医学工程论文
摘 要： 陶瓷材料由于良好的磨损性能，高硬度以及很好的生物相容性，在人工关节临床使用中受到青睐，陶瓷关节在滑动中可形成液膜以减小径向间隙，但在混合润滑和边界润滑模式下，陶瓷关节表面产生磨损碎片。在前提条件相同的情况下，陶瓷材料组合时的磨损率是有差异的，本研究采用四种不同的陶瓷材料，即氧化铝、氧化锆、碳化硅和氮化硅，在摩擦试验机上进行了摩擦试验，研究这四种不同材料在不同组合时摩擦磨损性能。
关键词： 人工关节; 聚乙烯; 摩擦; 磨损;
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.
Keyword： artificial joint; polyethylene; friction; wear;
每年在医学临床中有数以百万计的人工关节置换手术，以恢复患者的运动功能并消除病痛，但由于人工关节用的高分子聚乙烯材料的磨损颗粒会造成骨质软化及关节松动，白血球中的噬菌体吸收磨损颗粒，从而产生骨髓炎等症状，磨损颗粒影响生体反应机能。因此，超硬材料的陶瓷类材料应运而生，陶瓷材料与生体金属材料相比具有更好的耐磨性，为了更好的了解陶瓷材料的摩擦磨损性能，本研究中采用4种不同的陶瓷材料进行研究，为医用植入关节材料的应用提供实验依据。
1、 试验方法
实验装置如图1所示，在单向滑移实验机进行了圆棒-平板接触方式下的磨损实验。上试料为（半径30mm)4种陶瓷材料，平面试样为（20×20×15mm)4种陶瓷材料，实验负荷为100N，实验温度按人体温度设为37±2°C，使用蒸馏水和人工体液作为润滑液，摩擦速度为19m/s，摩擦距离为0.94和5.7km。
实验材料使用了同种及异种组合的高纯度氧化铝晶体（Al2O3）、正方晶锆晶体Y-TZP(Tetragonal zirconia polycrystals,3.0 mol%Y2O3）、碳化硅（SiC）、氮化硅（Si3N4）材料。各材料的机械性能如表1所示，其中陶瓷材料Al2O3和Y-TZP材料，表面用烷基膦酸（OPA）实施了疏水性单分子膜的吸附处理（处理后的接触角为Al2O3:104°，Y-TZP:102°）。根据赫兹理论初期平均面压根据材料组合而不同，其范围为412～635MPa。
图1 实验装置
2 、结果及讨论。
表1 材料的机械性
图2 氧化铝上的OPA吸附膜
图3 吸附膜对磨损和摩擦的影响
在摩擦速度为19m/s，用蒸馏水和人工体液润滑状况下，各种陶瓷材料组合时的磨损率是有差异的。人工体液中的磨损率要比蒸馏水的磨损率低，将近一半。同材料的组合中，其性能差异很大，在相同类型的组合中，Y-TZP/Y-TZP和Si3N4/Si3N4的磨损较高（磨损程度由下部固定平板试样测定）。不同材料的组合中，Y-TZP/Si3N4磨损最大，Al2O3/Si3N4和Si3N4/SiC组合材料的磨损也较高，但是，Y-TZP/Al2O3、SiC/Al2O3、Y-TZP/SiC等材料的组合时磨损很低，具有很好的耐磨损特性。另外，临床上已经使用的相同种类的Al2O3/Al2O3组合中，观察到摩擦系数从初始值0.1增加到约0.3，但是磨损量最小，使用相同的SiC/SiC材料组合时，摩擦系数保持在0.05-0.15极低状态，但磨损程度并不低。然而，磨损表面较光滑，表明SiC与水之间的摩擦化学作用起到效果并且维持低摩擦状态。在Si3N4/Si3N4组合中，摩擦时化学作用也使磨损表面光滑，但是没有SiC材料间的低摩损状态。同种材料间的磨损，磨损量从大到小的顺序如下：
与同种材料组合相比异种材料间的磨损时，材料间吸附力降低，对低导热率材料来说，可降低摩擦温度，因而能改善摩擦性能。本实验中，除了与Si3N4材料组合以外，异种材料间的组合改善了摩擦磨损特性，特别是在人工体液中，使用Y-TZP/Al2O3,Al2O3/Y-TZP和Y-TZP/SiC组合时，可以减少磨损。此外，以往的研究中，用Y-TZP/Y-TZP材料在人工髋关节的步行模拟测试中，水润滑产生过度磨损，而人工体液润滑可以抑制磨损。可见，摩擦面是否存在保护膜以及水和Y-TZP的反应是否存在单斜晶体的相变，对摩擦磨损特性产生影响。图3所示为在人工体液润滑下疏水吸附膜（图2）的效果实验。为抑制人工体液中血清浓度的变化，进行了滑动距离为0.94km的磨损测试，结果表明，Y-TZP同种材料之间磨损时，磨损明显较低。与水润滑相比，Al2O3同种材料间的磨损较大，通过吸附膜处理后磨损明显减少。在Y-TZP同种材间磨损时，仅人工体液润滑下磨损较低，吸附膜的效果不明显。对于不同材料间的磨损，只有用吸附膜处理Al2O3材料时，磨损较小，其他材料用吸附膜处理后，磨损率反而有增大趋势。从图3的摩擦系数值来看，用吸附膜处理后的表面摩擦时，摩擦系数降低，用吸附膜处理后的Al2O3材料，摩擦系数下降明显，可见，吸附膜具有良好的润滑效果。
3、 结束语
为了研究人工关节用的陶瓷材料摩擦和磨损特性，进行了单向滑移试验，实验通过不同组合材料间的磨损，得到了不同润滑和吸附膜状态下的摩擦磨损效果。
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