聚乙烯醇水凝胶与人关节软骨摩擦特性比较

D0I:10.13374/i.issn1001053x.2004.02.011 第26卷第2期 北京科技大学学报 VoL.26 No.2 2004年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2004 聚乙烯醇水凝胶与人关节软骨摩擦特性比较 李永”高瑾”刘国权”顾正秋” 马远征)薛海滨) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)解放军309医院骨科，北京100091 摘要利用自行研制的振子式摩擦仪测定了聚乙烯醇水凝胶自摩擦副、人关节软骨/聚乙 烯醇水凝胶摩擦副的摩擦因数，并根据其Stribeck曲线对其摩擦润滑机理进行初步探讨，实 验结果表明，在透明质酸润滑条件下，聚乙烯醇水凝胶与人关节软骨具有相似的摩擦学特性， 且聚乙烯醇水凝胶自摩擦副的摩擦因数略小于聚乙烯醇水凝胶/人软骨的摩擦因数，由其S beck曲线初步判定其润滑机制为液膜润滑. 关键词聚乙烯醇水凝胶：液膜润滑；人关节软骨 分类号0632.21 随着医学发展，人工关节置换已经成为当今 （型号为179，聚合度1750±50，醇解度99.9%，北 治疗关节疾病的一种有效方法.早期的人工关节 京化工二厂提供)经反复冷冻一解冻法制得，试 材料大多是弹性模量高、大硬度的金属和非金属 样为φ5mm×l0mm的圆柱体. 材料，而这些材料的力学性能如弹性模量与人关 人软骨由解放军309医院提供，从无病变股 节相差甚远，由此引起的假体磨损与松动导致人 骨头外层剥离.将其切成直径5mm的圆片，然后 工关节过早的失效四，近年来，国内外竞相开发一 用502胶将其与5mm×10mm塑料圆柱体粘紧， 种与天然关节相近的软质材料，试图将现有的硬 实验选用聚乙烯醇水凝胶与人软骨材料，来 质人工关节改进为软垫支撑的新型人工关节.拟 构成聚乙烯醇水凝胶/人软骨、聚乙烯醇水凝胶/ 采用的软质材料包括硅橡胶、聚氨脂、聚乙烯醇 聚乙烯醇水凝胶两种摩擦副. 水凝胶等，由于硅橡胶容易吸收体液中胆固醇、 实验所用润滑剂为1.0g/L的透明质酸溶 油脂等油性物质而发生老化，而聚氨脂在体内环 液，使用生理盐水做溶剂.透明质酸(Hyluronic 境下易发生降解，这两种材料作为软垫支撑材料 Acid,HA)是动物和人工关节液的主要成分m,它 必然受到限制.聚乙烯醇水凝胶(PVA-H)具有 具有良好润滑性能、生物相容性和流变性质，被 类似天然软骨的多孔组织，含有大量水分，在载 广泛应用于关节疾病的治疗和人工关节的润滑. 荷作用下，液体可以渗入和挤出，而挤出的液体 1.2实验方法 可以被卷吸用作润滑剂.另外PVA水凝胶的高含 利用自行研制的振子式摩擦仪，测定聚乙烯 水性与及其特殊的表面结构与天然软骨组织非 醇水凝胶自摩擦副以及聚乙烯醇水凝胶/人软骨 常相似，且具有良好的生物相容性，因而是一种 摩擦副之间的摩擦因数. 比较有前途的人工软骨材料回.本实验将聚乙烯 根据振子摆幅衰减原理，单摆在自由摆动时 醇水凝胶与人关节软骨摩擦性能进行对比研究， 如不受任何阻力，其振幅将大小恒定，忽略空气 为其植入人体提供实验依据， 阻力，则振子支点与摆轴之间的摩擦阻力成为振 子振幅衰减的主要原因.实验证明，在一定载荷 1实验 下，当振幅小于0.lrad时，振子衰减曲线大致重 1.1实验材料 合，且与初始摆副无关.摩擦因数由式(1)求得： 聚乙烯醇水凝胶(PVA-H)是利用聚乙烯醇 μ=L(0.-1-0)/4R,0≤159 (1) 收稿日期200306-10李永男，35岁，硕士研究生 式中，“为摩擦因数，L为振子式摩擦仪摆长，R为 +北京市自然科学基金资助项目(No.2022014) 摆轴半径，0。-，0.分别为测得的第n-1次与n次的

