滑液組分對(duì)人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)行為影響研究進(jìn)展

譚 琴, 張亞麗, 張小剛, 靳忠民

(西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 摩擦學(xué)研究所, 四川 成都 610031)

骨與骨之間的連接部分統(tǒng)稱為關(guān)節(jié)，由關(guān)節(jié)面、關(guān)節(jié)囊和關(guān)節(jié)腔組成.其中關(guān)節(jié)面是骨與骨的接觸面，其上具有富有彈性且可承受載荷、抵抗沖擊和減少摩擦的軟骨；關(guān)節(jié)囊作為連接骨與骨的橋梁，分內(nèi)、外兩層，前者為纖維層，后者為可分泌關(guān)節(jié)液的滑膜層；關(guān)節(jié)腔是關(guān)節(jié)面和關(guān)節(jié)囊之間的空間，充滿具有緩沖和潤(rùn)滑作用的滑液(或稱關(guān)節(jié)液).自然關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示[1].

Fig.1 (a) Schematics at articulating surfaces of the knee joint [1]; (b) photograph of a knee implant [3]圖1 (a)膝關(guān)節(jié)中各組織結(jié)構(gòu)示意圖[1]; (b)膝關(guān)節(jié)假體[3]

對(duì)于關(guān)節(jié)炎病人而言，其軟骨組織遭到破壞，骨與骨之間磨損加劇，引起關(guān)節(jié)劇烈疼痛，病人不得不進(jìn)行關(guān)節(jié)置換術(shù)[2]，膝關(guān)節(jié)假體如圖1(b)所示[3].目前人工關(guān)節(jié)平均壽命為10~15年，人工關(guān)節(jié)在磨損過(guò)程中產(chǎn)生的磨屑與骨組織發(fā)生作用，造成骨溶解和骨吸收，進(jìn)而使假體因無(wú)菌性松動(dòng)而失效，而摩擦磨損和潤(rùn)滑失效是關(guān)節(jié)植入失效的主要原因[4-9].通過(guò)改進(jìn)滑液的潤(rùn)滑作用可較大程度改善人工關(guān)節(jié)的摩擦磨損[10-11]，因此，研究人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑機(jī)理來(lái)減少人工關(guān)節(jié)的摩擦和磨損對(duì)于延長(zhǎng)人工關(guān)節(jié)的使用壽命有極重要的意義.

骨性關(guān)節(jié)炎病人滑液、類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎病人滑液、關(guān)節(jié)置換術(shù)后假體周?chē)汉徒】店P(guān)節(jié)滑液，主要成分都是白蛋白、γ-球蛋白、透明質(zhì)酸(HA)、磷脂(PLs)和潤(rùn)滑素，其中蛋白含量最高[1, 11].疾病關(guān)節(jié)滑液和健康關(guān)節(jié)滑液在成分和濃度方面有差異，不同疾病關(guān)節(jié)滑液組分濃度也不同[12-16].與健康滑液相比，關(guān)節(jié)炎病人滑液中透明質(zhì)酸和潤(rùn)滑素濃度偏低而脂質(zhì)濃度偏高[17].關(guān)節(jié)置換術(shù)后滑液中γ-球蛋白濃度顯著增高的同時(shí)磷脂濃度大幅度下降[18].各種疾病關(guān)節(jié)滑液和健康關(guān)節(jié)滑液組分濃度列于表1中[1-2, 13-14, 17-20].健康滑液是自然關(guān)節(jié)的天然潤(rùn)滑劑，而關(guān)節(jié)置換術(shù)可能破壞關(guān)節(jié)滑膜，引起假體周?chē)旱幕瘜W(xué)和物理性能變化，其對(duì)人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)行為影響顯著[21-25]，從而影響假體使用壽命[18, 26-27].

