人工關節摩擦面形貌與摩擦特性的關系

李積武

摘? 要：高分子聚乙烯材料廣泛用于人工關節，然而磨損顆粒激活巨噬細胞釋放細胞因子，刺激破骨細胞導致骨吸收，研究表明，顆粒的體積和大小是巨噬細胞活化的關鍵因素，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表面結構技術，具有納米級溝槽的超細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。

關鍵詞：人工關節;聚乙烯;摩擦;磨損量

中圖分類號：TG13 文獻標志碼：A 文章編號：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

人工關節用的高分子聚乙烯材料的磨損顆粒會造成骨質軟化及關節松動，白血球中的噬菌體吸收磨損顆粒，從而產生骨髓炎等癥狀，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機能[2]。本研究中為了抑制生體的不良反應，采用摩擦面為納米級溝槽的超細表面來控制磨損顆粒大小及磨損量。

1 試驗

1.1 試驗設備及試樣制備

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

1.2 實驗條件及方法

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

本實驗中的潤滑液，采用開發的模擬關節液，成分如表1所示[3]。

2 結果及討論

不同表面形貌的Co-Cr-Mo合金試樣和聚乙烯銷的磨損量的關系如圖3所示。與普通人工關節表面G-1試樣磨損量相比，本實驗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，在溝槽結構與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。雖有目視比較時有誤差，但是，可以明顯的看出摩擦顆粒尺寸變化規律，與G-1試樣相比，W-1試樣中，對生體反應強烈的小于0.2um尺寸的摩擦顆粒數減少，1.0-1.5um之間的摩擦顆粒數增加。同時，也發現了大于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）為人工關節表面粗糙度的1/10左右，由此可以認為磨損形態為磨粒磨損向粘結磨損過度。通常與磨粒磨損相比，粘結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沒有變化，只是磨損顆粒變大，磨損量減少。這種現象是由表面網狀溝槽引起，表面溝槽可儲存潤滑液，摩擦過程中起到潤滑效果[4]。

3 結束語

從人工關節磨損面間的磨損特性來看，在摩擦面間為了更好的摩擦效果，表面有一定程度的溝槽，可起到很好的潤滑效果，摩擦面采用納米級溝槽的超細表面來控制磨損顆粒大小及磨損量。

本研究得到了日本國立巖手大學，表面工程學研究室巖渕明教授的熱情幫助和大力支持，在此表示感謝。

參考文獻：

[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：模擬關節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會誌，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：人工關節摺動動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會誌，31：199-205，2010.