交叉剪切對人工關(guān)節(jié)應(yīng)用中PEEK和CFR-PEEK磨損的影響

王俊元 段晨曦 杜文華 董 磊

(中北大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 太原 030051)

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，人工關(guān)節(jié)的市場需求量也不斷增加，全關(guān)節(jié)置換逐漸成為治療一系列關(guān)節(jié)疾病的有效手段。當(dāng)前，人工關(guān)節(jié)配副材料多選用超高分子量聚乙烯(ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE)與金屬或陶瓷的組合。而目前的研究發(fā)現(xiàn)，UHMWPE磨損產(chǎn)生的磨屑會出現(xiàn)聚集，并誘發(fā)機(jī)體細(xì)胞產(chǎn)生一系列不良反應(yīng)，導(dǎo)致假體周圍溶解，使固定良好的假體出現(xiàn)松動，這一現(xiàn)象會使得假體的使用壽命大大縮短。另外，UHMWPE材料的硬度偏低，抗蠕變性能較差，晚期磨損較為嚴(yán)重。為了提高人工關(guān)節(jié)的使用壽命，開發(fā)新一代的高耐磨損人工關(guān)節(jié)材料勢在必行[1]。

目前，聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)和碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮(carbon fiber reinforced polyetheretherketone，CFR-PEEK)已經(jīng)在脊柱籠和骨固定裝置中有所應(yīng)用[2]。PEEK是一種全芳香族半結(jié)晶性的熱塑性特種工程塑料，與其他的特種工程塑料相比具有諸多顯著的優(yōu)勢，如具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、自潤滑性以及很好的生物相容性等[3-4]。與UHMWPE類似，PEEK也屬于半結(jié)晶體，這就意味著它具有結(jié)晶和非結(jié)晶區(qū)域。目前的研究表明，PEEK能夠抗輻射損傷，因而相比其他材料更便于消毒。

國內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了許多依托于新型材料PEEK和CFR-PEEK的人工關(guān)節(jié)方面的研究。多年來，一直通過銷盤模型進(jìn)行材料的篩選和研究，在此過程中探索了諸如潤滑劑、滑動距離、接觸壓力和交叉剪切比等不同參數(shù)對人工關(guān)節(jié)材料磨損的影響[4-8]。研究表明，在PEEK和CFR-PEEK與金屬板或陶瓷板的銷盤型磨損實驗中，CFR-PEEK與UHMWPE相比具有同等或更優(yōu)的磨損性能[9-10]。另外，有跡象表明，碳纖維的磨蝕性會導(dǎo)致聚乙烯材料磨損增加，因此UHMWPE不宜與CFR-PEEK作為關(guān)節(jié)配副材料[11]。

迄今為止，眾多研究已表明，PEEK和CFR-PEEK在人工關(guān)節(jié)置換材料領(lǐng)域具有很好的發(fā)展?jié)摿?。但與此同時，仍需要更加深入地了解影響PEEK和CFR-PEKK磨損性能的因素，為今后PEEK和CFR-PEEK在人工關(guān)節(jié)置換領(lǐng)域更好的發(fā)展提供支持。交叉剪切的運(yùn)動形式與人體關(guān)節(jié)的實際運(yùn)動形式更為相近，因此，交叉剪切條件作為衡量人工關(guān)節(jié)材料磨損性能的重要參數(shù)條件，對于PEEK及CFR-PEEK材料在人工關(guān)節(jié)應(yīng)用中磨損性能的評定具有重要的意義。本項研究的目的是為了研究PEEK和CFR-PEEK在一系列交叉剪切條件下與CoCrMo接觸面的磨損性能，以探索PEEK和CFR-PEEK在全關(guān)節(jié)置換中的潛在應(yīng)用。

1 方法

1.1 實驗材料

PEEK(棒狀)選取德國恩欣格公司生產(chǎn)的PEEK-1000，CFR-PEEK(棒狀)選取美國杜邦公司生產(chǎn)的PEEK-CA30，CoCrMo(板狀)選取醫(yī)用級鈷鉻鉬合金。

將PEEK與CFR-PEEK加工成接觸面直徑為8 mm、外徑為12 mm、長度為28 mm的圓柱棒(見圖1(a))。將CoCrMo加工成60 mm×52 mm×8 mm的薄板，同時對CoCrMo板進(jìn)行拋光和研磨，直至其具有光滑的表面光潔度(Ra≤0.01 μm)。