表1 疾病關(guān)節(jié)滑液以及健康滑液主要組分濃度[1-2, 13, 14, 17-20]Table 1 The major concentrations of synovial fluid of both diseased and healthy joints[1-2, 13-14, 17-20]

潤(rùn)滑劑是模擬體內(nèi)植入物磨損機(jī)理和磨損率的重要因素[28-29]，體外試驗(yàn)常用去離子水、生理鹽水、牛血清和合成滑液等替代滑液.超高分子量聚乙烯(Ultrahigh molecular weight polyethylene, UHMWPE)在水和磷脂溶液中出現(xiàn)了臨床未見(jiàn)的黏著磨損[30-32]，其在磷脂溶液中的磨損率幾乎可忽略不計(jì)[28]，但在血清中的磨損率和表面形貌與臨床結(jié)果相符[33-34]，由于倫理道德問(wèn)題及試驗(yàn)對(duì)潤(rùn)滑劑的需求等不能使用人血清，同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)植入物的臨床結(jié)果和牛血清的摩擦學(xué)行為相似[33-34]，因此國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(International Organisation for Standardisation, ISO)規(guī)定以稀釋的牛血清作為關(guān)節(jié)植入物磨損測(cè)試的潤(rùn)滑劑，髖關(guān)節(jié)假體使用總蛋白濃度為30 mg/ml的牛血清[35]，膝關(guān)節(jié)假體使用總蛋白濃度為20 mg/ml的牛血清[36]，牛血清的主要成分及濃度列于表2中[14].

表2 牛血清主要成分及濃度[14]Table 2 Typical constituents and concentration of bovine calf serum[14]

研究表明，增加總蛋白濃度會(huì)減小磨損[37-40]，而且白蛋白溶液中摩擦系數(shù)和磨損率比γ-球蛋白溶液中低[41].此外白蛋白和γ-球蛋白的比例對(duì)人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)行為也有較大影響[42-43].透明質(zhì)酸主要增加潤(rùn)滑劑黏度，單一的透明質(zhì)酸不會(huì)形成固體吸附膜[44-45]，且單一脂質(zhì)潤(rùn)滑作用不大[46]，但在蛋白質(zhì)溶液中同時(shí)加入磷脂和透明質(zhì)酸可以明顯改善潤(rùn)滑液摩擦學(xué)行為[47-48].

運(yùn)動(dòng)方式同樣對(duì)植入物磨損機(jī)理起主導(dǎo)作用，在水或血清中，對(duì)于往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)和單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，UHMWPE磨損率比復(fù)合運(yùn)動(dòng)低1~3個(gè)數(shù)量級(jí)[28, 32, 49-50]，在往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)中耦合15°交叉運(yùn)動(dòng)，UHMWPE磨損率增大10倍以上[51-52]，復(fù)合運(yùn)動(dòng)改變了UHMWPE分子鏈排序，導(dǎo)致其斷裂，從而加劇磨損[53]，因此其更符合體內(nèi)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)和臨床結(jié)果[54-55].

綜上可知，健康滑液和不同疾病關(guān)節(jié)滑液在組分和濃度上區(qū)別較大，組分濃度和組分間耦合作用對(duì)人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)行為均有較大影響.在體外磨損試驗(yàn)中，選擇與疾病關(guān)節(jié)滑液組分和濃度相近的潤(rùn)滑劑和復(fù)合運(yùn)動(dòng)能更接近體內(nèi)實(shí)際磨損情況.單純研究某種或幾種因素并不能全面有效地描述滑液組分與人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)行為的關(guān)聯(lián).探索人工關(guān)節(jié)潤(rùn)滑性能需將諸多因素綜合，探明其隨組分類型、濃度以及潤(rùn)滑膜厚度的演化規(guī)律.

本文中將基于滑液組分和體外試驗(yàn)條件等深入討論滑液中蛋白種類和構(gòu)象、透明質(zhì)酸和脂質(zhì)對(duì)人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑機(jī)理及摩擦磨損影響，基于試驗(yàn)和臨床研究揭示人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑機(jī)理，致力于將研究結(jié)果擴(kuò)展至新型人工滑液的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)中，綜合人工關(guān)節(jié)潤(rùn)滑性能的改善.本綜述論文中的主要目的在于改進(jìn)磨損測(cè)試使用的潤(rùn)滑劑，改善人工關(guān)節(jié)的長(zhǎng)期潤(rùn)滑作用，以期為開(kāi)發(fā)人工滑液提供參考，為延長(zhǎng)人工關(guān)節(jié)的使用壽命提供一定的參考和指導(dǎo).

