人工關(guān)節(jié)材料的表面潤(rùn)滑設(shè)計(jì)探究

王琨 吳姝 蔣珉珂 李貝貝 李祥龍 李騰達(dá)

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

關(guān)鍵詞：人工關(guān)節(jié)材料;表面潤(rùn)滑;設(shè)計(jì)探究

引言：

從摩擦學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，人體關(guān)節(jié)的工作條件是十分惡劣的，尤其是對(duì)承重更多的下肢來(lái)說(shuō)其條件更加惡劣，關(guān)節(jié)的工作條件通常可以概括為重載、低速以及沖擊。但是，通常來(lái)說(shuō)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(duì)來(lái)說(shuō)都很小，大多數(shù)都能夠正常工作70年以上。通過(guò)對(duì)人類天然關(guān)節(jié)潤(rùn)滑性能的研究，可以更好地實(shí)現(xiàn)人工關(guān)節(jié)材料的潤(rùn)滑設(shè)計(jì)，提高人工關(guān)節(jié)材料的實(shí)用性以及壽命。

一、人工關(guān)節(jié)材料表面潤(rùn)滑設(shè)計(jì)的意義

近年來(lái)，有越來(lái)越多的老年人因?yàn)楣琴|(zhì)問(wèn)題或者年輕人因?yàn)椴豢煽沽Φ氖鹿蕟?wèn)題而發(fā)生關(guān)節(jié)損傷，傳統(tǒng)的藥物無(wú)法對(duì)關(guān)節(jié)損傷問(wèn)題進(jìn)行根治，從而使得患者飽受關(guān)節(jié)病痛的折磨，而通過(guò)關(guān)節(jié)置換手術(shù)能夠有效且安全地對(duì)人們的關(guān)節(jié)損傷問(wèn)題進(jìn)行解決，使其擁有正常的運(yùn)動(dòng)能力。當(dāng)前來(lái)說(shuō)，全球范圍內(nèi)每年都有大量的患者需要進(jìn)行關(guān)節(jié)置換手術(shù)，其對(duì)人工關(guān)節(jié)的需求量也在逐年增加當(dāng)中，這也就對(duì)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(lái)了一個(gè)新的思路，是現(xiàn)代醫(yī)學(xué)當(dāng)中一項(xiàng)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(wèn)題，例如關(guān)節(jié)面磨損所產(chǎn)生的磨屑會(huì)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(wú)菌松動(dòng)等各種問(wèn)題?，F(xiàn)在接受關(guān)節(jié)置換手術(shù)的病人越來(lái)越偏向于年輕化，這也就對(duì)人工關(guān)節(jié)的使用壽命提出新的需求。目前來(lái)說(shuō)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(duì)其進(jìn)行修復(fù)或者再次更換，給患者的生活帶來(lái)了一定的不便。因此，提高人工關(guān)節(jié)材料的表面潤(rùn)滑性對(duì)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(guó)作為人口大國(guó)的一個(gè)很現(xiàn)實(shí)的需求。

二、人工關(guān)節(jié)材料表面潤(rùn)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(lái)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(jìn)行解決，但是病人在經(jīng)歷手術(shù)之后仍然會(huì)有很大的反應(yīng)，不能夠?qū)Σ∪说膯?wèn)題進(jìn)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(rùn)滑設(shè)計(jì)展開(kāi)了各種各樣的研究，以提高其表面潤(rùn)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(lái)說(shuō)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(méi)有毒副作用的特點(diǎn)，各項(xiàng)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(duì)人體的免疫機(jī)制產(chǎn)生一定的影響，同時(shí)還會(huì)在生活當(dāng)中給病人帶來(lái)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(qiáng)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(huì)產(chǎn)生對(duì)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(gè)特性就是磨損率相對(duì)較小，可以很好地對(duì)由于磨損而產(chǎn)生的異物問(wèn)題進(jìn)行解決，更加有效地減輕骨溶解現(xiàn)象，同時(shí)其顆粒對(duì)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(rùn)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(gè)十分漫長(zhǎng)的過(guò)程，因此除了選材的問(wèn)題以外，人們對(duì)于人工關(guān)節(jié)材料表面的處理方式也十分關(guān)注，在進(jìn)行人工關(guān)節(jié)制造的過(guò)程當(dāng)中可以采取在材料表面進(jìn)行特殊結(jié)構(gòu)的構(gòu)建或者涂層處理的方式來(lái)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，從而更好地提高其表面的潤(rùn)滑性，提高人工關(guān)節(jié)的使用壽命。

在進(jìn)行材料的表面處理時(shí)，可以通過(guò)激光熔覆技術(shù)在不同的材料表面進(jìn)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(shí)也可以通過(guò)火焰噴焊技術(shù)在合金的表面進(jìn)行過(guò)渡層和強(qiáng)化層的構(gòu)建，從而提高其耐磨性。除此之外，也可以通過(guò)等離子噴涂的技術(shù)來(lái)對(duì)表面進(jìn)行處理，通過(guò)該技術(shù)也可以在合金表面進(jìn)行復(fù)合涂層的設(shè)計(jì)，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(jìn)行人工關(guān)節(jié)材料的表面處理時(shí)，應(yīng)該注重對(duì)其進(jìn)行多方面的實(shí)驗(yàn)探究，從而選擇最好的方式來(lái)對(duì)其進(jìn)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(rùn)滑設(shè)計(jì)

