复合人工滑液的正交设计

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2001.05.013 第23卷第5期 北京科技大学学报 Vol.23 No.5 2001年10月 Journal of University of Science and Technology Beijing 0ct2001 复合人工滑液的正交设计 虞路清”李久青》顾正秋》张蓓) 1北京科技大学应用科学学院，北京1000832北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要利用正交实验设计配制由透明质酸HA,La-DPPC磷脂和y球蛋白3种成分构成的复 合人工滑液，在PVA-H/PVA-H,PVA-H/316LSS两类人工关节摩擦副上，利用自制振子式摩擦 仪测定其摩擦学参数，初步确定出复合人工滑液中3种成分的适宜配比 关键词透明质酸；复合人工滑液：正交实验设计 分类号0632.21 透明质酸(Hyaluronic Acid,HA)具有许多重 磷脂酰基胆碱)是滑液及软骨表面的主要磷脂 要的物理特性，如高度粘弹性、可塑性、渗透性 成分，“球蛋白为大分子量球蛋白，均能显著改 和独特的流变性质以及良好的生物相容性，HA 善透明质酸对人工关节的润滑. 已广泛临床应用于关节腔内注射治疗骨关节 试验摩擦副选用316L不锈钢和聚乙烯醇 病，也是人工关节润滑剂的首选材料四大多数 水凝胶(PVA-H)2种人工关节材料，构成316L 的硬质人工关节处于混合润滑状态，即在苛刻 SS/PVA-H和PVA-H/PVA-H两类摩擦副，并采 的的运动条件下不仅有流体动压润滑，还存在 用小牛血清（体积分数30%）为参照润滑剂.小 着其他的润滑模式2，近期研究表明，在人工滑 牛血清与天然滑液具有相似的组分，试验期间 液中（以透明质酸为主要成分）添加某些天然滑 必要时加入叠氮化钠防腐剂. 液的组分物质如La-DPPC磷脂和球蛋白，均 1.2正交实验设计 能显著改善摩擦副的摩擦学性能，人们归因 以透明质酸、y球蛋白和La-DPPC磷脂作 于混合溶液可能在摩擦副接触表面上形成了类 为影响人工滑液润滑性能的主要因素，并参照 似生物膜结构的磷脂膜，从而增强了人工滑液 生物膜中磷脂和球蛋白的含量对各组分分别设 的边界润滑作用网.本研究通过正交实验设计方 定5个试验浓度，利用L2s(5)正交表安排三因 法系统考察了不同组成的人工滑液在人工软骨 素、五水平的试验.在每种摩擦副和载荷状态 摩擦副上的摩擦学行为，并确定出HA、La- 下，均需要进行25次试验，以确定出复合人工 DPPC磷脂和球蛋白3种成分的适宜配比，为 滑液的各组分适宜配比，同时分析各个组分对 复合人工滑液的研制提供实验基础. 润滑性能的影响.表1中各组分的试验浓度是 按随机顺序安排的. 1试验 表1试验设计因素与五水平表 Table 1 Factors and levels of orthogonal test design 1.1材料与试剂 组分浓度 12345 用商品级的透明质酸钠（相对分子质量1~2 透明质酸/gdL 1.51.00.30.10.5 ×10°，山东福瑞达精细化工有限公司制)以质量 r球蛋白gdL10.33.02.00.51.0 分数0.9%的生理盐水配制成溶液，再在其中添 La-DPPC磷脂gdL0.0300.0010.1500.0100.100 加r球蛋白和La-DPPC磷脂（均为美国SIGMA 自行研制的振子式摩擦仪（图1）不但可测 公司试剂产品)混合制成复合人工滑液.据报道 DPPC(Dipalmitoyl Phosphatidylcholine,二棕搁酰 量软垫材料与不锈钢等刚性材料间的摩擦系 数，也可测定软垫/软垫摩擦副间的摩擦系数. 收稿日期2000-11-29 赏路清男，26岁，顾士 根据振子摆幅衰减原理，单摆在自由摆动时如 *国家自然科学基金资助课题No.990413651) 没有受任何阻力，其振幅大小将恒定.忽略空气

第 23 卷 第 5 期 2 00 1年 一0 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Jo u rn a l o f U . vi e” ity o f SC ie n e e a n d . n c h . o l o gy B e ji ni g 、 b l . 23 N 0 . 5 o e t 2 0 0 1 复合人工滑液的正交设计 虞路 清 ” 李久青 ” 顾正秋 2 , 张 蓓 ” )北京科技大学应用科学学院 , 北京 10 0 0 83 2 )北京科技大学材料科学与工程学 院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 利用 正交 实验设 计配制由透明质 酸 H A 、 L a - D P P C 磷脂 和卜球蛋 白 3 种 成分 构成 的复 合人工滑 液 , 在 P vA 刁刃P vA 一 , P vA es 柑3 1 6L 5 5 两类人 工关节摩擦副上 , 利用 自制振 子式摩 擦 仪测 定 其摩擦学参数 , 初 步确定 出复 合人 工滑液 中 3 种 成分的适宜配 比 . 关 健词 透 明质酸 ; 复 合人 工滑 液; 正 交实验设计 分 类号 0 63 2 . 2 1 透 明质酸 ( H y a lur o n i e A e id , H A )具有许 多重 要的物理特性 , 如高度粘 弹性 、 可 塑 性 、 渗 透性 和 独特 的流变性质 以及 良好的生 物相容性 , H A 已广 泛 临床应 用 于关 节 腔 内注射 治疗骨 关 节 病 , 也是 人工关节润滑剂 的首选 材料 `, ’ . 大 多数 的硬质人 工关节处于 混合 润 滑状态 , 即在 苛刻 的的运 动条件下不仅有流体 动压润滑 , 还 存在 着其他的润滑模式.f23 , . 近期研究表 明 , 在人工滑 液 中(以 透明质酸为主要成分 )添 加某些 天然滑 液 的组 分物质如 L a - D P P C 磷脂 和卜球蛋 白 , 均 能显著 改善摩擦副 的摩擦学性 能 `例 , 人们 归因 于混合溶液可 能在摩擦 副接触表 面上 形成 了类 似生物膜 结构的磷脂膜 , 从而增强 了人 工 滑液 的边界润 滑作 用 【刀 . 本研 究通过正交实验设计方 法系统考察 了不同组成 的人 工滑液在人工软骨 摩擦 副上 的摩擦 学行 为 , 并 确定 出 H A 、 L a - D P P C 磷 脂和 卜球蛋 白 3 种成分 的适宜配 比 , 为 复合人 工滑液的研制提供 实验 基础 . 1 试验 L l 材料与试剂 用 商品 级的透明质 酸钠 (相对分子质量 1一2 K 106 , 山东福瑞 达精 细化工有 限公 司 制) 以质量 分数 .0 9 % 的生理盐水配 制成溶液 , 再在其 中添 加卜球蛋 白和 L 仅 - D P P C 磷脂 (均 为美 国 sI G M A 公司试 剂产品 )混合制成复合人工滑液 . 