1 文獻(xiàn)檢索及主要試驗(yàn)方法

本文中在“ScienceDirect”、“Springer”、“PubMed”、“SAGA”和“中國(guó)知網(wǎng)”等數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，對(duì)“artificial joint”、“prosthesis”、“implant”、“l(fā)ubrication”、“synovial fluid”、“component”、“protein”、“l(fā)ubricant film”、“absorption film”、“albumin”、“γ-globulin”、“l(fā)ipid”、“hyaluronic acid”、“wear”、“friction”、“人工關(guān)節(jié)”、“滑液”、“潤(rùn)滑”、“組分”、“蛋白質(zhì)”、“潤(rùn)滑膜”、“吸附膜”、“摩擦”和“磨損”等關(guān)鍵字進(jìn)行檢索，根據(jù)文章題目初步篩選了2 076篇相關(guān)文章.閱讀文章摘要，對(duì)“滑液組分對(duì)人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)行為影響”的相關(guān)性進(jìn)行比較，仔細(xì)分析了82篇文章.根據(jù)滑液組分、摩擦副材料、試驗(yàn)方法和條件等分類，其中試驗(yàn)方法包括測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度、摩擦系數(shù)、磨損量或磨損率、磨痕深度、表面形貌和磨屑形態(tài)等；試驗(yàn)條件包括使用設(shè)備、載荷、速度、運(yùn)動(dòng)方式、頻率和時(shí)間等，本文中對(duì)2015~2021年共12篇文章進(jìn)行總結(jié)，結(jié)果列于表3中[39, 41, 44-46, 56-62].

表3 各組分對(duì)人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)行為的影響[39, 41, 44-46, 56-62]Table 3 Effect of each component on the Lubrication of artificial joint[39, 41, 44-46, 56-62]

摩擦系數(shù)主要通過(guò)銷盤(pán)摩擦機(jī)、銷板摩擦機(jī)、球盤(pán)摩擦機(jī)或關(guān)節(jié)模擬器獲得.原位測(cè)量潤(rùn)滑膜厚度的方法主要包括熒光標(biāo)記法和光干涉法，熒光標(biāo)記法根據(jù)標(biāo)記物上的熒光強(qiáng)度定性判斷薄膜厚度，其標(biāo)記潤(rùn)滑液中特定組分，區(qū)分不同組分對(duì)薄膜厚度的影響[63-64]；比色干涉法通過(guò)干涉圖上的顏色和膜厚之間的關(guān)系定量測(cè)定薄膜總厚度，但不能區(qū)別各組分對(duì)膜厚的影響[65-66].兩種方法均要求光線射到薄膜表面，因此要求摩擦副中一種材料是透明的.前者鉻元素猝滅熒光對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生復(fù)雜影響，因此摩擦副中有鉻鉬合金材料會(huì)導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確；而后者常在透明材料表面鍍鉻以增強(qiáng)干涉條紋.

針對(duì)滑液組分對(duì)人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)行為影響的研究，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)取得顯著成果，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：首先，建立了組分類型和濃度與宏觀摩擦磨損規(guī)律之間的關(guān)聯(lián)；其次，揭示了滑液組分在人工關(guān)節(jié)中的潤(rùn)滑作用，明晰了各組分及其耦合作用對(duì)潤(rùn)滑膜的影響，進(jìn)一步揭示了潤(rùn)滑膜對(duì)人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑機(jī)理.滑液組分對(duì)人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)行為影響從單一組分單一濃度到單一組分不同濃度，再到不同組分之間的耦合作用不斷深入，目前集中研究各組分對(duì)潤(rùn)滑膜厚度的影響以及潤(rùn)滑膜中的摩擦吸附膜對(duì)人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)行為的影響.

2 蛋白質(zhì)對(duì)人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)行為影響

滑液中總蛋白含量為88.11%~96.39%[1-2, 13-14, 17-20]，主要由白蛋白和γ-球蛋白組成.蛋白質(zhì)對(duì)人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)行為影響復(fù)雜且重要[67-71]，滑液潤(rùn)滑除了簡(jiǎn)單的彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑外，還包括人工關(guān)節(jié)表面形成的固體吸附膜潤(rùn)滑，多數(shù)研究認(rèn)為這層吸附膜的主要成分是蛋白質(zhì)[61, 67, 72-75].目前集中研究蛋白質(zhì)類型和構(gòu)象對(duì)吸附膜的潤(rùn)滑作用及其對(duì)人工關(guān)節(jié)的摩擦和磨損影響.