第 2 6 卷 第 2 期 2 0 0 4 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l 0 f U n iv e r s iyt 0 f S c el n c e a n d eT c h n 0 l 0 yg B e ij in g Vb L26 N 0 . 2 A p r. 2 0 4 聚乙 烯醇水凝胶与人关节软骨摩擦特性 比较 李 永 ` ’ 高 瑾 ” 刘 国权 ” 顾 正 秋 ” 马 远征 2 , 薛海滨 ” 1 ) 北京 科技 大学材料 科学 与工程 学院 , 北京 10 0 08 3 2 ) 解放 军 30 9 医院骨 科 , 北京 1 00 0 9 摘 要 利用 自行 研制 的振 子式摩 擦仪 测定 了聚 乙烯 醇水 凝胶 自摩 擦副 、 人 关 节软骨 /聚 乙 烯 醇水凝 胶摩 擦副 的摩擦 因数 , 并根据 其 Sitr bec k 曲线对其 摩擦 润滑 机理进 行初 步探讨 . 实 验 结果表 明 , 在 透 明质 酸润滑条件 下 , 聚 乙 烯醇水凝 胶与 人关节软骨 具有相似 的摩擦 学特性 , 且聚 乙 烯醉水 凝胶 自摩 擦副 的摩 擦因数 略小于聚 乙 烯醇水凝 胶 /人软 骨的摩擦 因数 , 由其 Sitr · bce k 曲线 初步 判定其 润滑机 制 为液膜 润滑 . 关 键词 聚 乙 烯 醇水 凝胶 ; 液膜润 滑 ; 人关 节软 骨 分 类号 0 63 2 . 2 1 随着 医 学发 展 , 人工 关节 置换 已经 成 为当今 治疗 关节疾 病 的一种有 效方 法 . 早期 的人 工关节 材 料大 多是 弹性模 量高 、 大 硬度 的金属 和 非金属 材 料 , 而这些 材料 的 力学性 能如 弹性模 量 与人关 节相 差甚 远 , 由此 引起 的假 体磨损 与松 动 导致人 工 关节过 早 的失效`1] . 近 年来 , 国 内外竞 相 开发一 种 与天然 关 节相近 的软质 材料 , 试 图将 现有 的硬 质人 工关 节 改进为 软垫 支撑 的新型 人工 关节 . 拟 采用 的软质 材料 包 括硅橡胶 、 聚氨 脂 、 聚 乙烯 醇 水凝 胶 等 . 由于硅橡 胶 容 易吸 收体 液中胆 固醇 、 油脂 等油 性物质 而 发生老 化 , 而聚氨 脂 在体 内环 境下 易发生 降解 , 这 两种材 料 作为软 垫支 撑材 料 必 然 受 到限 制 . 聚 乙 烯 醇水 凝胶 ( PV A 一 H ) 具 有 类似 天然 软骨 的 多孔 组织 , 含有 大量 水 分 , 在 载 荷作 用下 , 液体 可 以渗入 和挤 出 , 而挤 出的液 体 可 以被 卷吸 用作 润滑 剂 . 另外 PV A 水凝 胶 的高含 水性 与及 其 特 殊 的表 面 结构 与 天 然 软骨 组 织 非 常相 似 , 且具 有 良好 的生 物相 容 性 , 因 而是 一种 比 较有 前途 的人工 软骨 材料 `21 . 本 实验 将聚 乙烯 醇水凝胶 与人 关节 软骨摩 擦 性能进 行对 比研 究 , 为其植 入人 体提 供 实验 依据 . 1 实验 L l 实验材 料 聚 乙烯 醇 水凝 胶 ( PV A 一 H ) 是 利 用聚 乙烯 醇 收稿 日期 2 0 03 刁卜1D 李永 男 , 35 岁 , 硕 士研究 生 * 北京市 自然科 学基金 资助项 目 ( N o . 2 02 201 4) ( 型 号 为 17 9 9 , 聚 合度 17 5肚5 0 , 醇解 度 99 . 9% , 北 京化 工二 厂提 供 ) 经 反 复冷 冻 一 解冻 法 制得 , 试 样 为杯 ~ “ 10 m m 的 圆柱 体 . 人软 骨 由解 放 军 3 09 医 院提 供 , 从 无病 变股 骨 头外 层剥 离 . 将其 切 成直 径 s r n幻。 的 圆片 , 然 后 用 50 2 胶将 其与 杯 ~ ` 10 ~ 塑 料 圆柱体 粘紧 . 