据报道 D P P C (D IPa ln it o y l P h o s hP iat dy l e h o lin e , 二棕搁酞 收稿 日期 2 0 仁n 一9 虞路清 男 , 26 岁 , 硕士 * 国家 自然 科学基金资助课题(N .0 9 9 0 4 13 6 51 ) 磷脂 酞基胆碱 ) 是滑 液及软骨表 面 的主要磷 脂 成分 , 卜球 蛋 白为大分子量球蛋 白 , 均能显著改 善透明质酸对人 工关 节的润滑 . 试 验摩擦副选 用 3 16 L 不锈钢和 聚乙烯 醇 水凝胶 ( PV A- H )lt[ 2 种人工关节材料 , 构成 3 16 L 5 5 尼VA 一 H 和 PV A - H爪V A - H 两类 摩擦副 , 并采 用 小牛 血清 ( 体积分数 3 0% )为参照润滑剂 . 小 牛血清与天然滑液具 有相似的组分 , 试 验期间 必要时加人叠氮 化钠 防腐剂 . 1 . 2 正交实验设计 以 透明质酸 、 卜球 蛋 白和 L a - D PP C 磷 脂作 为影响人工滑液 润滑性能 的主要 因素 , 并参照 生物膜 中磷脂和球蛋 白的含量对各组分分别设 定 5 个 试验浓度 , 利用 L Z , (约 正 交表安 排三 因 素 、 五水平 的试验 . 在每种摩擦 副和载荷状态 下 , 均需要进行 25 次 试验 , 以确定 出复合 人工 滑液的各组分适 宜配 比 , 同时分 析各个 组分对 润滑性能 的影 响 . 表 1 中各组分 的试验 浓度是 按随机顺序安排 的 . 表 1 试验设计因索与 五水 平裹 aT b le 1 aF e t o ” a n d vle e is o f o rt h o g o . a l t es t d es ig . 组分浓度 1 2 3 4 5 透 明质酸 /g · dL 一 , 1 . 5 一0 0 . 3 0 . 1 0 . 5 卜球蛋白g/ · dL 一 , .0 3 .3 0 .2 0 .0 5 1 . 0 L 口- D p p C 磷脂g/ · d L 一 ’ 0 . 0 3 0 0 . 0 0 1 0 . 15 0 0 . 0 一0 0 . 10 0 自行研 制的振子式摩擦仪 ( 图 l) 不 但可测 量 软垫 材料 与不 锈钢 等 刚性材 料 间 的摩 擦 系 数 , 也 可测定软垫 /软 垫摩擦副间 的摩擦 系数 . 根据振 子摆 幅衰减原理 , 单 摆在 自由摆动时如 没有受任何 阻力 , 其振幅大小将恒定 . 忽略空 气 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2001. 05. 013

·436· 北京科技大学学报 2001年第5期 加液孔 系数所需透明质酸的浓度发生了变化.在复合 滑动液面 人工滑液中（图2），透明质酸的最佳浓度为 030.5g·dL-,而在纯粹透明质酸润滑剂中，透 明质酸的最佳浓度为0.5~0.8gdL‘,较前者要 大.这表明加入y球蛋白和La-DPPC提高了透 明质酸溶液的润滑作用. 加入La-DPPC磷脂可以提高复合人工滑 图1振子式摩擦仪结构示意图（单位：mm) 液的润滑性能.从图4中可以看出，在最佳浓度 Fig.1 Diagram of pendulum-type friction test 01gdL时，摩擦系数最小可在0165左右，而 较少量的La-DPPC的加人对降低摩擦的作用 阻力，则振子支点与摆轴之间的摩擦成为振子 不明显，相反还可能起反作用（如图4中，在0.01 振幅衰减的主要原因.通过测量振幅衰减，根据 下式可求得摩擦系数： gdL-'时，对PVA-H/316L不锈钢，摩擦系数达 u=g-8) 到最大)；在O.1gdL以后，La-DPPC浓度变 4R (0s15) 化对摩擦系数的影响已不大.由图5知，在0.5 式中4为摩擦系数L为振子式摩擦仪摆长，R为 gdL-时，y-球蛋白和La-DPPC一样使摩擦副 摆轴半径，0.-，0n分别为测得的第n-1,n次的摆 达到最小的摩擦系数为0.165，即复合人工滑液 动偏角.摆轴选用人工关节材料316L不锈钢， 0.42 其表面粗糙度R值为0.1m,摆轴半径为22mm. 0.38 PVA-H3I6:费荷邻 摆长选定为660mm,则振子的摆动周期T=2π 0.32 0 (亿g)1/2≈1.63s,约等于通常步行时人的膝关节 的屈伸周期(g为重力常数) 0.26 本试验分别在两类摩擦副PVA-H/PVA-H 0.20 和PVA-H/316LSS上，在载荷16kg和轻载5kg 0.1 2种载荷状态下，测定各类人工滑液润滑时的 0.20.40.60.81.01.21.41.6 摩擦副的摩擦系数并进行分析，即以摩擦系数 CHA/g.dL-1 作为特征参数来衡量正交实验结果. 图2透明质酸浓度对摩擦系数的影响 试验前，用无水乙醇将软垫材料及摆轴擦 Fig.2 Relation of Hyaluronic Acid concentration and friction coefficient 净，然后将圆柱形软垫材料放入振子式摩擦仪 0.36 的孔槽中，利用螺旋弹簧将材料与摆轴表面压 :a:Yt6品。 紧，弹簧施加于材料上的力恒定为11.4N.做软 0.32 。VAVA计婆装超 垫/软垫摩擦副对磨时，先将环状试样套紧在摩 0.28 擦仪摆轴上，通过加液孔滴加润滑剂，使得润滑 剂浸润摩擦副对磨表面.为准确测量摩擦系数， 0.24 选择0.26rad为振子式摩擦仪的初始振幅.对上 0.20 .. 述两类摩擦副在不同载荷下，测定摩擦仪偏角 ()的衰减情况. 0.16L 0.00.20.40.60.81.01.21.41.6 2结果与分析 C避明腰/g·dL 图3复合人工滑液中透明质酸的影响 图1为纯粹的透明质酸溶液润滑时的摩擦 Fig.3 Effect of Hyaluronic Acid on friction coeffi- 系数.由正交实验分析结果绘制成各个因子指 cient in the compound artificial synovia 标趋势，如图2~5所示，分别反映各组分浓度与 中y-球蛋白适宜浓度为0.5gdL.复合人工滑 滑液润滑性能的关系 液中3种组分在不同润滑状态下的平均影响效 与纯粹的透明质酸润滑剂（图1）相比较，可 果如表2，表中极差表示组分水平的差异导致 以发现对于不同的人工滑液，维持较低的摩擦 的摩擦系数差极值.从表2可以看出，在轻载(5