2.1 蛋白質(zhì)對(duì)人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑影響

人工關(guān)節(jié)潤(rùn)滑機(jī)理包括經(jīng)典的彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑、邊界潤(rùn)滑或兩種潤(rùn)滑機(jī)理共同作用等[22].彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑假設(shè)潤(rùn)滑液是等黏性，不可壓縮的牛頓體[76]，但是研究表明潤(rùn)滑膜的形成不服從牛頓體預(yù)測(cè)，在靜載下仍有1層薄膜存在，取出關(guān)節(jié)材料發(fā)現(xiàn)其表面吸附了1層蛋白膜[77]，同時(shí)在假體取出物表面也發(fā)現(xiàn)了摩擦吸附層，如圖2(a)所示[61, 75, 78].Mavraki等[79]認(rèn)為潤(rùn)滑膜由兩層組成，第一層是不具流動(dòng)性的蛋白吸附層，第二層是水動(dòng)力產(chǎn)生的彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑膜.

Fig.2 (a) The adsorption layer on the cup of the hip joint [78];(b) graphite layer on the surface of the prosthesis[85]圖2 (a)髖關(guān)節(jié)臼杯上的吸附層[78]；(b)假體表面的石墨層[85]

關(guān)于滑液中蛋白質(zhì)對(duì)人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑影響，目前潤(rùn)滑機(jī)理主要有4種：(1)邊界潤(rùn)滑，兩接觸表面分別形成一層蛋白質(zhì)薄膜，人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑依靠蛋白吸附層[1]；(2)蛋白質(zhì)聚集潤(rùn)滑，剪切力作用使蛋白質(zhì)聚集，兩表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)將其帶入接觸區(qū)，增加潤(rùn)滑膜厚度從而改善磨損[69, 80-81]；(3)分層潤(rùn)滑，γ-球蛋白先吸附到材料表面，透明質(zhì)酸和脂質(zhì)使γ-球蛋白層均勻且穩(wěn)定，中間由抗剪切力弱的白蛋白填充，潤(rùn)滑膜厚度增加從而促進(jìn)潤(rùn)滑[56, 82]；(4)固體潤(rùn)滑，摩擦過(guò)程中，材料中的金屬元素催化蛋白質(zhì)成為石墨層，石墨作為良好的固體潤(rùn)滑劑，促進(jìn)人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑，如圖2(b)所示[83-86].

2.1.1 蛋白種類對(duì)潤(rùn)滑膜的影響

在CoCrMo合金配副中，γ-球蛋白溶液濃度(6 mg/ml)低于白蛋白溶液濃度(10 mg/ml)，但形成了更厚的潤(rùn)滑膜[80]，如圖3(a)所示[80]；在金屬和UHMWPE配副中，相近濃度白蛋白溶液和γ-球蛋白溶液中，白蛋白溶液中形成較厚的薄膜，如圖3(b)所示[58].在白蛋白溶液中加入γ-球蛋白后，金屬和UHMWPE之間薄膜厚度約減少一半?yún)s更穩(wěn)定[46, 61, 77]，因此兩種蛋白之間可能存在競(jìng)爭(zhēng)吸附行為，且γ-球蛋白吸附能力更強(qiáng)，如圖3(c)所示[46, 59, 87].因此γ-球蛋白首先在摩擦副表面形成邊界層，白蛋白吸附到γ-球蛋白層之間，進(jìn)一步增加薄膜厚度[56, 82, 88]，同時(shí)白蛋白分子二級(jí)結(jié)構(gòu)呈螺旋結(jié)構(gòu)，抗剪切能力較差，有助于改善人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑.