实验 选用 聚 乙烯 醇水凝 胶与 人 软骨材料 , 来 构 成聚 乙烯 醇 水凝 胶 /人 软骨 、 聚 乙烯 醇 水凝胶 / 聚 乙 烯 醇水 凝胶两 种摩 擦 副 . 实验 所 用 润 滑 剂 为 1 . 0 留d L 的透 明质 酸 溶 液 , 使用 生理 盐水 做 溶剂 . 透 明质酸 ( yH lur o in c A ic d , H A ) 是动 物 和人 工关 节 液 的主要 成 分口, , 它 具有 良好 润 滑性 能 、 生物相 容 性和 流变 性质 , 被 广泛应 用 于关节 疾病 的 治疗 和人 工 关节 的润 滑 . 1.2 实验 方 法 利 用 自行研 制 的振子 式摩 擦 仪 , 测 定聚 乙烯 醇水 凝胶 自摩 擦 副 以及聚 乙烯 醇水 凝胶 /人 软 骨 摩 擦 副之 间 的摩擦 因数 . 根据 振 子摆 幅衰 减原 理 , 单摆 在 自由摆 动 时 如 不 受任 何 阻力 , 其 振幅 将 大小 恒定 , 忽略 空气 阻力 , 则振 子支 点与摆 轴之 间 的摩擦阻力成 为振 子振 幅衰 减 的主要 原 因 . 实 验证 明 , 在 一定 载荷 下 , 当振幅 小 于 0 . l r a d 时 , 振 子 衰减 曲线 大 致重 合 , 且与初 始 摆 副无 关 . 摩擦 因数 由式 ( l) 求得 : 产 = L (氏 一 1一 氏)/4R , 8 ` 15 9 ( l ) 式 中 , 产 为摩擦 因数 , L 为振 子式 摩擦 仪摆 长 , R 为 摆轴 半 径 , 氏 一 1 , 氏分 别 为测 得的第 n 一 1次与 n 次 的 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2004. 02. 011

VoL.26 No.2 李永等：聚乙烯醇水凝胶与人关节软骨摩擦特性比较 ·157· 摆动偏角 构，弹性模量较低，约为2~15MPa 摆轴选用人工关节用316L不锈钢，其表面粗 在聚乙烯醇水凝胶网络的孔径与含水率有 糙度R,的值为0.1m,摆轴中22mm,摆长选定为 关，含水率越高，孔径越小：含水率越低，孔径越 660mm,则振子的摆动周期为T=2π(L/g)2≈1.63 大：含水率75%的聚乙烯醇水凝胶经真空干燥喷 $,约等于通常步行时人的膝关节屈伸周期(g为 金处理的电镜照片如图2所示，其孔径大小约为 重力常数)，本实验所采用两类摩擦副，PVA-H 45μm. PVA-H,PVA-HI人软骨，所加载荷分别是SO,6O, 100,110,150N(平均接触压强分别为196,247， 451,502,757kPa). 实验前，用无水乙醇将软垫材料与摆轴擦 净，然后将圆柱形试样放入振子式摩擦仪的孔槽 中，用螺旋弹簧使试样与摆轴表面压紧，弹簧加 于试样上的力恒定为11.4N.通过加液孔加入润 滑剂，并使得润滑剂润滑对磨表面， 对上述两类摩擦副在不同载荷下，以透明质 图2聚乙烯醇水凝胶在干燥状态下电镜照片 酸钠为润滑剂研究摩擦仪偏角()的衰减情况. Fig.2 SEM photograph of PVA hydrogel in dry state 2结果与讨论 人关节软骨是由软骨细胞和细胞间质组成， 2.1人工软骨与人软骨摩擦因数比较 软骨细胞埋于细胞间质的小腔中，它具有特殊的 在透明质酸钠作润滑剂时，聚乙烯醇水凝胶 高弹、多孔和光滑的特性，完全饱和的软骨含有 自摩擦副与聚乙烯醇水凝胶/人软骨摩擦副在不 70%~80%的液体，弹性模量为10~20MPa四. 聚乙烯醇水凝胶与人关节软骨这种结构的 同载荷下的摩擦因数如图1所示.随着载荷增 相似性，使其摩擦因数具有相似性，由于两者都 加，两摩擦副的摩擦因数都减小，且聚乙烯醇水 凝胶自摩擦副的摩擦因数略小于聚乙烯醇水凝 多孔与富含水性，因而也都具有可渗透性，使得 胶/人软骨的摩擦因数，这主要是由聚乙烯醇水 它们在受到载荷时水分可以渗入和挤出.