. 4 3 6 . 北 京 科 技 大 学 学 报 20 1 年 第 5 期 加 液孔 动液 面 图 1 振 子式摩擦仪 结构 示意 图 (单位 : nI nl ) F论 . I D抽 g拍 . fo p. d d u nl . ty p e fr i c 6 0 n 俪 t 阻力 , 则振子 支点与摆轴之 间的摩擦 成为振子 振 幅衰减的主要原 因 . 通过测量振幅衰减 , 根据 下 式 可求得摩擦 系数 ` ,21 : , 里里锡羚) ( 8` 1 5 ` ) 式 中声为摩擦 系数 声为振子式摩擦 仪摆长 尹为 摆轴半 径八 一 : , 氏 分别为测 得的第 n 一 1 , n 次 的摆 动偏 角 . 摆轴选用 人工关节材料 3 16 L 不 锈 钢 , 其表面粗糙度.R 值为 0 . 1阿 , 摆轴半径为 2 ~ . 摆 长选 定为 6 60 n u n , 则振子 的摆 动周期 =T 2二 伍舍) 12/ “ 1 . 63 5 , 约等 于通 常步行时人 的膝关 节 的屈伸周期活 为重 力常数 ) . 本 试验 分别在 两类摩 擦副 P劝卜H于VA -H 和 P V A e川 3 1 6 L 5 5 上 , 在 载荷 16 k g 和 轻载 5 吨 2 种 载荷状态下 , 测定各类 人工滑液润滑 时的 摩擦 副 的摩擦 系数并 进行分析 , 即 以摩擦 系数 作为特征参数来衡 量正交实验结果 . 试验 前 , 用无水 乙醇将 软垫材料及摆轴擦 净 , 然后将 圆柱形软垫材料 放人振子式摩 擦仪 的孔槽 中 , 利用螺旋 弹簧将 材料与摆轴表 面压 紧 , 弹簧施加 于材料 上 的力恒定为 1 . 4 N . 做软 垫 /软垫摩擦 副对磨 时 , 先将环状试样 套紧在摩 擦 仪摆轴上 ,通 过加 液孔 滴加润滑剂 , 使 得润滑 剂浸润摩擦 副对磨表面 . 为准确测量摩擦系数 , 选择 .0 26 ar d 为振子式摩擦仪 的初始振幅 . 对上 述两类 摩擦副在不 同载荷 下 , 测定摩擦 仪偏角 (仍的衰减情况 . 系数 所需 透明质酸 的浓度发生 了变化 . 在复合 人 工滑液 中 ( 图 2 ) , 透 明 质 酸的 最佳 浓度 为 .0 3司 . 5 9 · d L 一 ’ , 而在纯粹 透明质酸润滑剂 中 , 透 明质酸的最佳浓 度为 .0 5司 . 8 9 · d L 一 ’ , 较前 者要 大 . 这 表明加人产球 蛋 白和 aL 一 DP cP 提 高 了透 明质酸溶液 的润滑作用 . 加 人 L a 一 D P PC 磷脂 可 以 提高复合人 工滑 液的润滑性能 . 从 图 4 中可以 看出 , 在最佳浓度 0 . 1 9 · d L 一 ’ 时 , 摩擦 系数 最小可在 0 . 165 左 右 , 而 较 少量 的 L a 一 D P P C 的加 人对降低摩擦 的作 用 不 明显 , 相反还 可 能起反作用 ( 如 图 4 中 , 在 .0 01 g · d L 一 ’ 时 , 对 PVA 一 川3 1 6 L 不锈钢 , 摩擦 系数达 到最大 ) ; 在 0 . 1 9 · d L 一 , 以后 , aL 一 D P P C 浓度变 化对摩擦 系数 的影响 已不大 . 由图 5 知 , 在 .0 5 g’ dL 一 ’ 时 , 夕一 球 蛋 白和 aL 一 D P cP 一样使摩擦 副 达到最小的摩擦 系数为 0 . 1 65 , 即 复合人 工滑液 料 墓粼撇镶 _ … … · 汗 0 . 3 2 卜 0 . _ 卜 ’ 刃 . ” “ “ ” ` ” 0 . 2 6 「 气 ’ , , 。 . … … 。 … :’ :. . . … ` … … 。 , 0 }丫丫乙/ 一卜一 } 14 一 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 . 2 1 . 4 1 , 6 鲡 / g · dL 一 , 圈 2 透 明质酸 浓度 对 . 娘系橄的 影晌 F 论.2 R e加行o n of H y . l u 功。 ic A ic d co . ce n atr 柱o n a o d 幻d c 6 o n c oe m e ie . t 0 . 36 0 . 32 0 . 28 0 . 24 0 . 20 0 . 16 一 : 忿 邵默黯 鹅 贾抵 李豁之邵捻鸽;鹅至选 二 习 “ ’ · 、 … ’ - 一 诀止二二 2 结果与分析 一 图 1 为纯粹 的透 明质酸溶液润滑时的摩擦 系数 . 由正交 实验 分析结果绘制 成各个因 子指 标 趋势 ,如 图 2一 5 所示 , 分 别反映各组分浓度 与 滑液润滑性能 的关系 . 与纯粹 的透 明质酸润 滑剂 ( 图 l) 相 比较 , 可 以 发现对 于不同的 人工滑液 , 维持较低 的摩擦 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 1 . 2 1 . 4 1 . 6 aC 叨 质 . / ’g dL 一 ’ 圈 3 盆合人 工滑液 中通 明质趁的形 晌 F 啥3 E幻er c t o f H y a l u or . ic 叔记 0 . 介让柱。 n coe f i . c ie n t in t h e co m po 二d a 币6 e妞 1 sy n 价抽 中y一 球蛋 白适宜浓度为 .0 5 ’g dL 一 ’ . 复合人工滑 液中 3 种组分在不 同润 滑状态下的平均影响效 果如表 2 , 表中极 差表示组分水 平的差异导致 的 摩擦 系数 差极 值 . 从 表 2 可以看 出 , 在轻载 ( 5

VoL23 No.5 虞路清等：复合人工滑液的正交设计 ·437 kg)情况下，润滑PVA-H/316LSS摩擦副时，透 表3摩擦仪正交试雕方差分析 明质酸起重要作用，又因透明质酸是决定润滑 Table 3 Results analysis of orthogonal test with 剂粘度的主要因素，这表明润滑剂的粘度对其 pendulum-type friction test 润滑性能有很大影响；在重载情况下(16kg), 成分 透明质酸La-DPCy一球蛋白 4.8466.163 1.173 0.34 PVA-H/316L SS(5 kg) 显著 高度显著 不显著 0.32 :。WA: -PVA-H/PVA-H:5 kg 3.262 5.615 0.709 PVA-H/PVA-H:16 kg PVA-H/316 LS S(16 kg) 0.28 显著 高度显著 不显著 0.1875 1.3125 0.9375 0.24 PVA-H/PVA-H(5 kg) 不显著 不显著 不显著 0.20 2.7 2.925 2.55 PVA-H/PVA-H(16 kg) b. 显著 显著 显著 0.16L 00.010.020.03 0.1 0.15 当F≤Fo(4,12)时，该因子影响不显著 Ca-bmg·dL 由表3可知，对于PVA-H/316LSS摩擦副， 图4复合人工滑液中La一DPPC确脂的影响 La-DPPC的浓度变化对润滑剂的润滑性能影 Fig.4 Effect of La-DPPC on friction coefficient in the 响相对较大，在重载时表现尤为突出，与透明质 compound artificial synovia 酸一起，都是影响润滑性能的主要因素.而在轻 0.30r 0.28 载和重载下，少球蛋白对润滑剂的润滑性能影 PVAHPVA-H:S PVA-HPVA-H16s 0.26 响均不显著.在PVA-H/PVA-H摩擦副中，轻载 ◆ 和重载下，3种成分对润滑剂的润滑性能的影 0.24 响比较均衡.