Fig.3 (a) Film thickness curves in albumin and γ -globulin solutions of CoCrMo alloys[80]; (b) relationship between film thickness and protein concentration in metal and UHMWPE complexes [58]; (c) schematic of γ -globulin inhibiting albumin adsorption [59]圖3 (a)鈷鉻鉬合金配副中白蛋白和γ-球蛋白溶液中薄膜厚度變化曲線[80]；(b)金屬和UHMWPE配副中薄膜厚度和蛋白濃度的關(guān)系[58]；(c) γ-球蛋白抑制白蛋白分子吸附示意圖[59]

單一組分潤(rùn)滑作用不能全面反映關(guān)節(jié)液的潤(rùn)滑機(jī)理，進(jìn)一步研究各組分耦合作用對(duì)人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑影響極其重要.同時(shí)試驗(yàn)時(shí)間是關(guān)鍵因素，多數(shù)試驗(yàn)僅在短時(shí)間內(nèi)觀察潤(rùn)滑膜厚度變化，對(duì)人工關(guān)節(jié)的長(zhǎng)期潤(rùn)滑能力仍不清楚.吸附膜在長(zhǎng)期磨損過(guò)程中可能和摩擦副材料發(fā)生反應(yīng)從而生成新物質(zhì)，目前對(duì)于吸附膜形成以及長(zhǎng)期磨損狀態(tài)下演化機(jī)理和潤(rùn)滑機(jī)理尚不清楚.為延長(zhǎng)人工關(guān)節(jié)使用壽命，需要對(duì)吸附膜的穩(wěn)定性和長(zhǎng)期潤(rùn)滑能力進(jìn)行深入研究.

2.1.2 蛋白構(gòu)象對(duì)潤(rùn)滑膜的影響

蛋白質(zhì)共有四級(jí)結(jié)構(gòu)，活性白蛋白的特征二級(jí)結(jié)構(gòu)為α-螺旋結(jié)構(gòu)，活性γ-球蛋白的特征二級(jí)結(jié)構(gòu)是β-折疊結(jié)構(gòu)[89]，蛋白質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)也叫蛋白構(gòu)象，蛋白構(gòu)象發(fā)生變化不能行使特定功能的過(guò)程稱為蛋白失活或蛋白變性.滑液中蛋白質(zhì)在60~80 ℃下開(kāi)始失活，α-螺旋結(jié)構(gòu)減少，β-折疊結(jié)構(gòu)增多，蛋白發(fā)生不可逆變性，如圖4所示[90-95].目前主要認(rèn)為人工關(guān)節(jié)表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的局部高溫[14, 24, 96]或剪切力作用[81]使蛋白質(zhì)失活，失活蛋白質(zhì)聚集形成蛋白質(zhì)薄膜[97-102]，進(jìn)而影響人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)行為.蛋白構(gòu)象變化影響吸附性能[103-107]，其在不同摩擦副材料中表現(xiàn)出的摩擦學(xué)行為不同[41, 57, 60].

Fig.4 The denaturation of proteins [95]圖4 蛋白質(zhì)的變性過(guò)程[95]

活性蛋白呈親水性，親水性材料更易吸附活性蛋白，抵抗失活蛋白的吸附，形成厚密的薄膜以減少摩擦，如圖5所示[91].對(duì)UHMWPE材料表面做等離子體處理，使疏水性材料呈親水性，也發(fā)現(xiàn)親水表面吸附更多活性蛋白，形成更厚的蛋白層，同時(shí)相對(duì)于等離子體處理前摩擦力約減小一半[108-109].但是蛋白質(zhì)變性后暴露出疏水基團(tuán)，分子與分子之間易發(fā)生聚集[110-112]，變性蛋白更易吸附在疏水性材料上[113]，進(jìn)而引起更大的摩擦力[91].

Fig.5 Schematic of selective adsorption of protein by hydrophilic and hydrophobic materials (N stands for native albumin and D stands for irreversibly denatured albumin)[91]圖5 材料親疏水性對(duì)蛋白的選擇性吸附示意圖(N表示天然蛋白，D表示不可逆變性蛋白)[91]

進(jìn)行關(guān)節(jié)置換術(shù)后，體內(nèi)不斷修復(fù)更新失活的蛋白質(zhì)，而在體外試驗(yàn)中，隨著磨損試驗(yàn)的進(jìn)行蛋白質(zhì)構(gòu)象可能發(fā)生變化[114]，吸附到材料表面的蛋白質(zhì)是否具有活性，可能和摩擦副的其他條件有關(guān)[58, 80].因此在體外試驗(yàn)中，蛋白是否具有活性是影響人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)行為的關(guān)鍵因素.但是目前關(guān)于蛋白質(zhì)的失活機(jī)理、吸附機(jī)理和潤(rùn)滑機(jī)理尚不明確.