1.2 磨損實驗

實驗采用美國Rtec儀器有限公司生產(chǎn)的多功能摩擦磨損試驗機(jī)。該試驗機(jī)屬于銷盤型摩擦磨損試驗機(jī)(見圖1(b))，在本實驗中，上試樣為PEEK、CFR-PEEK以及UHMWPE棒，下試樣為CoCrMo板。

1.2.1前期準(zhǔn)備

在實驗開始之前，需要將各組實驗材料在無菌水中浸泡至少250 h，以穩(wěn)定其含水量。為了確定基準(zhǔn)點，使用70%異丙醇/水溶液超聲清洗試樣10 min，然后干燥并稱重。同時，用新生小牛血清配置潤滑劑。將新生小牛血清用去離子水稀釋至25 %，并輔以0.03%(體積/體積)疊氮化鈉以延緩細(xì)菌的生長[12]。

1.2.2實驗過程

通過使用銷盤型磨損試驗機(jī)進(jìn)行多向磨損實驗，操作試驗機(jī)的頻率為(1.0±0.1)Hz。每組實驗均是由來回往復(fù)運(yùn)動的CoCrMo板和繞其軸線轉(zhuǎn)動的PEEK(或CFR-PEEK)所組成的(見圖1(c))。在整個實驗過程中，對銷施加160 N的恒定壓力載荷，使8 mm直徑的銷接觸表面產(chǎn)生3.18 MPa的公稱接觸壓力，滿足人類關(guān)節(jié)接觸壓力的生理范圍。交叉剪切對PEEK和CFR-PEEK磨損的影響，通過調(diào)整每次實驗的行程長度和旋轉(zhuǎn)條件來實現(xiàn)(見表1)。所研究的交叉剪切比條件的范圍從0(單向運(yùn)動)～0.254(多向運(yùn)動)進(jìn)行變化，符合全關(guān)節(jié)置換中發(fā)生在軸承界面處的條件。在各個實驗條件下，不同材料都進(jìn)行了3次以上的重復(fù)實驗[13]。

圖1 實驗試件及運(yùn)動示意。(a)上試件銷的尺寸；(b)銷盤型磨損實驗機(jī)；(c)實驗運(yùn)動示意Fig.1 The experimental specimen and the schematic diagram of movement. (a) Size of upper test pin; (b) The actual figure of pin-on-plate type wear test machine; (c) Sketch of experimental motion

交叉剪切比旋轉(zhuǎn)角度/(°)行程/mm00200.039±20200.078±30280.18±45260.254±5538

每次實驗進(jìn)行100萬次循環(huán)(Mc)，并以0.33 Mc的間隔通過重量分析來評估磨損。同時，在試驗過程中，每天更換蒸發(fā)液，加入去離子水，每經(jīng)過0.33 Mc的間隔完全更換一次潤滑劑。在每次實驗中，取每種條件下的兩個未加載的對照試樣浸泡在相同的潤滑劑中，保持對照試樣與實驗試樣存放于相同的溫度和潤滑條件下。在每個測量點，將實驗試樣從試驗機(jī)上取下，并同對照試樣一起，通過稱重法進(jìn)行磨損情況的研究。

在每次稱重之前，對銷軸進(jìn)行清洗，然后在受控溫度和濕度的環(huán)境中放置48 h，以穩(wěn)定聚合物。之后將試樣在(13.3±0.13)Pa的真空中進(jìn)一步干燥至少30 min，并在從真空中取出的90 min內(nèi)，將試樣通過旋轉(zhuǎn)一定的角度在天平上稱重兩次。如果每個樣品的兩個讀數(shù)在0.1 mg內(nèi)不相同，則繼續(xù)旋轉(zhuǎn)、讀數(shù)，直到每個樣品的至少兩個讀數(shù)在0.1 mg內(nèi)相同。稱重時，需要將試樣存放在密封的無塵容器中[14]。樣品的密度分別為：1.42 g/cm3的CFR-PEEK，1.32 g/cm3的PEEK，0.94 g/cm3的UHMWPE[15]。將重量轉(zhuǎn)化為磨損體積，并計算磨損系數(shù)k，有

(1)

