人工關(guān)節(jié)摩擦面形貌與摩擦特性的關(guān)系

李積武

摘? 要：高分子聚乙烯材料廣泛用于人工關(guān)節(jié)，然而磨損顆粒激活巨噬細(xì)胞釋放細(xì)胞因子，刺激破骨細(xì)胞導(dǎo)致骨吸收，研究表明，顆粒的體積和大小是巨噬細(xì)胞活化的關(guān)鍵因素，其中粒子的尺寸范圍在0.1-1.0μm最具生物活性;增大顆粒尺寸可減少高分子聚乙烯材料的磨損量。本研究提出了一種以Co-Cr-Mo合金為基體的納米級(jí)表面結(jié)構(gòu)技術(shù)，具有納米級(jí)溝槽的超細(xì)表面使高分子聚乙烯的磨損量減少，顆粒的形貌不變而尺寸增大。

關(guān)鍵詞：人工關(guān)節(jié);聚乙烯;摩擦;磨損量

中圖分類(lèi)號(hào)：TG13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）31-0020-02

Abstract： An ultra-high molecular weight polyethylene （UHMWPE） is widely used as bearing material in artificial joints. However， the wear particles activate macrophages， which release cytokines， stimulates osteoclasts to result in bone resorption. Many researchers reported that the volume and size of particles were critical factors in macrophage activation， in which particles in the size range of 0.1-1.0μm are the most biological active. To minimize the amount of wear of UHMWPE and to enlarge the size of UHMWPE wear particle， a nano-level surface texturing on Co-Cr-Mo alloy as a counterface material was invented. The superfine surface with nano-level grooves and dimples reduced the amount of UHMWPE wear， and did not change the morphological aspect of UHMWPE particle， but enlarged the size of UHMWPE particle.

Keywords： artificial joint; polyethylene; friction; wear loss

人工關(guān)節(jié)用的高分子聚乙烯材料的磨損顆粒會(huì)造成骨質(zhì)軟化及關(guān)節(jié)松動(dòng)，白血球中的噬菌體吸收磨損顆粒，從而產(chǎn)生骨髓炎等癥狀，磨損顆粒尺寸在1.0μm以下尤為顯著[1]。除磨損顆粒尺寸外，磨損量也影響生體反應(yīng)機(jī)能[2]。本研究中為了抑制生體的不良反應(yīng)，采用摩擦面為納米級(jí)溝槽的超細(xì)表面來(lái)控制磨損顆粒大小及磨損量。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及試樣制備

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，在摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了銷(xiāo)-平面接觸方式下的磨損實(shí)驗(yàn)。配副件為（直徑？覫12mm，表面粗糙度Ra=1nm）聚乙烯銷(xiāo)，平面試樣為（直徑？覫50×15mm） Co-Cr-Mo合金，摩擦走向20×20mm矩形，負(fù)荷為6.0Mpa，摩擦速度為12.12mm/s，摩擦距離為15km。

1.2 實(shí)驗(yàn)條件及方法

平面試樣表面狀態(tài)如圖2所示，圖示為激光表面粗糙度儀測(cè)定的表面粗糙度，其中G-1為一般人工關(guān)節(jié)表面粗糙度（Ra=10nm），P-1試樣（Ra=25.72nm），表面有10×10um，深度40.41 nm網(wǎng)狀溝槽;P-2試樣（Ra=7.63nm），表面有20×20um，深度15.77 nm網(wǎng)狀溝槽;P-3試樣（Ra=6.11nm），表面有30×30um，深度13.29 nm網(wǎng)狀溝槽;P-4試樣（Ra=2.22nm），表面有40×40um，深度4.15nm網(wǎng)狀溝槽;其中，W-1和W-2試樣為在P-2試樣的表面網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)不變情況下，降低表面的粗糙度和溝槽深度。

本實(shí)驗(yàn)中的潤(rùn)滑液，采用開(kāi)發(fā)的模擬關(guān)節(jié)液，成分如表1所示[3]。

2 結(jié)果及討論

不同表面形貌的Co-Cr-Mo合金試樣和聚乙烯銷(xiāo)的磨損量的關(guān)系如圖3所示。與普通人工關(guān)節(jié)表面G-1試樣磨損量相比，本實(shí)驗(yàn)所做的所有試樣的磨損量都要小，不同表面粗糙度及溝槽試樣（P-1，P-2，P-3，P-4）磨損量在增加，在溝槽結(jié)構(gòu)與P-2試樣相同，表面粗糙度及溝槽深度不同的W-1和W-2試樣中，磨損量在減少。

G-1試樣和W-1試樣中的聚乙烯摩擦顆粒的大小分布如圖4所示。雖有目視比較時(shí)有誤差，但是，可以明顯的看出摩擦顆粒尺寸變化規(guī)律，與G-1試樣相比，W-1試樣中，對(duì)生體反應(yīng)強(qiáng)烈的小于0.2um尺寸的摩擦顆粒數(shù)減少，1.0-1.5um之間的摩擦顆粒數(shù)增加。同時(shí)，也發(fā)現(xiàn)了大于5.0um的摩擦顆粒。

摩擦副聚乙烯的摩擦面的表面粗糙度（Ra=1nm左右）為人工關(guān)節(jié)表面粗糙度的1/10左右，由此可以認(rèn)為磨損形態(tài)為磨粒磨損向粘結(jié)磨損過(guò)度。通常與磨粒磨損相比，粘結(jié)磨損的磨粒尺寸要小，但是，由于采用了W-1試樣的表面形狀使得聚乙烯磨損顆粒的形態(tài)沒(méi)有變化，只是磨損顆粒變大，磨損量減少。這種現(xiàn)象是由表面網(wǎng)狀溝槽引起，表面溝槽可儲(chǔ)存潤(rùn)滑液，摩擦過(guò)程中起到潤(rùn)滑效果[4]。

3 結(jié)束語(yǔ)

從人工關(guān)節(jié)磨損面間的磨損特性來(lái)看，在摩擦面間為了更好的摩擦效果，表面有一定程度的溝槽，可起到很好的潤(rùn)滑效果，摩擦面采用納米級(jí)溝槽的超細(xì)表面來(lái)控制磨損顆粒大小及磨損量。

本研究得到了日本國(guó)立巖手大學(xué)，表面工程學(xué)研究室?guī)r渕明教授的熱情幫助和大力支持，在此表示感謝。

參考文獻(xiàn)：

[1]Campbell，P.S.： Isolation of predominantly submicronsized UHMWPE wear particles from periprosthetic tissues. J. Biomed. Mater. Res.，1995，29：127-133.

[2]中西義孝，日垣秀彥：模擬關(guān)節(jié)液による摩耗試験の有用性.

日本臨床バイオメカニクス學(xué)會(huì)誌，28：205-209，2015.

[3]Jiwu. Li A. Iwabuchi T. Shimizu， A Study on the fretting wear of SUS304 steel in Na2SO4 Solution， Japan Society of Tribologists[J]. 2005，50（2）：180-186.

[4]中西義孝，日垣秀彥：人工關(guān)節(jié)摺動(dòng)動(dòng)面のサブミクロン溝処理による超高分子量ポリエチレン低摩耗化の試み.日本臨床バイオメカニクス學(xué)會(huì)誌，31：199-205，2010.