2.2 蛋白質(zhì)對(duì)人工關(guān)節(jié)摩擦和磨損的影響

研究發(fā)現(xiàn)牛血清中總蛋白質(zhì)濃度增加，金屬的磨損率顯著降低[37]，而UHMWPE的磨損率增加, 如圖6(a)所示[38, 40].由于前者呈親水性促進(jìn)蛋白吸附，薄膜增厚從而改善磨損，而后者疏水性較強(qiáng)，抑制蛋白質(zhì)吸附，因此磨損加劇.此外，滑液中蛋白類型對(duì)人工關(guān)節(jié)的摩擦和磨損也差異，對(duì)于相同濃度(30.7 mg/ml)的白蛋白和γ-球蛋白溶液，白蛋白溶液中的摩擦系數(shù)和磨損率比γ-球蛋白溶液中低，如圖6(b)[41, 60]所示.而不同濃度梯度的人血清白蛋白和人免疫球蛋白作為潤(rùn)滑劑，研究發(fā)現(xiàn)白蛋白和γ-球蛋白的比例越高，人工軟骨材料(Poly vinyl alcohol, PVA)對(duì)玻璃的摩擦系數(shù)越高[42]，而對(duì)于磨損性能而言，增加白蛋白濃度，降低γ-球蛋白濃度不僅改善PEEK的磨損性能[39]，而且降低了CoCrMo合金的磨損率[37].上述結(jié)論與體內(nèi)實(shí)際情況相符合，自然關(guān)節(jié)液中白蛋白濃度遠(yuǎn)大于γ-球蛋白濃度，是自然界中良好的潤(rùn)滑劑.

Fig.6 (a) Relationship between wear volume of UHMWPE and total protein concentration in bovine serum [40]; (b) curves of friction coefficient in the same concentration of albumin and γ-globulin [41]圖6 (a) UHMWPE的磨損體積和牛血清中總蛋白濃度的關(guān)系[40]；(b)同濃度白蛋白和γ-球蛋白溶液的摩擦系數(shù)變化曲線[41]

白蛋白溶液濃度小于20 mg/ml時(shí)，膜厚隨滑動(dòng)速度增加而增加，從而改善磨損；而濃度大于20 mg/ml時(shí)則相反[80].將白蛋白加入γ-球蛋白溶液中，摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)使蛋白質(zhì)聚集，低速(10 mm/s)促進(jìn)蛋白質(zhì)吸附，溶液中出現(xiàn)可見(jiàn)的蛋白沉淀，薄膜厚度顯著增加，從而減少摩擦；高速(50 mm/s)使吸附蛋白膜變性并從材料表面脫落，從而增加材料表面的摩擦[58, 115-116].在硬對(duì)硬的球盤(pán)試驗(yàn)機(jī)中，純滾動(dòng)時(shí)薄膜厚度隨試驗(yàn)時(shí)間增加而增加，并且在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，潤(rùn)滑膜的主要成分是白蛋白，速度大小對(duì)薄膜厚度幾乎沒(méi)有影響；但當(dāng)球速和盤(pán)速不相等時(shí)，速度明顯影響潤(rùn)滑膜厚度：當(dāng)球速大于盤(pán)速時(shí)，滑膜厚度只有幾納米，γ-球蛋白含量增加，薄膜厚度隨著球和盤(pán)速度增加先增加后降低，摩擦系數(shù)幾乎不變；當(dāng)球速小于盤(pán)速時(shí)，薄膜厚度顯著增加，但是增大兩者速度，膜厚降低，同時(shí)摩擦系數(shù)減小，如圖7所示[57, 75, 88].蛋白質(zhì)對(duì)人工關(guān)節(jié)的摩擦和磨損影響主要體現(xiàn)在蛋白濃度、白蛋白和γ-球蛋白比例、蛋白構(gòu)象及吸附能力方面，載荷和速度影響蛋白構(gòu)象從而改變其吸附能力，吸附膜增厚促進(jìn)人工關(guān)節(jié)的摩擦和磨損.