挤出的 凝胶与人关节软骨内在结构的相似性所决定的， 水分可被卷吸起到润滑作用，减少摩擦、磨损，并 聚乙烯醇水凝胶是一种通过聚乙烯醇大分 起到缓冲的作用，另外，两摩擦副在载荷作用下 子上的羟基通过氢键结合的三维网络结构，由于 相互摩擦时产生挤压作用，滑液与水分就会流出 羟基是亲水性基团，这也使聚乙烯醇水凝胶具有 承载区，流入低载区.由于压力梯度使水分渗透 良好的吸水性，含水率70%~80%，具有微孔结 到软骨内部，而大分子的透明质酸不能通过人关 节软骨与聚乙烯醇，便滞留在缝隙内部，使滑液 0.05 04827.0,048 成分变稠，更有效起到了润滑的作用向. ☐PVA-HPVA-H摩擦副 ■PVA-H/人软骨摩擦副 在本实验中，聚乙烯醇水凝胶自摩擦副的摩 0.04 Q.039g0409 擦因数略低于聚乙烯醇水凝胶/人关节软骨的摩 0.001320032 00.03 擦因数，这是因为聚乙烯醇水凝胶的多孔网络结 构，更有利于润滑剂的渗入和挤出，在摩擦时能 0.02 更好地起到润滑作用，此外，聚乙烯醇水凝胶自 0.01 摩擦副之间弹性模量与孔径都比较接近，在润滑 剂的作用下，两者能够更好的配合， 50 100 110 160 2,2润滑机理的初步探讨 载荷N Stribeck根据对滑动轴承与滚动轴承的实验 图1两摩擦副靡擦因数的比较 结果提出了著名的Stribeck曲线，即根据摩擦因 Fig.1 Comparison of friction factor between two lubri- 数随nUP(Sommerfeld参数，n是润滑剂粘度，U为 cated sliding pairs 滑动速度，P是线载荷)的变化规律可有效判别工

6 N V b l 2 . o . 李 永等 2 : 聚 乙 烯醉 水凝 胶与人 关节 软骨 摩擦 特 性 比较 一 5 7 1 摆 动偏 角 , 摆轴 选用 人 工关 节用 3 16 L 不 锈钢 , 其 表 面粗 糙度 R . 的值 为 0 . 1 阿 , 摆 轴 中2 r n r n , 摆 长 选 定 为 “ o r o r 。 , 则 振 子 的摆 动 周期 为 T = 2 二 (L 切流 二 1 . 63 s , 约 等 于 通常 步 行 时人 的膝 关节 屈 伸 周期 g( 为 重力 常 数 ) . 本 实验 所采 用 两 类 摩擦 副 , PVA - 牙 P V A , H , PV A -I 刃 人 软骨 , 所 加 载荷分 别 是 50 , 60 , 10 0 , 1 10 , 1 5 0 N ( 平 均接 触压 强 分 别 为 19 6 , 2 4 7 , 4 5 1 , 5 0 2 , 7 5 7廿a ) . 实验 前 , 用 无 水 乙 醇 将 软 垫 材 料 与 摆 轴 擦 净 , 然后 将 圆柱 形试 样放 入 振 子式 摩擦 仪 的孔 槽 中 , 用 螺旋 弹簧使试 样与摆轴 表 面 压 紧 , 弹 簧加 于试 样 上 的力 恒 定 为 n . 4 N . 通 过 加 液 孔加 入 润 滑 剂 , 并使 得 润 滑剂 润 滑 对 磨表 面 . 对 上述 两 类摩擦 副 在 不 同载 荷下 , 以透 明质 酸 钠 为润 滑 剂 研究摩 擦 仪 偏 角 ( 0) 的 衰减 情 况 . 构 , 弹性 模量 较 低 , 约 为 2一 巧 M p a ls] . 在 聚 乙 烯 醇 水 凝 胶 网 络 的 孔 径 与 含 水 率 有 关 . 