人工關(guān)節(jié)CoCrMo-UHMWPE 配副在不同接觸應(yīng)力下的摩擦、磨損和磨屑特征

王 松， 付松卿， 田徐騰越， 李俊輝， 徐 娟，5， 劉偉強，

(1. 深圳清華大學研究院 生物醫(yī)用材料及植入器械實驗室， 廣東 深圳 518057；2. 清華大學機械工程系， 北京 100084； 3. 四川大學華西口腔醫(yī)學院a. 口腔疾病研究國家重點實驗室，b. 國家口腔疾病臨床醫(yī)學研究中心， 四川 成都 610041；4. 河南省洛陽正骨醫(yī)院(河南省骨科醫(yī)院) 骨科中心， 河南 鄭州 450002；5. 泗涇醫(yī)院口腔科， 上海 201601)

0 前 言

人工關(guān)節(jié)置換術(shù)是治療嚴重骨關(guān)節(jié)炎疾病的常用手術(shù)，在緩解疼痛、保留運動等方面發(fā)揮重要作用[1，2]。然而，人工關(guān)節(jié)面材料摩擦磨損產(chǎn)生大量磨屑會導致假體無菌性松動，已成為影響假體使用壽命和臨床可靠性的重要因素[3-5]。 因此，了解假體材料的摩擦磨損和磨屑特征，對新型人工關(guān)節(jié)摩擦學設(shè)計具有重要意義[6，7]。

針對人工關(guān)節(jié)最常用的鈷鉻鉬(CoCrMo)-超高分子量聚乙烯(UHMWPE)配副，雖然已有較多文獻開展了摩擦磨損研究，但現(xiàn)有文獻卻較少涉及其磨屑特征，尤其是磨屑數(shù)量、尺寸、形貌及其分布的綜合特征[8]。另一方面，由于體重、運動情況存在個體化差異，植入患者體內(nèi)的人工關(guān)節(jié)的實際接觸應(yīng)力數(shù)值可能在較大范圍變動。 有研究[9-11]表明，天然和人工關(guān)節(jié)接觸應(yīng)力在十幾MPa 至數(shù)十MPa 之間。 然而，目前針對不同接觸應(yīng)力下的人工關(guān)節(jié)材料的磨屑特征的研究也較少。

鑒于此，本工作擬針對人工關(guān)節(jié)CoCrMo-UHMWPE 配副，在22，35，48，60 MPa 點面接觸應(yīng)力下，系統(tǒng)開展CoCrMo-UHMWPE 配副的摩擦磨損和磨屑特征研究，以期揭示接觸應(yīng)力對人工關(guān)節(jié)摩擦學性能的影響。

1 實驗材料與方法

1.1 往復滑動實驗材料與方法

實驗材料選用人工關(guān)節(jié)CoCrMo-UHMWPE 配副，球盤接觸往復滑動實驗中上試樣為直徑6.35 mm 的CoCrMo 合金球(Ra＝0.010 μm)，下試樣為由高交聯(lián)UHMWPE 棒材機加工成的φ50 mm×5 mm 圓盤(Ra＝0.1 μm)。 摩擦磨損實驗在Rtec 多功能摩擦磨損試驗機上進行，潤滑液選用新生牛血清溶液，25 ℃下該溶液pH 值為7.0～8.5，總蛋白含量為40 g/L，血紅蛋白含量≤200 g/L，細菌內(nèi)毒素含量≤10 EU/mL，滲透壓摩爾濃度為250～330 mOsmol/kg，實驗前將該溶液稀釋至總蛋白含量為20 g/L。 圖1 為往復滑動摩擦實驗示意圖，采用球盤點面接觸模式，潤滑形式為浸泡，接觸應(yīng)力分別為22，35，48，60 MPa，往復滑動行程為5 mm，運動頻率為2 Hz，循環(huán)次數(shù)為5 萬次。 每組實驗重復3次。 摩擦系數(shù)由試驗機實時記錄，磨損形貌采用OLYMPUS BX53M 金相顯微鏡(OM) 和 TESCAN MIRA3掃描電子顯微鏡(SEM)觀測，磨損量采用實驗前后分別清洗烘干稱重得到質(zhì)量差即質(zhì)量磨損量方式(Mettler XP1050R 精密電子天平)，磨損量為摩擦副總磨損量。