总体来看，y-球蛋白和La-DPPC 0.22 在高载时润滑作用较轻载时要显著；透明质酸 0.20 浓度变化(0.10-1.50gdL-)时，2种摩擦副的摩 0.18 擦学参数有不同的表现，其中对于PVA-H/316L 0 0.5 1.0 1.5 2.0 SS摩擦副，是影响润滑性能的主要因素；而对 c-肆量白gdL1 于PVA-H/PVA-H摩擦副，透明质酸与y-球蛋 图5复合人工滑液中y一球蛋白的影响 白和La-DPPC的影响相近. Fig.5 Effect of y-globulin on friction coefficient in 从图2~5中可以看出，对于PVA-H/316LS the compound artificial synovia S摩擦副，高载荷状态时的摩擦系数几乎都比 透明质酸的影响下降，La一DPPC和y-球蛋白的 低载荷时的摩擦系数要小，而对于PVA-H/PVA 作用相对明显；而对于PVA一HPVA-H摩擦副， 一H摩擦副，载荷变化引起的摩擦系数差异相 3种组分的影响作用区别不太大 对较小.这说明摩擦副之间主要可能为混合润 对正交试验结果的方差分析如表3所示， 滑模式.因为若为边界润滑或流体动压润滑，载 其中F比为因子水平的改变引起的平均偏差平 荷增大时，摩擦系数也将增大或变化很小；而对 方和与误差的平均偏差平方和的比值.由F分 于混合润滑，当润滑剂具有较好的边界润滑能 布表查得：Fo1(4,12)=5.41,Fom(4,12=3.26,Fo1 力时，由Stribeck曲线知，载荷增大，可能会导致 (4,12=2.48;当F≥F1(4,12)时，该因子影响高 摩擦系数一定程度的降低，其中的原因，可能是 度显著，当F≥Fo(4,12)时，该因子影响显著， 较高载荷比低载荷更显著的改善了摩擦副接触 表2各组分水平楚异导致的摩擦系数极差 处的几何状态一致性，从而减小阻力，提高润滑 Table 2 Extreme difference value of friction coeffi- 性能.注意到对于PVA-H/PVA-H摩擦副，摩擦 cient from the divergence of concentrations of factors 系数总体比PVA-H/316LSS摩擦副较小，这表 组分 透明质酸La-DPPC y-球蛋白 明，PVA-H/PVA-H(软垫/软垫)摩擦副从结构上 PVA-H/316LSS(5kg)0.128140.061820.09938 和材料性能上比PVA-H/316LSS更优秀，说明 PVA-H/316LSS(16kg)0.071860.03136 0.08286 其摩擦性能相对较好.这可能是由于PVA-H软 PVA-H/PVA-H(5kg)0.021400.038200.04820 PVA-H/PVA-H(16kg）0.062400.03444 0.03416 垫是一种多孔、弹性类似人体软骨组织的材料

Vo 2L 3 N .o 5 虞 路清 等 : 复合 人工滑 液 的正交 设计 . 43 , . gk )情况 下 , 润滑 P vA 一川3 16 L S s 摩擦副时 , 透 明质酸起 重要作用 , 又 因透 明质酸是决定润滑 剂粘度 的主要 因素 , 这表 明润 滑剂 的粘度 对其 润滑性 能有很大影 响 ; 在重载情况 下 ( 16 kg ) , 衰 3 . 攘仪正 交试脸方 整分 析 介 b块 3 R e, u 彻 a n a lsy is o f o rt 加gO o n . l姗 t , 厅t血 eP . d u l u m · yt 伴 幻d c 廿。 … t 成分 透 明质 酸 L a 一 D P c y一球蛋 白 0 . 34 0 . 32 PV A一川3 16 L 5 5 ( s gk) 趁狐 0 . 2 8 : 民… … . 刀 · … … · 件 四-A 】刃】l乱 : 5 · .0 FV A . H门 1征 : 6 叹 . . . p V A . H理V A . H : 一~ VP -A H IP V -A H : PV A-l 刃3 1 6 L S S ( 16 kg ) 0 . 24 PV A - H 于 V A一 H ( s gk ) 0 ” 0 1 ’ 、 0 . 1 6 L . ~ ~ 司 竺{:灭二 PVA es H P/ V A- H ( 16 gk ) .4 84 6 显 著 3 . 2 6 2 显著 0 . 1 87 5 不显著 2 . 7 显著 6 . 163 高度显著 5 . 6 15 高度显 著 1 . 3 1 2 5 不显著 2 . 9 25 显著 1 . 173 不显著 0 . 7 0 9 不显著 0 . 9 37 5 不显著 2 . 5 5 显著 0 0 . 0 1 0 . 02 0 . 03 0 ` 。 一 ~ g/ · dL 一 ` 圈 4 妞合人工滑 液中肠 一 D P P C 礴脂的形 晌 F棺 . 4 E口吮t o f L a 司口P P C o . 州d 加一 c oe 用目 e . t 加 t h e co ln 侧阅以 d 别内菌七恤 l 幻吐创恤 0 . 3 0 0 . 2 8 0 . 2 6 豁之韶}歌之比 , … 二锹撰欲昌浦抵 0 . 2 4 、 0 . 2 2 . … … 己 … … 0 . 2 0 0 . 18 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 乌 -二自 gl · d L 一 , 圈 5 妞合人工 滑液中 y一 球蛋 白的影 响 F啥 . S E幻触c t o f 卜gl o b u 血 o n 台让iot n c倪f ic ie . t 恤 比 e e o . op u n d a rt 访创妞l sy n o 幼加 透 明质酸的影 响下降 , L a 一 D PP C 和 y 一球 蛋 白的 作用相对明显 ;而对 于 PV A 一 H /PV A 一 H 摩擦副 , 3 种组分 的影 响作用 区别 不太大 . 对正 交试验结 果 的方 差分 析如表 3 所 示 , 其 中 F 比 为因子水平 的改变 引起 的平均偏差平 方和 与误差 的平均偏差平 方和 的比值 . 由 F 分 布表查得 : 0F 川 ( 4 , 12 ) = 5 . 4 1 , 0F 肥 ( 4 , 12 卜3 . 2 6 , F 。 , ( 4 , x z 目 . 4 5 ; 当 F之 F 。力: ( 4 , 12 )时 , 该 因 子影 响高 度显著 , 当 F 七 0F s0 ( 4 , 12 )时 , 该 因子影 响显著 , 衰 2 各组分 水平理 异导致的康镶系数极差 l b b le 2 E x lt , m e d渊er er . ce v o l u e o f ifr c廿0 . c . 吹万 . 血 . t n ” m ht e d加 e啥 e n e e o f , n c e . t比廿。 。 一 o f .f e ot sr 组分 透明质 酸 L a 一 D PCP 下一球蛋 白 PV A一柑 3 16 L S S (s gk ) 0 . 12 8 14 0 . 0 6 1 8 2 0 . 099 3 8 PV A一 印 3 16 L S S ( 16 gk ) 0 . 07 18 6 0 . 0 3 1 3 6 0 . 08 2 8 6 PV A一 H / PV A一 H (s gk ) 0 . 0 2 14 0 0 . 0 38 20 0 . 