分釋放，摩擦因數(shù)較高，隨著法向載荷的增大，軟骨自潤(rùn)滑效果愈加明顯，摩擦因數(shù)明顯降低，當(dāng)法向載荷達(dá)到一定量值時(shí)(30N)，軟骨自潤(rùn)滑效果充分發(fā)揮，此后法向載荷的增大對(duì)摩擦因數(shù)影響甚微。當(dāng)載荷從10N增至20N，軟骨與PEEK間的摩擦因數(shù)從0.372降至0.235，當(dāng)載荷增至30～50N時(shí)，摩擦因數(shù)幾乎穩(wěn)定在0.144左右。這與Katta等[24]用牛軟骨銷與牛軟骨片作為配副進(jìn)行往復(fù)摩擦實(shí)驗(yàn)的研究中得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相一致，隨著載荷從0.2MPa增至0.4MPa，軟骨與軟骨之間的摩擦因數(shù)逐漸降低。

雖然摩擦因數(shù)隨法向載荷的增大而減小，但磨損隨法向載荷的增大而明顯加重。圖8，9分別為PEEK試樣在10mm/s速率下磨損120min后表面形貌及磨痕輪廓曲線，從表面形貌圖可以看出，法向載荷越大，磨損越嚴(yán)重，PEEK表面劃痕越深，且分布越集中。從磨痕輪廓曲線可以看出，在磨痕兩側(cè)均有不同程度的凸起，這是由于擠壓變形所致。圖10為不同載荷下的磨痕深度變化圖，可以看出，隨載荷的增加，磨痕深度逐漸加大，50N載荷下的磨痕深度最大，可達(dá)443.7nm，10N載荷下最小，僅有109.8nm。這是因?yàn)殡S載荷的增大所產(chǎn)生的彈性變形量增加，單位法向力增大，進(jìn)而導(dǎo)致磨痕深度加大，相對(duì)磨損量增加。

圖8 不同載荷下PEEK表面形貌 (a)10N；(b)20N；(c)30N；(d)40N；(e)50NFig.8 Morphologies of the PEEK surface under different axial load (a)10N;(b)20N;(c)30N;(d)40N;(e)50N

圖9 不同載荷下PEEK表面磨痕輪廓 (a)10N；(b)20N；(c)30N；(d)40N；(e)50NFig.9 Trace profiles of the PEEK surface under different axial load (a)10N;(b)20N;(c)30N;(d)40N;(e)50N

圖10 不同載荷下的PEEK表面磨痕深度Fig.10 Trace depth of the worn PEEK surface under different axial load

圖11為PEEK/髕骨軟骨的實(shí)時(shí)法向形變曲線，可以看出，隨著法向載荷的增大，法向變形增大，符合材料蠕變曲線的一般規(guī)律。當(dāng)法向載荷較小時(shí)，軟骨變形主要以彈性變形為主，該彈性變形不斷協(xié)調(diào)上試樣的摩擦作用，因此試樣表面產(chǎn)生的磨痕較為輕微；隨著法向載荷的增大，軟骨表面的彈性變形逐漸轉(zhuǎn)變成塑性變形，接觸面失去原有的變形協(xié)調(diào)作用，試樣表面膜被破壞，磨損加劇，磨痕更為明顯。

分析圖11實(shí)驗(yàn)前期曲線發(fā)現(xiàn)，低載時(shí)法向變形量與時(shí)間的曲線斜率小，到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間較短，載荷大時(shí)曲線斜率增大，摩擦因數(shù)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間延長(zhǎng)，這一現(xiàn)象與圖8的規(guī)律相吻合。法向載荷的大小直接影響到軟骨中水分的釋放，對(duì)摩擦因數(shù)影響較大，加載時(shí)，軟骨中液體從高應(yīng)力區(qū)流向低應(yīng)力區(qū)，在初始加載期間，外部施加載荷主要由液相承受，內(nèi)部液體流出速率主要受外部載荷控制，低載時(shí)軟骨內(nèi)部液體流出速率較慢，其自潤(rùn)滑效果滯后于軟骨變形程度，表現(xiàn)為低載時(shí)摩擦因數(shù)增加快，高載時(shí)增加相對(duì)較慢。一段時(shí)間后，內(nèi)部高壓力使得軟骨內(nèi)的液體相流出組織，導(dǎo)致施加載荷轉(zhuǎn)移到軟骨固體相，軟骨的固體相承受外部載荷，導(dǎo)致接觸表面變形減慢，摩擦因數(shù)顯示不同的變化率，隨后自潤(rùn)滑與變形相適應(yīng)，摩擦因數(shù)逐漸穩(wěn)定。

圖11 PEEK/髕骨軟骨的實(shí)時(shí)法向形變曲線Fig.11 Normal deformation curves of PEEK/patella cartilage

