醫用植入關節用陶瓷材料的摩擦磨損性能

李積武

摘 ?要：陶瓷材料由于良好的磨損性能，高硬度以及很好的生物相容性，在人工關節臨床使用中受到青睞，陶瓷關節在滑動中可形成液膜以減小徑向間隙，但在混合潤滑和邊界潤滑模式下，陶瓷關節表面產生磨損碎片。在前提條件相同的情況下，陶瓷材料組合時的磨損率是有差異的，本研究采用四種不同的陶瓷材料，即氧化鋁、氧化鋯、碳化硅和氮化硅，在摩擦試驗機上進行了摩擦試驗，研究這四種不同材料在不同組合時摩擦磨損性能。

關鍵詞：人工關節;聚乙烯;摩擦;磨損

中圖分類號：TG1 ? ??文獻標志碼：A ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）35-0037-02

Abstract： Ceramic materials are favored in the clinical use of artificial joints because of their good wear properties， high hardness and good biocompatibility. Ceramic joints can form liquid film to reduce radial clearance during sliding. However， wear fragments occur on the surface of ceramic joints in the mode of mixed lubrication and boundary lubrication. In the case of the same precondition， the wear rate of ceramic material combination is different. In this study， four different ceramic materials， namely alumina， zirconia， silicon carbide and silicon nitride， were used to carry out friction tests on a friction tester. The friction and wear properties of these four different materials were studied.

Keywords： artificial joint; polyethylene; friction; wear

每年在醫學臨床中有數以百萬計的人工關節置換手術，以恢復患者的運動功能并消除病痛，但由于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，磨損顆粒影響生體反應機能。因此，超硬材料的陶瓷類材料應運而生，陶瓷材料與生體金屬材料相比具有更好的耐磨性，為了更好的了解陶瓷材料的摩擦磨損性能，本研究中采用4種不同的陶瓷材料進行研究，為醫用植入關節材料的應用提供實驗依據。

1 試驗方法

實驗裝置如圖1所示，在單向滑移實驗機進行了圓棒-平板接觸方式下的磨損實驗。上試料為（半徑30mm）4種陶瓷材料，平面試樣為（20×20×15mm）4種陶瓷材料，實驗負荷為100N，實驗溫度按人體溫度設為37±2°C，使用蒸餾水和人工體液作為潤滑液，摩擦速度為19m/s，摩擦距離為0.94和5.7km。

實驗材料使用了同種及異種組合的高純度氧化鋁晶體（Al2O3）、正方晶鋯晶體Y-TZP（Tetragonal zirconia polycrystals，3.0 mol%Y2O3）、碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）材料。各材料的機械性能如表1所示，其中陶瓷材料Al2O3和Y-TZP材料，表面用烷基膦酸（OPA）實施了疏水性單分子膜的吸附處理（處理后的接觸角為Al2O3：104°，Y-TZP： 102°）。根據赫茲理論初期平均面壓根據材料組合而不同，其范圍為412～635MPa。

2 結果及討論。

在摩擦速度為19m/s，用蒸餾水和人工體液潤滑狀況下，各種陶瓷材料組合時的磨損率是有差異的。人工體液中的磨損率要比蒸餾水的磨損率低，將近一半。同材料的組合中，其性能差異很大，在相同類型的組合中，Y-TZP/Y-TZP和Si3N4/Si3N4的磨損較高（磨損程度由下部固定平板試樣測定）。不同材料的組合中，Y-TZP/Si3N4磨損最大，Al2O3/Si3N4和Si3N4/SiC組合材料的磨損也較高，但是，Y-TZP/Al2O3、SiC/Al2O3、Y-TZP/SiC等材料的組合時磨損很低，具有很好的耐磨損特性。另外，臨床上已經使用的相同種類的Al2O3/Al2O3組合中，觀察到摩擦系數從初始值0.1增加到約0.3，但是磨損量最小，使用相同的SiC/SiC材料組合時，摩擦系數保持在0.05-0.15極低狀態，但磨損程度并不低。然而，磨損表面較光滑，表明SiC與水之間的摩擦化學作用起到效果并且維持低摩擦狀態。在Si3N4/Si3N4組合中，摩擦時化學作用也使磨損表面光滑，但是沒有SiC材料間的低摩損狀態。同種材料間的磨損，磨損量從大到小的順序如下：

Si3N4/Si3N4≈Y-TZP/Y-TZP>SiC/SiC？垌Al2O3/Al2O3

與同種材料組合相比異種材料間的磨損時，材料間吸附力降低，對低導熱率材料來說，可降低摩擦溫度，因而能改善摩擦性能。本實驗中，除了與Si3N4材料組合以外，異種材料間的組合改善了摩擦磨損特性，特別是在人工體液中，使用Y-TZP/Al2O3，Al2O3/Y-TZP和Y-TZP/SiC組合時，可以減少磨損。此外，以往的研究中，用Y-TZP/Y-TZP材料在人工髖關節的步行模擬測試中，水潤滑產生過度磨損，而人工體液潤滑可以抑制磨損。可見，摩擦面是否存在保護膜以及水和Y-TZP的反應是否存在單斜晶體的相變，對摩擦磨損特性產生影響。圖3所示為在人工體液潤滑下疏水吸附膜（圖2）的效果實驗。為抑制人工體液中血清濃度的變化，進行了滑動距離為0.94km的磨損測試，結果表明，Y-TZP同種材料之間磨損時，磨損明顯較低。與水潤滑相比，Al2O3同種材料間的磨損較大，通過吸附膜處理后磨損明顯減少。在Y-TZP同種材間磨損時，僅人工體液潤滑下磨損較低，吸附膜的效果不明顯。對于不同材料間的磨損，只有用吸附膜處理Al2O3材料時，磨損較小，其他材料用吸附膜處理后，磨損率反而有增大趨勢。從圖3的摩擦系數值來看，用吸附膜處理后的表面摩擦時，摩擦系數降低，用吸附膜處理后的Al2O3材料，摩擦系數下降明顯，可見，吸附膜具有良好的潤滑效果。

3 結束語

為了研究人工關節用的陶瓷材料摩擦和磨損特性，進行了單向滑移試驗，實驗通過不同組合材料間的磨損，得到了不同潤滑和吸附膜狀態下的摩擦磨損效果。

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