圖1 球盤點面接觸往復滑動摩擦實驗示意圖Fig. 1 Schematic diagram of ball counting surface contact reciprocating friction sliding friction experiment

1.2 磨屑分離與表征方法

采用酸處理法按如下步驟進行磨屑分離:(1)隨機選取均勻震蕩后的2 mL 代表性磨屑潤滑液；(2)超聲振蕩1 h 使其分散；(3)加入8 mL 37%(體積分數(shù))濃鹽酸，并在60 ℃水浴條件下攪拌處理1 h；(4)冷卻至室溫后將其以10 000 r/min 的轉(zhuǎn)速離心2 h；(5)取1 mL上層UHMWPE 懸浮液，并用50 倍體積甲醇稀釋；(6)超聲振蕩1 h 使磨屑重新分散均勻；(7)用孔徑為0.05 μm 的聚碳酸酯膜對液體進行真空抽濾；(8)將聚碳酸酯膜轉(zhuǎn)移進通風櫥干燥12 h，得到分離提純的UHMWPE磨屑。 針對含磨屑濾膜，采用掃描電子顯微鏡觀察磨屑SEM 形貌，為保證觀測結(jié)果隨機性，采用一定規(guī)律在每個樣品的36 個特定位置觀察磨屑SEM 形貌。

對磨屑SEM 形貌進行目標檢測和輪廓提取，從而獲得磨屑尺寸的數(shù)據(jù)。 由于磨屑的形貌和背景差異較為顯著，采用YOLOv4[12]和U-Net 網(wǎng)絡(luò)來處理UHMWPE 磨屑形貌，前者用于進一步確定單個磨屑在形貌圖上的位置和區(qū)域，后者用于提取磨屑的輪廓。 獲得磨屑形貌圖輪廓坐標數(shù)據(jù)后，結(jié)合形貌圖比例尺等信息，根據(jù)ASTMF 1877-16，獲得磨屑面積(A)、長徑(dmax)、短徑(dmin)、長寬比(r)、圓度(R)、矩形度(Re)、形狀因子(F)等磨屑尺寸數(shù)據(jù)，進而掌握磨屑的數(shù)量、形貌、尺寸和分布特征。 其中，磨屑圓度≥0.9 定義為球狀磨屑，矩形度≥0.8 定義為片狀磨屑，長寬比≥2.5定義為桿狀磨屑，矩形度＜0.4 定義為帶狀磨屑，矩形度≥0.5 且圓度≥0.3 定義為塊狀磨屑。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦系數(shù)

圖2 給出了CoCrMo-UHMWPE 配副往復滑動摩擦系數(shù)曲線。 由圖2 可知，在不同接觸應(yīng)力下，各組實驗摩擦系數(shù)相差不大，大致在0.125 0～0.140 0 之間變動，且隨著接觸應(yīng)力增加，摩擦系數(shù)有減少趨勢。 通過計算可知，當接觸應(yīng)力為22，35，48，60 MPa 時，其對應(yīng)的平均摩擦系數(shù)分別為0.139 6、0.135 2、0.125 1、0.126 6。

圖2 CoCrMo-UHMWPE 配副往復滑動摩擦系數(shù)曲線Fig. 2 Friction coefficient curves of CoCrMo-UHMWPE pair during reciprocating sliding

2.2 磨損量

圖3 給出了CoCrMo-UHMWPE 配副往復滑動磨損量變化曲線。 由圖3 可知，隨著接觸應(yīng)力增大，磨損量顯著增加，且磨損量與接觸應(yīng)力具有一定的線性相關(guān)性。 當接觸應(yīng)力為22，35，48，60 MPa 時，其對應(yīng)的磨損量分別為0.23，0.51，0.66，0.92 mg。