Fig.7 (a, b) Development of film thickness and fluorescence intensity of labelled proteins as a function of time[88]; The relationship between velocity and friction coefficient under (c) negative and (d) positive sliding conditions[57]圖7 (a, b)薄膜厚度和熒光強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線[88]；在(c)負(fù)和(d)正滑動(dòng)條件下，速度和摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線[57]

3 透明質(zhì)酸和脂質(zhì)對(duì)人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)行為的影響

透明質(zhì)酸是多糖長(zhǎng)鏈分子，透明質(zhì)酸降低UHMWPE的摩擦和磨損[117-118]但不會(huì)形成固體吸附膜[44-45]，主要用以增加潤(rùn)滑劑黏度[19-20, 119]，部分關(guān)節(jié)置換術(shù)后通過(guò)注射透明質(zhì)酸來(lái)改善人工關(guān)節(jié)的摩擦磨損.脂質(zhì)層可以改善摩擦[120-125]，脂質(zhì)的碳鏈越長(zhǎng)，材料之間的摩擦系數(shù)就越低[126-127].

透明質(zhì)酸中加入少量脂質(zhì)能顯著改善摩擦副的摩擦和磨損，目前有兩種模型說(shuō)明透明質(zhì)酸和脂質(zhì)的耦合作用：(1)脂質(zhì)和透明質(zhì)酸形成復(fù)合物起邊界潤(rùn)滑作用改善磨損，如圖8(a)所示[48]；(2)脂質(zhì)吸附到其他分子表面或與其他分子聚合，摩擦副在脂質(zhì)雙分子層之間滑動(dòng)以減少摩擦，如圖8(b)所示[128].大量研究表明，蛋白質(zhì)在人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑作用中起關(guān)鍵作用，單一組分的透明質(zhì)酸和脂質(zhì)對(duì)人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑作用不明顯[46]，透明質(zhì)酸、脂質(zhì)和蛋白質(zhì)之間的耦合作用顯著影響吸附膜的吸附行為，進(jìn)而影響人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)行為.

Fig.8 (a) A complex of lipids and hyaluronic acid[48]; (b) schematic of lipids adsorbing to or polymerizing with other molecules [128]圖8 (a)脂質(zhì)和透明質(zhì)酸形成的復(fù)合物[48]；(b)脂質(zhì)吸附到其他分子表面或與其他分子聚合示意圖[128]

滑液中脂質(zhì)和蛋白的耦合作用對(duì)人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑性能十分重要.γ-球蛋白含量較低時(shí)，脂質(zhì)起邊界潤(rùn)滑作用以減少磨損，γ-球蛋白濃度含量增多，增加脂質(zhì)濃度導(dǎo)致UHMWPE的磨損率增加[129]，在牛血清中加入的脂質(zhì)濃度越高，UHMWPE的磨損率越低[130].因此在蛋白溶液中加入一定比例脂質(zhì)可以改善UHMWPE的磨損.

另外，脂質(zhì)和透明質(zhì)酸對(duì)蛋白膜厚也有影響.正常情況下，在蛋白溶液中吸附膜厚度隨著試驗(yàn)進(jìn)行不斷增加然后穩(wěn)定，但是增加透明質(zhì)酸和脂質(zhì)濃度，薄膜厚度減小[44]，卻形成均勻且穩(wěn)定的蛋白質(zhì)薄膜[46, 61]，明顯改善滑液的潤(rùn)滑性能[47-48, 60].此外，當(dāng)脂質(zhì)增加時(shí)，白蛋白薄膜厚度增加，但是γ-球蛋白薄膜幾乎沒(méi)有變化[45].而在蛋白質(zhì)混合液中同時(shí)加入透明質(zhì)酸和脂質(zhì)，能促進(jìn)白蛋白吸附而抑制γ-球蛋白吸附[46]，表明透明質(zhì)酸可能會(huì)抑制γ-球蛋白吸附.

Ne?as等[45]提出新的組分分層潤(rùn)滑模型，即γ-球蛋白先吸附到材料表面，透明質(zhì)酸和脂質(zhì)使γ-球蛋白層均勻且穩(wěn)定，如圖9(a)所示[45]，然后低抗剪切的白蛋白吸附到γ-球蛋白層上，增加潤(rùn)滑層厚度從而改善人工關(guān)節(jié)的摩擦磨損，如圖9(b)所示[56, 82].

