人工關(guān)節(jié)材料的表面潤滑設(shè)計探究

王琨 吳姝 蔣珉珂 李貝貝 李祥龍 李騰達

摘要：隨著我國人口老齡化程度的不斷加深，未來對于人工關(guān)節(jié)的需求也變得日益增加。對于人工關(guān)節(jié)來說，其壽命很大程度是由在使用過程當(dāng)中的摩擦和磨損的性能決定的，因此對人工關(guān)節(jié)進行摩擦磨損方面的改善顯得尤為重要。從潤滑的角度來看，對人工關(guān)節(jié)材料進行改進和完善應(yīng)該著重進行其表面的潤滑設(shè)計的研究，對其表面結(jié)構(gòu)的各項參數(shù)進行充分的分析以適應(yīng)新的需求。因此，本文主要針對人工關(guān)節(jié)材料的表面潤滑設(shè)計進行研究，并提出幾點建議。

關(guān)鍵詞：人工關(guān)節(jié)材料;表面潤滑;設(shè)計探究

引言：

從摩擦學(xué)的角度來說，人體關(guān)節(jié)的工作條件是十分惡劣的，尤其是對承重更多的下肢來說其條件更加惡劣，關(guān)節(jié)的工作條件通?？梢愿爬橹剌d、低速以及沖擊。但是，通常來說人體關(guān)節(jié)的摩擦學(xué)特性都表現(xiàn)得十分優(yōu)越，其摩擦系數(shù)相對來說都很小，大多數(shù)都能夠正常工作70年以上。通過對人類天然關(guān)節(jié)潤滑性能的研究，可以更好地實現(xiàn)人工關(guān)節(jié)材料的潤滑設(shè)計，提高人工關(guān)節(jié)材料的實用性以及壽命。

一、人工關(guān)節(jié)材料表面潤滑設(shè)計的意義

近年來，有越來越多的老年人因為骨質(zhì)問題或者年輕人因為不可抗力的事故問題而發(fā)生關(guān)節(jié)損傷，傳統(tǒng)的藥物無法對關(guān)節(jié)損傷問題進行根治，從而使得患者飽受關(guān)節(jié)病痛的折磨，而通過關(guān)節(jié)置換手術(shù)能夠有效且安全地對人們的關(guān)節(jié)損傷問題進行解決，使其擁有正常的運動能力。當(dāng)前來說，全球范圍內(nèi)每年都有大量的患者需要進行關(guān)節(jié)置換手術(shù)，其對人工關(guān)節(jié)的需求量也在逐年增加當(dāng)中，這也就對其性能和質(zhì)量提出了更高的要求。

人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)為關(guān)節(jié)類疾病的治療帶來了一個新的思路，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)當(dāng)中一項十分成功的外科手術(shù)，但是在置換手術(shù)的后期仍然存在一些問題，例如關(guān)節(jié)面磨損所產(chǎn)生的磨屑會產(chǎn)生異物反應(yīng)、人工關(guān)節(jié)和宿主的骨頭結(jié)合不緊密從而造成后期的無菌松動等各種問題?，F(xiàn)在接受關(guān)節(jié)置換手術(shù)的病人越來越偏向于年輕化，這也就對人工關(guān)節(jié)的使用壽命提出新的需求。目前來說人工關(guān)節(jié)在應(yīng)用一定年限之后都需要根據(jù)具體的情況對其進行修復(fù)或者再次更換，給患者的生活帶來了一定的不便。因此，提高人工關(guān)節(jié)材料的表面潤滑性對于確保關(guān)節(jié)置換手術(shù)的成功率有著十分重要的意義，也是我國作為人口大國的一個很現(xiàn)實的需求。

二、人工關(guān)節(jié)材料表面潤滑的研究現(xiàn)狀

人工關(guān)節(jié)置換手術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在了臨床當(dāng)中，但是從臨床的結(jié)果來看其效果并不是十分理想，盡管能夠?qū)﹃P(guān)節(jié)損傷所造成的疾病進行解決，但是病人在經(jīng)歷手術(shù)之后仍然會有很大的反應(yīng)，不能夠?qū)Σ∪说膯栴}進行徹底的治愈。因此，眾學(xué)者就人工關(guān)節(jié)材料表面的潤滑設(shè)計展開了各種各樣的研究，以提高其表面潤滑性，增加人工關(guān)節(jié)的使用壽命。