圖3 CoCrMo-UHMWPE 配副往復滑動磨損量變化曲線Fig. 3 Variation curves of wear amount of CoCrMo-UHMWPE pair during reciprocating sliding

2.3 磨損形貌

由于UHMWPE 材料的硬度遠小于CoCrMo 合金，因此，磨損劃痕主要出現(xiàn)在UHMWPE 材料表面。 圖4和圖5 分別給出了CoCrMo-UHMWPE 配副中UHMWPE 材料在往復滑動后的光學和SEM 磨損形貌。 由圖4 可知，在不同接觸應(yīng)力下，UHMWPE 材料表面均出現(xiàn)了不同程度的磨損劃痕，且隨著接觸應(yīng)力增大，劃痕數(shù)量和寬度均顯著增加。 由圖5 分析認為UHMWPE材料的磨損機理以磨粒磨損為主。 圖5a 和圖5b 中劃痕的SEM 形貌進一步顯示出UHMWPE 表面的劃痕出現(xiàn)大量撕裂狀斷裂和剝落現(xiàn)象，塑性變形較為嚴重，尤其當載荷增大時，表面散落更多磨屑顆粒，磨粒磨損程度加劇(圖5c 和圖5d)。 考慮到UHMWPE 的塑性變形，隨著磨損循環(huán)次數(shù)增加，其失效模式演變?yōu)槠诹鸭y導致的磨屑顆粒脫落，同時伴隨磨粒磨損和少量黏著磨損。

圖4 CoCrMo-UHMWPE 配副中UHMWPE 材料往復滑動光學磨損形貌Fig. 4 Optical wear morphologies of UHMWPE materials after reciprocating sliding for CoCrMo-UHMWPE pair

圖5 CoCrMo-UHMWPE 配副中UHMWPE 材料往復滑動SEM 磨損形貌Fig. 5 SEM wear morphologies of UHMWPE materials after reciprocating sliding for CoCrMo-UHMWPE pair

2.4 磨屑特征

本工作主要從磨屑數(shù)量及分布、磨屑尺寸及分布、磨屑形貌及分布3 個方面展示磨屑特征。 在磨屑數(shù)量特征方面，基于本工作分離、提取和表征磨屑的方法，當接觸應(yīng)力為22，35，48，60 MPa 時，得到的磨屑數(shù)量分別為55、74、105 和73 個，由此可知，隨著接觸應(yīng)力增加，磨屑數(shù)量總量呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。

在磨屑尺寸特征方面，圖6 為不同接觸應(yīng)力下UHMWPE 磨屑尺寸分布圖。 由圖6 可知，在4 種接觸應(yīng)力下， 尺寸區(qū)間在1～5 μm 的磨屑所占比例均最高(可達30%以上)，其次為尺寸區(qū)間在5～10 μm 的磨屑(占比約25%)， 即尺寸小于10 μm 的磨屑的數(shù)量比尺寸大于10 μm 的磨屑多。 當接觸應(yīng)力較小時(22，35 MPa)，大于10μm 的大尺寸磨屑的占比相對較大接觸應(yīng)力時(48 和60 MPa)的較多。 因此，隨著接觸應(yīng)力增加，小于1 μm 的小尺寸磨屑的占比有顯著增加趨勢，但大于10 μm 的大尺寸磨屑的占比卻顯著降低，即接觸應(yīng)力增加會導致磨屑尺寸顯著變小。

圖6 不同接觸應(yīng)力下UHMWPE 磨屑尺寸分布圖Fig. 6 Size distribution diagram of UHMWPE wear debris under different contact stresses

在磨屑形貌特征方面，磨屑類型主要包括塊狀、球狀、片狀、桿狀、帶狀和其他等。 圖7、圖8 給出了不同接觸應(yīng)力下UHMWPE 磨屑的典型SEM 形貌。 通過對比發(fā)現(xiàn)，在接觸應(yīng)力為22 MPa 時，磨屑尺寸較大，邊緣整齊、有切削感，大尺寸塊狀磨屑較多；35 MPa 時，產(chǎn)生的磨屑平均長徑有所減小，磨屑表面光滑程度下降，但邊緣仍平齊；48 MPa 時，磨屑表面粗糙程度進一步提高，出現(xiàn)較多小尺寸球狀磨屑；60 MPa 時，磨屑尺寸以5 μm 以下為主，邊緣平齊且表面光滑，出現(xiàn)更多小尺寸球狀磨屑。