含 水 率越 高 , 孔 径越 小 ; 含水率 越 低 , 孔 径 越 大 ; 含水率 75 % 的聚 乙 烯醇水 凝胶 经真 空干 燥 喷 金 处理 的 电镜 照 片如 图 2 所 示 , 其 孔 径 大小 约 为 小 5 图 2 聚 乙 烯醉水 凝胶 在 干燥 状态 下 电镜 照片 F i g · 2 SE M P h o t o g r a P h o f P、 凭 h y d or ge l 恤 d叮 s 怕 et 2 结果 与讨 论 .2 1 人 工软 骨 与人软骨 摩 擦因数 比较 在 透 明质 酸钠 作 润 滑剂 时 , 聚 乙 烯 醇水 凝胶 自摩 擦 副 与 聚 乙 烯 醇 水凝 胶 /人 软 骨 摩擦 副 在不 同载 荷下 的摩 擦 因数 如 图 1 所 示 . 随着 载荷 增 加 , 两摩 擦 副 的 摩擦 因数 都减 小 , 且 聚 乙 烯醇水 凝 胶 自摩 擦 副 的摩 擦 因数 略 小 于 聚 乙烯 醇水 凝 胶 /人软 骨 的摩 擦 因 数 . 这主 要 是 由聚 乙 烯醇水 凝胶 与 人 关节 软骨 内在结 构 的相 似性 所 决定 的 . 聚 乙 烯 醇 水 凝 胶 是 一 种 通 过 聚 乙 烯醇 大 分 子上 的轻基 通 过氢 键 结合 的三 维 网络 结构 , 由于 轻基 是 亲水 性基 团 , 这 也 使聚 乙烯醇 水凝 胶 具有 良好 的吸 水 性 , 含水率 70 % 一 80 % , 具 有 微孔 结 载 荷加 图 1 两摩擦 副率擦 因数 的 比较 F i.g l C o m P a isr o n o f ifr e it o n fa e ot r b e 七斤e e n wt o l u b r i- e a et d s ild in g p a 如 人 关节 软 骨是 由软骨 细 胞和 细 胞 间质 组成 , 软骨 细 胞埋 于 细胞 间质 的 小腔 中 , 它 具有 特殊 的 高 弹 、 多孔 和 光滑 的特 性 , 完全 饱和 的软 骨含 有 7 0% 一 80% 的液 体 , 弹性 模量 为 1 0 一 20 M P a l] . 聚 乙 烯 醇 水 凝 胶与 人 关 节 软 骨 这 种 结 构 的 相似 性 , 使 其摩 擦 因数 具有 相似 性 . 由于 两者 都 多孔 与 富含 水性 , 因而 也都 具有 可 渗 透 性 , 使 得 它们 在 受到 载 荷时水 分可 以渗入 和挤 出 . 挤 出 的 水分 可 被卷 吸起 到润 滑 作用 , 减 少摩 擦 、 磨 损 , 并 起 到缓 冲 的 作用 . 另 外 , 两 摩 擦 副在 载 荷 作用 下 相互 摩擦 时 产 生挤 压作 用 , 滑 液 与水 分就 会流 出 承载 区 , 流 入 低载 区 . 由于 压 力梯 度 使 水分 渗 透 到软 骨 内部 , 而 大 分子 的透 明质酸 不 能通过人 关 节 软骨 与 聚 乙 烯醇 , 便滞 留在 缝 隙 内部 , 使滑 液 成分 变 稠 , 更 有 效起 到 了润滑 的作 用 `6] . 在 本实验 中 , 聚 乙 烯 醇水 凝 胶 自摩 擦 副 的摩 擦 因数 略低 于 聚 乙 烯 醇 水凝 胶 /人 关 节 软骨 的摩 擦 因数 , 这 是 因为 聚 乙烯 醇水凝 胶 的 多孔 网络 结 构 , 更 有 利 于润 滑 剂 的渗 入 和挤 出 , 在 摩擦 时能 更好 地起 到润 滑 作用 . 此 外 , 聚 乙 烯 醇 水凝 胶 自 摩擦副之 间 弹性 模量 与 孔径 都 比较 接近 , 在润 滑 剂 的作用 下 , 两 者 能够 更 好 的 配合 . .2 2 润滑 机 理 的初 步探 讨 S饭be ck 根 据 对 滑动 轴 承 与滚 动 轴 承 的实验 结果 提出 了著 名 的 S itr be ck 曲线 , 即根据 摩 擦 因 数 随叮以中(S o r n们。 e到全l d 参 数 , 叮是 润 滑 剂粘度 , U 为 滑 动速 度 , 尸是线 载荷 )的变化 规 律可有 效判 别 工 戴因缭锻