04 82 0 P V A一 H / PV A一 H ( 1 6 gk ) 0 . 0 6 2 4 0 0 . 0 3钊 4 0 . 0 3 4 1 6 当 F` OF . ( 4 , 12 )时 , 该 因子影响不显著 . 由表 3 可知 , 对于 P V A 一川 3 16 L 5 5 摩擦副 , L “ 一 D P P C 的浓度 变化对润 滑剂的润滑性能影 响相对较大 , 在重载时表现尤 为突出 , 与透明质 酸一起 , 都是影响润滑性 能的主要 因素 . 而在轻 载和 重 载下 , 卜 球蛋 白对润 滑剂 的润 滑性能 影 响均不显著 . 在 P V A 一 H中V A 一 H 摩擦副 中 , 轻载 和 重载下 , 3 种成分对 润滑 剂的润滑性能 的影 响 比较均衡 . 总体来看 , y 一 球蛋 白和 aL 一 D P P c 在高载时润 滑作 用较轻载 时要 显著 ; 透 明质酸 浓度变化 ( 0 . 10一 1 . 5 0 9 · d L 一 ’ )时 , 2 种摩擦 副的摩 擦学参数有不同的表现 , 其 中对于 P v A 一柑 3 16 L 5 5 摩擦副 , 是影 响润滑性能 的主要 因素 ; 而对 于 PVA 一曰 PVA 一 H 摩擦 副 , 透 明质酸 与片球 蛋 白和 L a 一 D P P C 的影响相近 . 从 图 2一 5 中可 以看 出 , 对于 PV A 一 卜盯3 1 6 L S S 摩擦 副 , 高载荷状 态时的摩擦 系数几 乎都 比 低载荷时的摩擦系数要小 , 而对于 P vA 一 H用vA 一 H 摩擦 副 , 载荷变化 引起 的摩擦 系数差异 相 对较小 . 这说明摩擦 副之间主要可 能 为混合 润 滑模式 . 因为若 为边界润滑或流体 动压润 滑 , 载 荷增大时 , 摩擦 系数也将增大或变化很小 ; 而对 于 混合润滑 , 当润滑剂具有 较好的边界润 滑能 力时 , 由 S itr b ec k 曲线 知 , 载荷增大 , 可能会导致 摩擦 系数一定程度 的降低 , 其 中的原 因 , 可 能是 较高载荷比低载荷更显著的改善 了摩擦 副接触 处的几何状 态一致性 , 从而减小阻力 , 提高润滑 性 能 . 注意 到对于 PV A尸 H于劝卜H 摩擦 副 , 摩擦 系数总体 比 P VA 一川3 16 L 5 5 摩擦副较小 , 这表 明 , P v A-] 氏午V A - H ( 软垫 /软垫 )摩 擦副从结构上 和 材料性能上 比 P V A-l 刃3 16 L 5 5 更优秀 , 说 明 其摩 擦性能相对较好 . 这可能是 由于 PV A袄H软 垫是一种多孔 、 弹性类似人体软骨组织 的材料

438· 北京科技大学学报 2001年第5期 在组成PVA-HPVA-H摩擦副时较好地模拟了 由图6可知，透明质酸浓度为0.3g·dL和 天然关节的构造，润滑剂因而对它具有类似天 0.5gdL润滑剂的润滑效果较好.如0.5gdL1 然关节中的液膜润滑作用的可能性，即对于 透明质酸，0.5gdL球蛋白，0.1 g.dL-La-DP PVA-HPVA-H摩擦副可能是液膜润滑或液膜 P℃的人工滑液，摩擦系数约为0.115，低于小牛 润滑占优的混合润滑起主要作用 血清（体积分数30%）的润滑时0.18.图6再次 根据正交实验结果，选择透明质酸浓度分 表明，La-DPPC对人工滑液的润滑性能有非常 别为02,0.3和0.5gdL-‘,y-球蛋白浓度为0.5 显著的影响，加入O.1gdL-'的La-DPPC的复合 gdL,La-DPPC为0.1和0.01gdL,再进行 人工滑液润滑时的摩擦系数明显低于相应只加 摩擦仪实验，测定了优选配方的复合人工滑液 入O.01g·dL-La-DPPC的复合人工滑液.复合 的摩擦系数，结果如图6所示 人工滑液的润滑机制尚不清楚，有待深入研究 0.20 0.30 三8超最 二超簧嘉 0.16 0.25 0.12 0.20 0.15 0.08 0.10 0.04 0.05 0.00 0.00 A:020.20.30.30.50.5 0.20.20.30.30.50.5 B:0.5 0.50.50.50.50.5小牛血清 0.50.50.50.50.50.5血清 C:0.10.010.10.010.10.01 0.10.010.10.010.10.01 图6优选复合人工滑液润滑时的摩擦系数.(a)PVA-H/316LSS;(b)PVA-H/PVA-H A一HIA/g.dL片B一globulin/gdLC一La-DPPC/gdL'小牛血清的体积分数为30% Fig.6 Friction coefficient lubricate with the compound artificial synovia selected 参考文献 3结论 】顾其胜，王文斌，吴萍.医用透明质酸钠在临床中的 应用综述.中国修复重建外科杂志，1998,12(2)：88 (I)对于PVA-H/PVA-H,PVA-H/316LSS两 2 Unsworth A,Dowson D,Wright V.Some New Evidence 类摩擦副，复合人工滑液中3种主要成分的最 on Human Joint Lubrication.Ann Rhe Dis,1975,34:277 佳浓度范围分别为：HA为0.2~0.5g·dL',球 3 Ikeuchi K.The Role of Synovial Fluid in Joint Lubrication, 蛋白约0.5 g.dL-La-DPPC0.010.1g·dL. Tribology Series 30.In:Lubricats and Lubrication.Else- (2)y-球蛋白和La-DPPC作为添加剂能显 vier Science B V,1995.65 著提高透明质酸溶液的润滑性能，尤其在重载 4 Sawae Y.Effect of Synovia Constituents on Friction and Wear of Ultra-high Molecular Weight Polyethylene Slid- 荷状态时.对于PVA-H/316LSS摩擦副，透明质 ing Against Prosthetic Joint Materials.Wear,1998,216: 酸和La-DPPC是影响润滑性能的主要因素，对 213 于PVA-H/PVA-H摩擦副，透明质酸、y一球蛋白 5 Sawae Y,Murakami T.Effect of Serum Proteins on Fric- 和La-DPPC对润滑性能的影响差异不明显. tion and Wear of ProtheticJjoint Materials.In:Proceed- (3)在相同的润滑状态下，复合人工滑液对 ings of ASLATRIB,1998.828 6 Ahlroos T,Saikko V.Wear of Prosthetic Joint Materials in 摩擦副PVA-H/PVA-H的润滑性能明显优于对 Various Lubricants.Elsevier Wear,1997,211:113 PVA-H/316LSS摩擦副润滑. 