（一）常用的關(guān)節(jié)材料

目前來說常用的人工關(guān)節(jié)材料主要有三種：超高分子量聚乙烯、醫(yī)用金屬材料以及醫(yī)用陶瓷材料。超高分子量聚乙烯其本身具有耐腐蝕、沒有毒副作用的特點，各項性能的指標(biāo)以及摩擦系數(shù)都比較貼近于人體軟骨，因此在人工關(guān)節(jié)中經(jīng)常被用做植入物的制備材料。但是超高分子量聚乙烯材料在工作期間很容易產(chǎn)生大量的磨屑從而對人體的免疫機制產(chǎn)生一定的影響，同時還會在生活當(dāng)中給病人帶來一定的疼痛感，最終使得人工關(guān)節(jié)失效。

人體植入物金屬材料和一般的金屬材料是有一定區(qū)別的，需要其具有優(yōu)異的耐磨性以及耐腐蝕性能，目前被用作人工關(guān)節(jié)材料的金屬材料主要包含強度高的不銹鋼、耐腐蝕性和耐磨性更加優(yōu)異的鈷鉻合金以及鈦合金等，但由于前兩種通常都會產(chǎn)生對人體不利的金屬離子，目前被廣泛應(yīng)用的醫(yī)用金屬材料是鈦合金。

醫(yī)用陶瓷材料最優(yōu)秀的一個特性就是磨損率相對較小，可以很好地對由于磨損而產(chǎn)生的異物問題進行解決，更加有效地減輕骨溶解現(xiàn)象，同時其顆粒對于人體的刺激也是最小的，能夠有效提高人工關(guān)節(jié)的使用壽命，除此之外，其親水性也有利于人工關(guān)節(jié)表面吸附潤滑液的，從而降低人工關(guān)節(jié)的磨損率。

（二）人工關(guān)節(jié)材料表面的處理方式

由于新材料的發(fā)現(xiàn)是一個十分漫長的過程，因此除了選材的問題以外，人們對于人工關(guān)節(jié)材料表面的處理方式也十分關(guān)注，在進行人工關(guān)節(jié)制造的過程當(dāng)中可以采取在材料表面進行特殊結(jié)構(gòu)的構(gòu)建或者涂層處理的方式來對其進行優(yōu)化，從而更好地提高其表面的潤滑性，提高人工關(guān)節(jié)的使用壽命。

在進行材料的表面處理時，可以通過激光熔覆技術(shù)在不同的材料表面進行復(fù)合涂層的構(gòu)建，從而提升人工關(guān)節(jié)的耐磨性和硬度。同時也可以通過火焰噴焊技術(shù)在合金的表面進行過渡層和強化層的構(gòu)建，從而提高其耐磨性。除此之外，也可以通過等離子噴涂的技術(shù)來對表面進行處理，通過該技術(shù)也可以在合金表面進行復(fù)合涂層的設(shè)計，從而提高人工關(guān)節(jié)材料耐腐蝕以及耐磨損的性能。在進行人工關(guān)節(jié)材料的表面處理時，應(yīng)該注重對其進行多方面的實驗探究，從而選擇最好的方式來對其進行處理，更好地提升人工關(guān)節(jié)的性能。

三、人工關(guān)節(jié)材料的表面潤滑設(shè)計

（一）結(jié)構(gòu)化表面的流體動壓設(shè)計

當(dāng)前來說，對于結(jié)構(gòu)化表面的設(shè)計已經(jīng)有了各種各樣的類型，其減摩研究主要集中在實驗研究層面，同一種類型的結(jié)構(gòu)化表面在尺寸上也有一定的區(qū)別。人工關(guān)節(jié)的磨損主要發(fā)生在慢走、步行以及跑步的狀態(tài)之下，其潤滑的形式主要為流體潤滑。因此在進行人工關(guān)節(jié)材料表面潤滑設(shè)計的過程當(dāng)中，應(yīng)該注重其結(jié)構(gòu)化表面的流體動壓設(shè)計。