·158- 北京科技大学学报 2004年第2期 程表面的润滑状态m, 醇水凝胶自摩擦副的摩擦因数略小于聚乙烯醇 在利用振子式摩擦仪测定摩擦因数过程中， 水凝胶/人关节软骨的摩擦因数，这主要是由聚 由于其振幅在0.】rad内，可近似认为滑液的粘度 乙烯醇水凝胶具有与人软骨相似的多孔、高含水 n和摩擦副相对滑动速度U是不变的，其乘积nU 率、可渗透等性质决定的 恒定，因而Sommerfeld参数是p的函数. (2)由Stribeck曲线可初步判定，在低载荷下， 本实验两摩擦副在透明质酸钠润滑条件下 聚乙烯醇水凝胶/聚乙烯醇水凝胶、聚乙烯醇水 的Stribeck曲线如图3所示.两摩擦副随载荷变 凝胶/人关节软骨的润滑机理都是流体动压润 0.050 滑，即液膜润滑. 0.046聚乙烯醇水凝胶人关节软骨 参考文献 0.042 1 Dowson D.Bio-tribology of natural and replacement syn- 墅0.038 ovial joints [A].Biomechanics of Diarthroial Joints [C]. 聚乙烯醇水凝胶/聚乙烯醇水凝胶 New York Springer Verlag,1990.305 0.034 2顾正秋，肖久梅，张湘虹.人工软骨材料一聚乙烯醇 0.030 水凝胶的研制[)生物医学工程杂志，1999,16(1)： 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 13 Sommerfeld参数/10s 3李久青，顾正秋，肖久梅，等，透明质酸对人工关节 图3两摩撩副的Stribeck曲线 材料的润滑作用)北京科技大学学报，2000,22 Fig.3 The Stribeck curves of two lubricated sliding pairs (4):343 4 Toshitsu Yokobori,Takashi Kawaharada,Shigeru Sasaki. 化的趋势相似，摩擦因数随Sommerfeld参数的增 Mechanical test method on the estimation of the lubricant 大而增大.根据经典Stribeck曲线，润滑机制应为 performance by hyaluronic acid [J].Biomed Mater Eng, 1995,5(2):117 流体液膜润滑，施加于表面的载荷由摩擦副的相 5 Bray J C.Poly (vinyl alcohol)hydrogel for synthetic arti. 对运动或挤压效应形成的流体润滑膜承担. cular cartilage material[].Biomed Mater RES,7:431 6王丽，高谨，李久青.聚乙烯醇水凝胶人工关节软骨 3结论 润滑体系研究).云南大学学报，2002,24(1A):307 7 Hutchings I M.Tribology:Friction and Wear of Engineer- (1)在透明质酸润滑条件下，聚乙烯醇水凝胶 ing Materials [M].London:Edward Arold,1992.65 与人关节软骨具有相似的摩擦学特性，且聚乙烯 Comparison and Analysis on Frictional Characteristics of Poly (Vinyl Alcohol) Hydrogel and Human Articular Cartilage LI Yong",GAO Jin",LIU Guoquan',GU Zhengqiu,MA Yuanzheng,XUE Haibin 1)Materials Science and Engineering School,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Department of