7 Higaki H,Murakami T.The Lubricating Ability of Bio- (4)对于PVA-H/316LSS和PVA-H/PVA-H membrane Models with Dipalitoyl Phosphatidylcholine 两种摩擦副，试验浓度范围内，重载(16kg)时复 and yglobulin.Proc Instn Mech Engrs,1998,212H:337 合人工滑液润滑性能优于轻载(5kg)时. 8 Oka M,Ushio K.Kumar P.Development of Artificial Ar- (S)经优选出的复合人工滑液，含HA0.3 ticular Cartilage.Proc Instn Mech Engrs,1998,214H:401 9 Toshimitsu Yokobori A.Takashi Kawaharada.Mechanical gdL或0.5gdL,y-球蛋白0.5gdL,La- Test Method on the Estimation of the Lubricant Perform- DPPC磷脂0.1gdL',具有优于小牛血清（体积 ance by Hyaluronic Acid.Bio-Medical Materials and En- 分数30%)的润滑性能. gineering,1995,5(2):117 下转484页)

. 4 38 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 1年 第 弓期 在组成 PV A拭H爪V A一H 摩擦副时较 好地模拟 了 天 然 关节 的构造 , 润滑剂 因而对 它具有类似天 然 关节 中的 液膜 润 滑作 用 的可 能 性 , 即 对 于 PV A es H 用V A- H 摩擦 副可能是 液膜润 滑或液膜 润滑 占优的混合润 滑起 主要作用 . 根据 正 交实验结果 , 选择 透明质酸浓度分 别为 .0 2 , .0 3 和 0 . 5 9 · d L 一 ’ , 夕一 球蛋 白浓度 为 .0 5 ’g dL 一 ’ , L a 一 D P P C 为 0 . 1 和 .0 01 g’ dL 一 ’ , 再进行 摩擦 仪实验 , 测 定 了优选 配方 的复合人工 滑 液 的摩擦 系数 , 结果如 图 6 所示 . 由图 6 可知 , 透明质酸浓度 为 .0 3 g’ dL 一 ,和 0 . 5 9 · d L 一 ’ 润 滑剂 的润滑效果较好 . 如 .0 5 9 · d L 一 ’ 透明质酸 , .0 59 · dL 一 ` 卜球 蛋 白 , 0 . 19 · d L 一 , L a - D P PC 的人 工滑液 , 摩 擦系数约 为 0 . 1 15 , 低于小牛 血清 ( 体积分数 30 % ) 的润滑时 0 . 18 . 图 6 再次 表明 , L a - D P Pc 对 人工滑液 的润 滑性 能有非常 显著 的影 响 , 加人 0 . 1 ’g dL 一 ’ 的 L -a D PP C 的复合 人工滑液润滑时的摩擦 系数明 显低 于相应 只加 人 .0 01 ’g d L 一 ’ L a - D p p C 的复合人工滑液 . 复合 人工滑液 的润滑 机制 尚不清楚 , 有待深人研究 . 0 . 20 0 . 16 0 . 12 0 . 30 0 . 2 5 0 . 20 、 0 · 15 0 . 10 0 . 0 5 0 . 00 R 月f n ùnU : 、 0 0 . 0 0 0 . 5 .0 5 血 清 0 . 0 1 气àrJ ` , 1 … A 0 : O B : 0 C : 0 2 0 . 2 0 . 3 0 . 3 0 . 5 0 . 5 5 0 . 5 0 . 5 0 . 5 0 . 5 0 . 5 小 牛血 清 1 0 . 0 1 0 . 1 0 . 0 1 0 . 1 0 . 0 1 0 , 2 0 . 2 0 . 5 0 5 0 . 1 0 . 0 1 0 . 3 0 . 3 0 . 5 0 . 5 0 . 1 0 0 图 6 优 选 复合人 工滑液 润滑 时 的摩擦 系数 . ( a) P 劝卜州盯3 1 6 L 5 ;5 (b) P v A - H 于v 决尸H ^ 一R 剐君 . d L 一 , ; B - ,嗯 l o b u li o j g · d -L , ; C e L a - D p P C l g · d L , : 小 牛血 清的体积 分数 为 30 0/ F 啥 . 6 F r i e ti o n e oe if e i e n t l u bir e a t e w it h t卜e e o m P o u n d a d 访 c i a l s y l o v 认 , e l e c tde 3 结论 ( l) 对于 P V A- H用 V A 一 H , P V A- F叮3 16 L 5 5 两 类摩擦 副 , 复合 人工滑液 中 3 种 主要 成分 的最 佳浓度 范围分别为 : H A 为 .0 2 一0 . 5 9 · d L 一 ’ , 卜球 蛋 白约 .0 5 ’g d L 一 ` L a - D P P C 0 . 01 司 . 1 ’g dL 一 ’ . (2 ) y一 球蛋 白和 L a 一 D P P C 作 为添加剂能显 著提 高透明质酸溶液 的润滑性能 , 尤其在重 载 荷状态 时 . 对于 P VA 一柑3 1 6 L 5 5 摩擦 副 , 透 明质 酸和 L a 一 D P C 是影响润 滑性能的 主要因 素 , 对 于 P V A-] 巳甲V人尸 H 摩擦副 , 透明质酸 、 y一 球 蛋 白 和 L a 一 D P P C 对润 滑性能 的影响差异不 明显 . ( 3) 在相 同的润滑状态下 , 复合人 工滑 液对 摩 擦副 PV A e H P/ V A 一H 的润滑性能 明显优 于 对 P V A一H /3 1 6 L 5 5 摩擦副 润 滑 . (4) 对于 PV A- H/ 3 16 L 5 5 和 P V A-] 比于V A - H 两种摩擦副 , 试验浓 度范 围 内 , 重载 ( 16 kg )时复 合人工 滑液润滑性能优 于 轻载 (5 kg )时 . (5 ) 经优选 出的 复合人工 滑液 , 含 H A .0 3 ’g dL 一 `或 .0 5 g’ d L 一 ’ , 下一 球 蛋 白 .0 5 ’g d L 一 ` , L a 一 D P C 磷 脂 0 . 1 9 · d L 一 ’ , 具有优 于小 牛 血清 (体积 分 数 3 0% )的润 滑性 能 . 参 考 文 献 1 顾其 胜 , 王 文斌 , 吴 萍 . 医用透明质 酸钠在 临床 中的 应用 综述 . 