2.3 速率對(duì)摩擦副摩擦行為的影響

圖12為不同速率條件下PEEK/髕骨軟骨配副的摩擦因數(shù)的變化，圖12(a)摩擦因數(shù)時(shí)變曲線與圖7(a)中的變化趨勢(shì)基本一致，可分為3個(gè)階段，快速上升期、緩慢上升期和穩(wěn)定期，符合摩擦學(xué)摩擦因數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。從快速上升期(前800s)的曲線可以看出，低速時(shí)的曲線斜率較小，達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間較短，高速時(shí)的曲線斜率較大，所需時(shí)間較長(zhǎng)。圖12(b)為不同速率條件下PEEK/髕骨軟骨配副的摩擦因數(shù)變化柱狀圖，可以看出，在同樣載荷潤(rùn)滑條件下，摩擦因數(shù)隨著滑移速率的增大而增大，當(dāng)速率從2mm/s增至20mm/s時(shí)，摩擦因數(shù)從0.226增至0.300，這種規(guī)律在高滑移速率下(15～20mm/s)尤為明顯，在高滑移速率下，軟骨表面吸收/釋放水分的頻率無(wú)法與滑移的往復(fù)頻率協(xié)調(diào)，軟骨表面一直處于較大的變形狀態(tài)，軟骨的自我修復(fù)能力無(wú)法滿足軟骨表面變形，自潤(rùn)滑效果減弱，摩擦因數(shù)增大。

圖12 摩擦因數(shù)隨速率的變化曲線 (a)摩擦因數(shù)時(shí)變曲線;(b)穩(wěn)定階段的摩擦因數(shù)Fig.12 Change curves of friction coefficient under different velocities(a)time-dependent curve of the friction coefficient;(b)friction coefficient at steady stage

圖13,14為不同速率條件下的PEEK表面形貌及磨痕輪廓，從表面形貌圖可以看出，磨損形貌主要以劃痕為主，隨速率的增加，劃痕深度加大，密集程度增加，在高速(15～20mm/s)時(shí)磨損表面出現(xiàn)磨損顆粒擦傷的褶皺痕跡。從磨痕輪廓曲線圖中可以看出，磨痕寬度除在20mm/s外，表現(xiàn)出隨滑移速率增加而增加的趨勢(shì)，2mm/s速率下的磨痕寬度最窄，僅有288μm，15mm/s速率下最小，可達(dá)366μm，且磨痕周圍出現(xiàn)不同程度的褶皺。圖15為不同速率下PEEK表面磨痕深度變化圖，可以看出，隨滑移速率的增加，磨痕深度加大，20mm/s速率下的磨痕深度最大，可達(dá)185.8nm，2mm/s速率下最小，僅有95.12nm。這是由于速率增加，摩擦表面產(chǎn)生的摩擦熱上升，摩擦熱的存在在一定程度上會(huì)增加摩擦阻力，阻礙磨損產(chǎn)物的排出[25]，同時(shí)隨滑動(dòng)速率的增大，上試樣軟骨內(nèi)部水分的擠出滯后且試樣表面變形，也會(huì)阻礙磨損產(chǎn)物的排出，使磨損表面的損壞程度加深。

圖13 不同速率下PEEK表面形貌 (a)2mm/s;(b)5mm/s;(c)10mm/s;(d)15mm/s;(e)20mm/sFig.13 Morphologies of the worn PEEK surface under different velocities (a)2mm/s;(b)5mm/s;(c)10mm/s;(d)15mm/s;(e)20mm/s

圖14 不同速率下PEEK表面磨痕輪廓 (a)2mm/s;(b)5mm/s;(c)10mm/s;(d)15mm/s;(e)20mm/sFig.14 Trace profiles of the worn PEEK surface under different velocities (a)2mm/s;(b)5mm/s;(c)10mm/s;(d)15mm/s;(e)20mm/s

圖15 不同速率下PEEK表面磨痕深度Fig.15 Trace depth of the worn PEEK surface under different velocities

3 結(jié)論

(1)在小牛血清潤(rùn)滑的條件下，軟骨與髕骨軟骨組的摩擦因數(shù)最小，僅有0.0113，PEEK/髕骨軟骨組的摩擦因數(shù)明顯低于CoCrMo/髕骨軟骨組，PEEK/髕骨軟骨組的軟骨表面磨損輕微，CoCrMo/髕骨軟骨組的軟骨表面損傷嚴(yán)重，PEEK盤與CoCrMo盤表面皆有明顯犁溝，且PEEK盤表面劃痕數(shù)量和均勻程度明顯高于CoCrMo盤。

(2)PEEK/髕骨軟骨組的摩擦因數(shù)時(shí)變曲線可分3個(gè)階段，快速上升期、緩慢上升期和穩(wěn)定期，摩擦因數(shù)隨法向載荷增大而減小，該趨勢(shì)在低載荷條件下(10～20N)表現(xiàn)明顯，且法向載荷越大，PEEK表面磨痕越深，劃痕分布越集中，摩擦副間磨損越嚴(yán)重。

(3)PEEK/髕骨軟骨組的摩擦因數(shù)隨滑移速率的增大而增大，在高滑移速率條件下(10～20mm/s)明顯，且滑移速率越大，PEEK表面磨痕越深，摩擦副間磨損越嚴(yán)重。

(4)相對(duì)于滑移速率，載荷對(duì)摩擦因數(shù)的影響更大。