例如，在進行表面結(jié)構(gòu)化的設(shè)計時，可以通過對材料表面形貌進行改變的方式來對降低摩擦系數(shù)，從而增強人工關(guān)材料表面的耐磨性。在進行設(shè)計的過程當(dāng)中可以參考魚類的表面特征，將材料表面設(shè)計為菱形凹坑的結(jié)構(gòu)，從而提高其潤滑性。在設(shè)計過程中，潤滑膜壓力的大小會隨著菱形結(jié)構(gòu)密度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，因此，在表面結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，一定要注重對其密度大小的把控。

（二）通過激光對結(jié)構(gòu)化表面進行加工

盡管表面的組織結(jié)構(gòu)在減摩性能方面具有較為優(yōu)異的效果，但是其結(jié)構(gòu)尺寸通常都是微米級甚至是納米級的，通過傳統(tǒng)的機械加工手段是不能滿足其加工需求的，因此如何對其表面實現(xiàn)快速且準(zhǔn)確的加工也是表面潤滑設(shè)計的一個重點研究方向。現(xiàn)階段由于激光安全、可靠、綠色的性能已經(jīng)在機械制造方面獲得了廣泛應(yīng)用。但是對于不同的材料來說，其激光加工的閾值是不相同的，在進行不同材料的加工之前應(yīng)該對激光參數(shù)和材料量之間的關(guān)系進行充分的研究和分析。

例如，通過激光對結(jié)構(gòu)化表面進行加工時，應(yīng)該對輸出的頻率進行合理的控制。當(dāng)激光的輸出功率確定時，脈沖能量會隨著輸出頻率的增大而降低。在輸出頻率較低時，激光對材料進行處理主要是通過強燒蝕的方式來進行的，也因此會產(chǎn)生一定的需要重新鑄造的區(qū)域;而在輸出頻率較高時，其在進行材料去除時就會以弱燒蝕為主。因此，在進行激光加工的時候，一定要對激光的參數(shù)進行合理的選擇。

（三）進行結(jié)構(gòu)化表面的潤濕性研究

關(guān)節(jié)在使用期間會涉及不同的潤滑狀態(tài)，有時候關(guān)節(jié)的潤滑方式為混合型潤滑，此時關(guān)節(jié)間的空隙會很小，在各種摩擦力的作用之下可能會造成潤滑膜的破裂，從而導(dǎo)致關(guān)節(jié)之間的摩擦環(huán)境變得更加惡劣，加快了人工關(guān)節(jié)磨損的速率。通過制備特殊結(jié)構(gòu)的表面可以改善其潤濕性，從而更好地調(diào)控其表面黏附性能，使其在潤滑不充分的條件下也能夠很容易地形成潤滑膜，從而更好地改善磨損狀況。在設(shè)計時應(yīng)該對其基本理論和規(guī)律進行充分的研究。

例如，對于潤濕性來說，其很容易受到表面張力的影響。由于分子之間存在相互作用力，這就使得液體表面的分子處在一個不平衡的狀態(tài)之下。在這個作用力之下，分子受到的拉力就形成了表面的張力，通過表面的張力，液體就可以自動收縮形成球狀，從而使得系統(tǒng)能夠處于一個平衡且穩(wěn)定的狀態(tài)之中，更好提升摩擦性能。

結(jié)語：和天然關(guān)節(jié)相比較，人工關(guān)節(jié)在潤滑方面存在許多的不足，對人工關(guān)節(jié)材料表面的潤滑性進行提升，是當(dāng)今需要著重發(fā)展和研究的方向。在進行人工關(guān)節(jié)表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，可以通過改善材料的表面性能以及摩擦配副方式來減輕摩擦磨損情況，同時還應(yīng)該加強對于人工關(guān)節(jié)材料表面潤滑機理的研究，以更好地滿足目前人工關(guān)節(jié)的需求。同時，在設(shè)計過程當(dāng)中應(yīng)該注重對于新材料的挖掘以及新技術(shù)的良好應(yīng)用，從而更好地提升人工關(guān)節(jié)材料的質(zhì)量以及潤滑性能，延長人工關(guān)節(jié)的使用壽命，提高關(guān)節(jié)置換手術(shù)的成功率。

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項目：蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級項目（YJ-ZK2004）