Fig.9 (a) The effect of coupling effect of different components on film thickness [45];(b) lubrication of model total knee replacement [56] 圖9 (a)各組分耦合作用對(duì)薄膜厚度的影響[45]；(b)滑液組分的分層潤(rùn)滑示意圖[56]

4 總結(jié)與展望

人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)行為復(fù)雜多樣，直接影響人工關(guān)節(jié)使用壽命.本文中從蛋白質(zhì)類型和濃度、各組分之間的耦合作用、摩擦副親疏水性和試驗(yàn)條件等方面綜述了滑液對(duì)人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)行為的影響，主要結(jié)論和展望如下：

a.總蛋白質(zhì)濃度增加能改善金屬的磨損，但是加劇UHMWPE的磨損.其中白蛋白和γ-球蛋白的比例增大能改善金屬和UHMWPE的磨損性能，這和體內(nèi)白蛋白濃度大于γ-球蛋白濃度的實(shí)際情況相符合.

b.在單一蛋白溶液或含有蛋白質(zhì)的潤(rùn)滑劑中，摩擦副表面快速形成吸附膜并穩(wěn)定，多數(shù)研究認(rèn)為吸附膜有助于人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑.在硬對(duì)硬摩擦副中，γ-球蛋白先吸附到材料表面，透明質(zhì)酸和脂質(zhì)使γ-球蛋白層均勻且穩(wěn)定，然后白蛋白吸附到γ-球蛋白層上增加薄膜厚度，從而促進(jìn)人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑.

c.蛋白種類和構(gòu)象影響潤(rùn)滑膜的形成，進(jìn)而影響人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)行為.磨損過(guò)程中產(chǎn)生的局部高溫或剪切力可能使滑液中蛋白構(gòu)象發(fā)生變化，活性蛋白易吸附到親水性材料表面，形成厚密的薄膜以減小摩擦，而失活蛋白更易吸附到疏水性材料表面進(jìn)而增大摩擦.

d.單一組分透明質(zhì)酸和脂質(zhì)對(duì)人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑不明顯，但是將兩者加入蛋白溶液中后顯著改善了人工關(guān)節(jié)的摩擦和磨損.此外，加入蛋白溶液后能使吸附膜穩(wěn)定且均勻，進(jìn)而促進(jìn)人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑.

目前關(guān)于人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)行為的研究主要集中在探究人工關(guān)節(jié)表面形成的吸附膜，其摩擦學(xué)行為和穩(wěn)定性是延長(zhǎng)人工關(guān)節(jié)使用壽命的關(guān)鍵因素，但是各組分包括滑液中的微量成分對(duì)人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)行為仍不清楚.而且多數(shù)試驗(yàn)只對(duì)人工關(guān)節(jié)的短期摩擦學(xué)行為進(jìn)行了研究，對(duì)長(zhǎng)期摩擦學(xué)行為的研究較少.薄膜厚度、摩擦系數(shù)、磨損率、蛋白質(zhì)構(gòu)象和組分間耦合作用之間的關(guān)系尚待研究.對(duì)于薄膜形成、穩(wěn)定性、潤(rùn)滑機(jī)理、長(zhǎng)期磨損下的演化機(jī)理和摩擦學(xué)行為需深入研究.

ISO中規(guī)定的總蛋白濃度均低于人體滑液中蛋白濃度，而且牛血清中蛋白種類和比例、透明質(zhì)酸含量和脂質(zhì)種類均與滑液有較大差別，這些因素對(duì)人工關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)行為均有不同程度影響，因此體外試驗(yàn)潤(rùn)滑劑的選擇需要接近疾病關(guān)節(jié)的滑液組分和濃度，濃度在30~40 ml較好.此外，總蛋白濃度、白蛋白和γ-球蛋白的比例以及生理濃度范圍內(nèi)的透明質(zhì)酸和脂質(zhì)也同樣非常重要.進(jìn)一步加深對(duì)人工關(guān)節(jié)摩擦學(xué)行為的認(rèn)識(shí)，為人工滑液的研究提供一定理論依據(jù)，對(duì)改善人工關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑性能和延長(zhǎng)人工關(guān)節(jié)的使用壽命具有重要意義.