圖7 接觸應(yīng)力為22，35，48 MPa 下UHMWPE 磨屑的典型SEM 形貌Fig. 7 Typical SEM morphologies of UHMWPE debris under contact stress of 22，35，48 MPa

圖8 接觸應(yīng)力為60 MPa 下UHMWPE 磨屑的典型SEM 形貌Fig. 8 Typical SEM morphology of UHMWPE debris under contact stress of 60 MPa

在磨屑形貌特征的分布方面，不同接觸應(yīng)力下UHMWPE 磨屑形貌分布如圖9 所示。 由圖9 可知，無論在何種接觸應(yīng)力情況下，塊狀磨屑所占比例均最高(60%以上)，其次為其他類型。 隨著接觸應(yīng)力增加，球狀磨屑占比也逐漸提高，由22 MPa 時的7.3%提升到60 MPa 時的9.6%。 總體而言，片狀和桿狀磨屑占比較小，其中片狀占比不足6%，桿狀占比不足3%，均屬于小比例磨屑類型。

圖9 不同接觸應(yīng)力下UHMWPE 磨屑形貌分布Fig. 9 Morphology distribution of UHMWPE debris under different contact stresses

2.5 討 論

根據(jù)上述實驗結(jié)果可知，接觸應(yīng)力對CoCrMo -UHMWPE配副的摩擦、磨損和磨屑特征均有顯著影響。相對其他3 種接觸應(yīng)力下的摩擦系數(shù)，22 MPa 時的波動和數(shù)值都更大，這與接觸應(yīng)力為22 MPa 情況下的載荷(0.5 N)較小有關(guān)，一方面這一載荷對應(yīng)的法向壓力過小，本身易產(chǎn)生波動，另一方面該載荷難以壓平摩擦表面，摩擦系數(shù)會在很大程度上受到不規(guī)則粗糙峰的影響。 而當接觸應(yīng)力增大時，表面粗糙峰更快地消失，摩擦系數(shù)也不斷減小，摩擦面變得光滑，這也使得UHMWPE 在固定接觸應(yīng)力下進一步發(fā)生形變，當集中應(yīng)力超過了材料屈服強度(UHMWPE 屈服強度為23 MPa，拉伸強度為60 MPa)時，黏著效應(yīng)使得UHMWPE撕裂剝落，發(fā)生磨粒磨損，進而在UHMWPE 產(chǎn)生大量劃痕，賀迎[13]在其研究中同樣解釋了這一現(xiàn)象。 當接觸應(yīng)力逐漸增大并已經(jīng)超出屈服強度時，局部甚至超過拉伸強度，UHMWPE 材料的撕裂和疲勞剝落現(xiàn)象逐漸嚴重，進而產(chǎn)生更大的磨損量。 本工作發(fā)現(xiàn)磨損量與接觸應(yīng)力基本呈現(xiàn)線性關(guān)系，說明接觸應(yīng)力是導致UHMWPE 磨損失重的主要因素。

在潤滑液方面，本工作選用含蛋白質(zhì)的新生牛血清溶液，相較于干摩擦，它不僅可以作為冷卻劑，通過降低接觸區(qū)的摩擦熱效應(yīng)來減小摩擦系數(shù)，另一方面，也可以充當潤滑劑，該溶液在壓入摩擦表面時可以轉(zhuǎn)移一部分接觸應(yīng)力[14]，尤其是溶液中的蛋白質(zhì)可以吸附在摩擦表面，使得滑動更容易發(fā)生[15]。 因而，本工作中的潤滑環(huán)境更符合實際人工關(guān)節(jié)所處工況，摩擦系數(shù)和磨損量數(shù)值區(qū)間整體也較小。