中 国修复 重建 外科杂志 , 19 98 , 12 (2) : 8 2 U n s w o hrt A , D o w s o n D , Wir hg t V. S o m e N e w E v id e nc e o n H u m an J o i n t L u bir e a it o n . A n Rh e D i s , 1 9 7 5 , 3 4 : 27 7 3 I k e u e h i K . T h e R o l e o f Sy n o v i a l F l u id i n J o iin L u bir e at i o n , rT ib o l o gy S e ir e s 3 0 . I n : L u b r i c at s an d L u bir c at i o n · E l s e - v i e r S e i e n e e B V, 19 95 . 6 5 4 Saw ae .Y E fe e t o f Sy n o v i a C o sn tiut e nt s o n F r i e ti o n an d W七ar o f U latr 一 h ihg M o l e e u l ar W匕ihg t P o lyhet y l e n e s lid - i gn A g a in s t P r o s ht e ti e J o in t M a t e ir a l s . We ar, 19 98 , 2 16 : 2 1 3 5 S a w a e 丫 M u r ak am i T E fe e t o f s e n l 们以 P r o t e i n s o n F ir e · ti o n an d w 七ar o f P or th e t l e j o int M aet ir a l s . I n : P ocr e e d - i n g s o f A S护汀 RI B , 1 9 9 8 . 828 6 A h lr o o s T, S a ik o .V W七ar o f Por s th e ti e j o iin M at e ir a l s i n V七 i o u s L u bir e a n l s . E l s e v i e r W七纸 1 9 9 7 , 2 1 1 : 1 1 3 7 H ig iak H , M ur ak 刊 m i .T hT e L ub ir e at i gn A b il iyt o f B i o - m e m b anr e M o de l s w iht D IP a li t oy l Ph o s Ph at idy l e h o li n e an d 卜g l o b u li n . Por e I n s nt M e e h E n gr s , 1 99 8 , Z 12 H : 3 37 8 o ka M , U s hi o K , K um ar R D e v e l o Pm e n t o f A rt i if e i a l 户rL . t i e u lar C 别rt i l a g e . Pr o e nsI tn M e e h E n grs , 19 9 8 , Z 1 4 H : 4 0 1 9 l b s h诵ist u y b ko b o ir A . 毛止韶 h i K a w ha ar a d a . M郎h an i c a l eT s t M e ht o d o n ht e E s ti m a ti on o f ht e L u bir e a n t P e ir b r n l · anc e by yH al uor in e A c id . B i o 一 M e d i e a l M aet r i a l s an d E n · g i n e e ir n g , 1 9 9 5 , 5 ( 2 ) : 1 1 7 (下 转 4 84 页)

·484· 北京科技大学学报 2001年第5期 Stabilization of Chaos by Self-adaptive PSD State-delayed Feedback Algorithm Based on Single Neuron LI Qing",ZHENG Deling",YANG Linhao2,LU Yifang" 1)Information Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China 2)Handan Iron and steel Corporation,Handan 056000,China ABSTRACT In order to stabilize the unstable orbits of chaotic systems,a new intelligent control method, which is combined the state-delayed feedback PID algorithm with the adaptive PSD algorithm based on single neuron,is presented.When this method is used for the stabilization of chaos,the parameters of the control sys- tem is governed adaptively by way of the self-learning function of the neuron.The simulation results demon- strate that this method has many strongpoints for its wide range of application,short transition time of stabili- zation and strong anti-inference ability. KEY WORDS chaos;stabilization;self-adaptive;neuron 6a童e空理ee6a亚aa6坐ese6e6a里6as2asa6望a5ea0ste堂理理e空e (上接438页) Compound Artificial Synovia in Orthogonal Test YU Luqing",LI Jiuqing",GU Zhengqiu,ZHANG Ber 1)Applied Science School,UST Beijing.Beijing 100083,China 2)Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083.China ABSTRACT The compound artificial synovia was prepared according to the table of orthogonal test design, which three factors-Hyaluronic Acid,y-globulin and La-DPPC and five levels were considered.A pendulum type friction test made by author was used to determine the friction coefficient of two kinds of tribology slide pairs-PVA-H/PVA-H and PVA-H/316L SS lubricated by the compound artificial synovia,the appropriate properties of three factors in the compound artificial synovia selected were ascertained finally. KEY WORDS hyaluronic acid;compound artificial synovia;orthogonal test