（一）結(jié)構(gòu)化表面的流體動(dòng)壓設(shè)計(jì)

當(dāng)前來(lái)說(shuō)，對(duì)于結(jié)構(gòu)化表面的設(shè)計(jì)已經(jīng)有了各種各樣的類型，其減摩研究主要集中在實(shí)驗(yàn)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(rùn)滑的形式主要為流體潤(rùn)滑。因此在進(jìn)行人工關(guān)節(jié)材料表面潤(rùn)滑設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中，應(yīng)該注重其結(jié)構(gòu)化表面的流體動(dòng)壓設(shè)計(jì)。

例如，在進(jìn)行表面結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)對(duì)材料表面形貌進(jìn)行改變的方式來(lái)對(duì)降低摩擦系數(shù)，從而增強(qiáng)人工關(guān)材料表面的耐磨性。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程當(dāng)中可以參考魚(yú)類的表面特征，將材料表面設(shè)計(jì)為菱形凹坑的結(jié)構(gòu)，從而提高其潤(rùn)滑性。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，潤(rùn)滑膜壓力的大小會(huì)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(shì)，因此，在表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，一定要注重對(duì)其密度大小的把控。

（二）通過(guò)激光對(duì)結(jié)構(gòu)化表面進(jìn)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(jí)甚至是納米級(jí)的，通過(guò)傳統(tǒng)的機(jī)械加工手段是不能滿足其加工需求的，因此如何對(duì)其表面實(shí)現(xiàn)快速且準(zhǔn)確的加工也是表面潤(rùn)滑設(shè)計(jì)的一個(gè)重點(diǎn)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(jī)械制造方面獲得了廣泛應(yīng)用。但是對(duì)于不同的材料來(lái)說(shuō)，其激光加工的閾值是不相同的，在進(jìn)行不同材料的加工之前應(yīng)該對(duì)激光參數(shù)和材料量之間的關(guān)系進(jìn)行充分的研究和分析。

例如，通過(guò)激光對(duì)結(jié)構(gòu)化表面進(jìn)行加工時(shí)，應(yīng)該對(duì)輸出的頻率進(jìn)行合理的控制。當(dāng)激光的輸出功率確定時(shí)，脈沖能量會(huì)隨著輸出頻率的增大而降低。在輸出頻率較低時(shí)，激光對(duì)材料進(jìn)行處理主要是通過(guò)強(qiáng)燒蝕的方式來(lái)進(jìn)行的，也因此會(huì)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(shí)，其在進(jìn)行材料去除時(shí)就會(huì)以弱燒蝕為主。因此，在進(jìn)行激光加工的時(shí)候，一定要對(duì)激光的參數(shù)進(jìn)行合理的選擇。

（三）進(jìn)行結(jié)構(gòu)化表面的潤(rùn)濕性研究

關(guān)節(jié)在使用期間會(huì)涉及不同的潤(rùn)滑狀態(tài)，有時(shí)候關(guān)節(jié)的潤(rùn)滑方式為混合型潤(rùn)滑，此時(shí)關(guān)節(jié)間的空隙會(huì)很小，在各種摩擦力的作用之下可能會(huì)造成潤(rùn)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(guò)制備特殊結(jié)構(gòu)的表面可以改善其潤(rùn)濕性，從而更好地調(diào)控其表面黏附性能，使其在潤(rùn)滑不充分的條件下也能夠很容易地形成潤(rùn)滑膜，從而更好地改善磨損狀況。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該對(duì)其基本理論和規(guī)律進(jìn)行充分的研究。

例如，對(duì)于潤(rùn)濕性來(lái)說(shuō)，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(gè)不平衡的狀態(tài)之下。在這個(gè)作用力之下，分子受到的拉力就形成了表面的張力，通過(guò)表面的張力，液體就可以自動(dòng)收縮形成球狀，從而使得系統(tǒng)能夠處于一個(gè)平衡且穩(wěn)定的狀態(tài)之中，更好提升摩擦性能。

結(jié)語(yǔ)：和天然關(guān)節(jié)相比較，人工關(guān)節(jié)在潤(rùn)滑方面存在許多的不足，對(duì)人工關(guān)節(jié)材料表面的潤(rùn)滑性進(jìn)行提升，是當(dāng)今需要著重發(fā)展和研究的方向。在進(jìn)行人工關(guān)節(jié)表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)改善材料的表面性能以及摩擦配副方式來(lái)減輕摩擦磨損情況，同時(shí)還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)于人工關(guān)節(jié)材料表面潤(rùn)滑機(jī)理的研究，以更好地滿足目前人工關(guān)節(jié)的需求。同時(shí)，在設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中應(yīng)該注重對(duì)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(rùn)滑性能，延長(zhǎng)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(xiàng)目：蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)項(xiàng)目（YJ-ZK2004）