式中：k是磨損系數(shù)，mm3/Nm；V是體積磨損量，mm3；P是施加載荷，N，X是滑動距離，m[16]。

1.2.3實驗后處理

在每次實驗開始和結(jié)束后，需要將上下試樣以及對照試樣置于異丙醇中超聲清洗10 min。然后，使用表面輪廓儀(Taylor Hobson，Leicester，UK)測量下試樣的表面輪廓，并使用帶寬為100∶1和取樣截止波長為0.8 mm高斯濾波器，對試樣的表面形貌進(jìn)行測量。

2 結(jié)果

通過改變銷盤型磨損機(jī)中的滑動距離和旋轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)從單向運(yùn)動(CS比率為0，20 mm/0°)到多向運(yùn)動(CS比率為0.254，38 mm/±55°)的變化。在單向運(yùn)動的研究中，PEEK與CFR-PEEK的磨損系數(shù)均為最低值；在多向運(yùn)動的研究中，PEEK表現(xiàn)出與交叉剪切條件相關(guān)的磨損行為。PEEK在單向運(yùn)動時，磨損系數(shù)最低為(1.63±1.08)×10-6mm3/N·m；而在交叉剪切比為0.254的多向運(yùn)動中，磨損系數(shù)增加到最大值(8.02±2.03)×10-6mm3/N·m。但是，CFR-PEEK材料并沒有表現(xiàn)出與交叉剪切條件有較大關(guān)聯(lián)的磨損行為。在不同的交叉剪切條件下，CFR-PEEK的平均磨損系數(shù)并沒有太大的差異。交叉剪切對于PEEK和CFK-PEEK磨損的影響如圖2所示。

圖2 交叉剪切對于PEEK和CFR-PEEK磨損的影響(均與CoCrMo合金組成摩擦副)Fig.2 Influence of cross shear on the wear of PEEK and CFR-PEEK (both with the CoCrMo alloy as a friction pair)

3 討論

圖3 交叉剪切對于PEEK，CFR-PEEK以及UHMWPE磨損系數(shù)影響的比較Fig.3 Comparison of the effects of cross shear on the wear coefficient of PEEK, CFR-PEEK and UHMWPE

對于新材料性能的探索，加速了人工關(guān)節(jié)的研究進(jìn)程。通過位移和旋轉(zhuǎn)的幾種不同組合來創(chuàng)建不同的交叉剪切比條件，由此來探索交叉剪切條件對于PEEK以及CFR-PEEK磨損性能的影響。在與傳統(tǒng)關(guān)節(jié)材料UHMWPE磨損性能的對比(見圖3)中，PEEK與UHMWPE材料都表現(xiàn)出與交叉剪切條件相關(guān)的磨損行為，而改變交叉剪切條件對CFR-PEEK材料的磨損系數(shù)幾乎沒有影響[17]。從材料內(nèi)部性能來看，未填充的PEEK材料可能在主要運(yùn)動方向上經(jīng)歷分子取向(應(yīng)變硬化)，這在增加該方向上的磨損性能的同時，降低了垂直平面內(nèi)的耐磨性，因此在較高交叉剪切的條件下磨損系數(shù)出現(xiàn)增加[18]。相反，CFR-PEEK材料中存在隨機(jī)取向的碳纖維，防止了這種重新取向，因此該材料的磨損性能沒有表現(xiàn)出與交叉剪切條件相關(guān)的依賴性。在更高強(qiáng)度的運(yùn)動需求下，也就是更為不利的磨損條件下，這種獨立性可能表現(xiàn)出有利的一面。這些研究表明，CFR-PEEK在人工關(guān)節(jié)的未來應(yīng)用上具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ@也為新一代高壽命人工關(guān)節(jié)的研發(fā)帶來了新希望。

4 結(jié)論

本研究討論了在一系列交叉剪切條件下，PEEK和CFR-PEEK材料作為人工關(guān)節(jié)潛在材料的磨損性能。在與金屬組成的摩擦副的磨損研究中，PEEK與CFR-PEEK及UHMWPE這兩種材料相比，均表現(xiàn)出較高的磨損。因此，在當(dāng)前的人工關(guān)節(jié)置換中，PEEK并不是UHMWPE理想的替代材料。而CFR-PEEK材料在實驗中表現(xiàn)出優(yōu)異的磨損性能，與PEEK和UHMWPE相比具有較大優(yōu)勢，且其磨損不受交叉剪切條件的影響。這就說明，CFR-PEEK材料在人工關(guān)節(jié)應(yīng)用方面具有巨大的潛力。通過未來更深入全面的研究，CFR-PEEK有望成為UHMWPE材料良好的替代品。