人工关节摩擦面形貌与摩擦特性的关系

李积武

摘  要：高分子聚乙烯材料广泛用于人工关节，然而磨损颗粒激活巨噬细胞释放细胞因子，刺激破骨细胞导致骨吸收，研究表明，颗粒的体积和大小是巨噬细胞活化的关键因素，其中粒子的尺寸范围在0.1-1.0μm最具生物活性;增大颗粒尺寸可减少高分子聚乙烯材料的磨损量。本研究提出了一种以Co-Cr-Mo合金为基体的纳米级表面结构技术，具有纳米级沟槽的超细表面使高分子聚乙烯的磨损量减少，颗粒的形貌不变而尺寸增大。

关键词：人工关节;聚乙烯;摩擦;磨损量

中图分类号：TG13 文献标志码：A 文章编号：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

人工关节用的高分子聚乙烯材料的磨损颗粒会造成骨质软化及关节松动，白血球中的噬菌体吸收磨损颗粒，从而产生骨髓炎等症状，磨损颗粒尺寸在1.0μm以下尤为显著[1]。除磨损颗粒尺寸外，磨损量也影响生体反应机能[2]。本研究中为了抑制生体的不良反应，采用摩擦面为纳米级沟槽的超细表面来控制磨损颗粒大小及磨损量。

1 试验

1.1 试验设备及试样制备

实验装置如图1所示，在摩擦试验机进行了销-平面接触方式下的磨损实验。配副件为（直径？覫12mm，表面粗糙度Ra=1nm）聚乙烯销，平面试样为（直径？覫50×15mm） Co-Cr-Mo合金，摩擦走向20×20mm矩形，负荷为6.0Mpa，摩擦速度为12.12mm/s，摩擦距离为15km。

1.2 实验条件及方法

平面试样表面状态如图2所示，图示为激光表面粗糙度仪测定的表面粗糙度，其中G-1为一般人工关节表面粗糙度（Ra=10nm），P-1试样（Ra=25.72nm），表面有10×10um，深度40.41 nm网状沟槽;P-2试样（Ra=7.63nm），表面有20×20um，深度15.77 nm网状沟槽;P-3试样（Ra=6.11nm），表面有30×30um，深度13.29 nm网状沟槽;P-4试样（Ra=2.22nm），表面有40×40um，深度4.15nm网状沟槽;其中，W-1和W-2试样为在P-2试样的表面网状结构不变情况下，降低表面的粗糙度和沟槽深度。

本实验中的润滑液，采用开发的模拟关节液，成分如表1所示[3]。

2 结果及讨论

不同表面形貌的Co-Cr-Mo合金试样和聚乙烯销的磨损量的关系如图3所示。与普通人工关节表面G-1试样磨损量相比，本实验所做的所有试样的磨损量都要小，不同表面粗糙度及沟槽试样（P-1，P-2，P-3，P-4）磨损量在增加，在沟槽结构与P-2试样相同，表面粗糙度及沟槽深度不同的W-1和W-2试样中，磨损量在减少。

G-1试样和W-1试样中的聚乙烯摩擦颗粒的大小分布如图4所示。虽有目视比较时有误差，但是，可以明显的看出摩擦颗粒尺寸变化规律，与G-1试样相比，W-1试样中，对生体反应强烈的小于0.2um尺寸的摩擦颗粒数减少，1.0-1.5um之间的摩擦颗粒数增加。同时，也发现了大于5.0um的摩擦颗粒。

摩擦副聚乙烯的摩擦面的表面粗糙度（Ra=1nm左右）为人工关节表面粗糙度的1/10左右，由此可以认为磨损形态为磨粒磨损向粘结磨损过度。通常與磨粒磨损相比，粘结磨损的磨粒尺寸要小，但是，由于采用了W-1试样的表面形状使得聚乙烯磨损颗粒的形态没有变化，只是磨损颗粒变大，磨损量减少。这种现象是由表面网状沟槽引起，表面沟槽可储存润滑液，摩擦过程中起到润滑效果[4]。

3 结束语

从人工关节磨损面间的磨损特性来看，在摩擦面间为了更好的摩擦效果，表面有一定程度的沟槽，可起到很好的润滑效果，摩擦面采用纳米级沟槽的超细表面来控制磨损颗粒大小及磨损量。

本研究得到了日本国立岩手大学，表面工程学研究室岩渕明教授的热情帮助和大力支持，在此表示感谢。

参考文献：

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

[2]中西义孝，日垣秀彦：模拟关节液による摩耗试験の有用性.

日本临床バイオメカニクス学会誌，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]中西义孝，日垣秀彦：人工关节摺动动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试み.日本临床バイオメカニクス学会誌，31：199-205，2010.