在磨屑的生成方面，本工作得到的磨損量為摩擦副整體結(jié)果，并未區(qū)分CoCrMo 和UHMWPE 磨屑，主要基于以下幾點因素:(1)試驗接觸應(yīng)力為22～60 MPa，而醫(yī)用鍛造CoCrMo 合金材料的屈服強度為590 MPa，拉伸強度為840 MPa，高交聯(lián)UHMWPE 材料的屈服強度為23 MPa，拉伸強度為60 MPa。 從接觸應(yīng)力所處區(qū)間可知，其遠未達到CoCrMo 合金屈服強度，而UHMWPE 相關(guān)強度卻處于此區(qū)間，因此，理論上材料的變形和脫落主要來源于UHMWPE。 (2)CoCrMo 的硬度遠大于UHMWPE 的，且采用的是CoCrMo 球-UHMWPE盤配副，因此表面損傷也主要來源于UHMWPE。 綜上，雖然理論上應(yīng)有極少量CoCrMo 磨屑，但在實際測試中很難被檢出。 鑒于此，本工作參考相關(guān)文獻[8，16]的常規(guī)做法，忽略CoCrMo 產(chǎn)生的磨屑。

在磨屑特征方面，接觸應(yīng)力對磨屑的數(shù)量、尺寸和形貌及其分布均有顯著影響。 本工作發(fā)現(xiàn)，當接觸應(yīng)力較小時，大尺寸的磨屑較多；而當接觸應(yīng)力較大時，小尺寸的磨屑較多。 這是因為應(yīng)力較小時，材料主要發(fā)生磨粒磨損，較大的UHMWPE 磨屑從粗糙峰上被合金切削且脫落，而當應(yīng)力較大時，磨粒磨損也同時伴隨黏著磨損，大尺寸磨屑會在大應(yīng)力作用下被揉壓搓碎，使得小尺寸磨屑的數(shù)量增加，尤其是小尺寸的球狀磨屑。 朱玉蘋[17]也指出，在一定范圍內(nèi)，大的接觸應(yīng)力會使得小磨屑的濃度增加，但是磨屑平均粒度隨著接觸應(yīng)力的增大而先增大后減?。荒バ嫉臐舛葎t隨著接觸應(yīng)力的增大而先增大后減小，這一規(guī)律也能從材料的磨損機理上得到解釋:當接觸應(yīng)力增大時，磨粒磨損加劇，材料脫落增加，而當接觸應(yīng)力超過一定值后，會更多地發(fā)生擠壓行為并相應(yīng)地導致黏著磨損，因此生成的磨屑數(shù)量開始減少。 在磨屑形貌特征方面，塊狀磨屑所占比例最高，這與本工作中塊狀磨屑的定義較為寬泛有關(guān)。 而球狀、桿狀、帶狀和片狀磨屑的定義更具有可辨識度，因此，相應(yīng)的磨屑所占比例相對較少。

3 結(jié) 論

接觸應(yīng)力對人工關(guān)節(jié)CoCrMo-UHMWPE 配副的摩擦、磨損和磨屑特征均有顯著影響。

(1)隨著接觸應(yīng)力逐漸增大，CoCrMo-UHMWPE 配副摩擦系數(shù)的變化不大，但具有降低趨勢。

(2)隨著接觸應(yīng)力逐漸增大，磨損量顯著增加，分別由22 MPa 時的0.23 mg 增加到60 MPa 時的0.92 mg，且具有一定線性關(guān)系。

(3)隨著接觸應(yīng)力逐漸增大，磨損形貌也顯示出更嚴重的犁溝劃痕現(xiàn)象，但磨損機理均以磨粒磨損和疲勞磨損為主，同時伴隨少量黏著磨損。

(4)接觸應(yīng)力增大會引起尺寸小于5 μm 的磨屑的數(shù)量顯著增加，但磨屑數(shù)量總量先增加后降低，典型磨屑形貌特征則均以塊狀為主，伴隨少量尺寸更小的片狀和球狀等磨屑類型。