. 48 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 00 1 年 第 5 期 S t a b i l七a ti o n o f C h a o s b y S e l f￾a d a P t iv e P S D S t a t e 一 d e l a y e d F e e d b a c k A l g o r it h m B a s e d o n S i n g l e N e u r o n LI Q ing ,) Z付五 N G D le ign l) , YA N G L ’ln ha o)z, L U 圣加 gn , l ) I n fo mr at i o n E n g in e e inr g S e h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C h ian Z )H an d an I r o n an d s te e l C o rp o 哎i o n , H an d an 0 5 6 0 0() , C h in a A B S T R A C T I n o r d e r t o s at b ili z e ht e un st a b l e o rb it s o f e h a o t i e s y s t em s , a n e w in t e ll i g e nt e o ntr o l m e ht o d , w h i e h 1 5 e o m b i n e d ht e s at t e 一 d e l a y e d fe e d b a ck IP D a lg ior t hj rn w iht ht e a d ap ti v e P S D a l g o r iht m b a s e d o n s i n g l e n e uor n , 1 5 Per s en t e d . Wh e n ht i s m het o d 1 5 us e d fo r ht e s t ab ili atZ i o n o f e h ao s , ht e Pa r aj rn et e r s o f ht e c o n tr o l sy s - t e m 1 5 g o v e m e d a d a Pit v e l y by w ay o f t h e s e l-f l e am i n g ft l n e t i o n o f ht e n e ur o n . Th e s im ul at i o n er s u lt s d e m o n - s tr at e ht a t ht i s m e ht o d h a s m an y str o n gP o int s fo r it s w id e arn g e o f aP Pli e at i o n , s h o rt tr an s it i o n t加e o f s abt ili - z at i o n an d s tr o gn a n t i 一 i n fe r e n e e a b iliyt . K E Y WO R D S e h a o s : st ab i li atZ i o n ; s e l卜a da tP i v e ; n e ur o n (上 接 4 3 8 页) C o m P 0 u n d A r t i if e i a l S y n o v i a i n o r t h o g o n a l eT s t YU L u 叮i馆 ` , , L I iJ u q i心 , , G U hZ e ” g 甘i u , ), IZ 侧刀 G B e尸, l ) A P Pli e d S e i e n e e S e h o l , U S T B e ij i n g , B e ij in g 10 0 0 8 3 , C h i n a Z ) M at e r i a l s e i e n e e an d E n g i n e e ir 呢 S e ho l , U S T B e ij in g , B e IJ m g 10X() 8 3 . C h in a A B S T R A C T T h e e o m Po un d art iif e i a l s y n o v i a aw s Pre P are d a e c o dr i n g ot ht e atb l e o f o hrt og o anl te st d e s ign , w hi e h t hr e e fa e ot r s一 H y a l uor n i e A e id , y 一 g l o b u li n an d L a 一 D P P C an d if v e l e v e l s w e r e e o sn ide r e d . A P e n d u l nUI 妙p e 伍e t i o n t e s t m a d e 勿 a u ht o r w a s u s e d t o d e t e mr in e ht e if e t i o n e o e if e i e nt o f wt o ik n d s o f itr b o l o gy s lid e P a i r s一PVA 一 H P/ VA 一 H an d p VA 一 H 3/ 1 6 L 5 5 l u b ir e at e d b y ht e e o 哪 o un d art iif e i a l s y n o v i a , ht e a p p r o p n aet P r o P ert i e s o f htr e e fa e t or s i n ht e e o In Po un d art iif e i al s y n o v i a s e l e e t e d w e r e a s e e rt a in e d if n a 1ly . K E Y W O R D S hy a lur o in e a c id: e o m P o u n d art iif e i a l s y n o v i a ; o hrt o g on a l t e s t