Orthopedics,the 309th Hospital of PLA,Beijing 100091,China ABSTRACT An oscillator-type tribometer was used to determine the friction factor of lubricated sliding pairs made of poly(vinyl alcohol)hydrogel/poly(vinyl alcohol)hydrogel and human articular cartilage/poly(vinyl al- cohol)hydrogel respectively,and the research of the lubricating mechanism was carried out according to their Stri- beck curves.The experimental results show that when the hyaluronic acid(HA)is used as an artifical synovial fluid, poly(vinyl alcohol)has similar frictional characteristics with human articular cartilage and the friction factor of poly (vinyl alcohol)hydrogel/poly(vinyl alcohol)hydrogel is smaller than that of human articular cartilage/poly(vinyl alcohol)hydrogel.According their Stribeck curves it is concluded that their lubricating mechanisms are both liquid film lubricate. KEY WORDS poly(vinyl alcohol)hydrogel;liquid film lubricate;human articular cartilage

北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 4 年 第 2 期 程 表面 的润滑 状 态m . 在利用 振子 式摩 擦仪 测 定摩 擦 因数 过程 中 , 由于其 振 幅在 o . l r a d 内 , 可 近 似 认为 滑液 的粘度 叮和摩 擦 副相 对滑 动 速度 U 是 不变 的 , 其 乘 积粉U 恒 定 , 因而 S 。 ~ e fer dl 参 数 是 p 的函 数 . 本 实验 两 摩 擦 副 在 透 明质 酸钠 润 滑 条件 下 的 s itr b ce k 曲线 如 图 3 所 示 . 两摩 擦 副 随载 荷 变 0 . 0 50 尸一- - - - - - - - 一一 一 一- 一- , 醇 水 凝胶 自摩 擦副 的摩 擦 因数略 小于 聚 乙 烯醇 水凝 胶 /人 关 节 软骨 的摩 擦 因数 , 这 主 要是 由聚 乙烯 醇水 凝胶具 有与 人软骨 相 似的多孔 、 高含水 率 、 可渗 透等 性质 决定 的 . (2 ) 由 S itr b e c k 曲线可 初 步判 定 , 在 低载 荷 下 , 聚 乙 烯 醇水 凝胶 /聚 乙 烯醇 水凝胶 、 聚 乙 烯醇水 凝 胶 /人 关 节 软 骨 的润 滑 机 理 都 是 流 体 动 压 润 滑 , 即液膜 润 滑 . 04 ` { 聚乙烯醇水凝` 塑笋 04 2 t 。 / 少穿 参 考 文 献 0 . 0 38 z \ 聚乙烯醇水凝胶僳乙烯醉水凝胶 徽撅因雏 0 . 0 3 0 ` es es e ` 一 - - 上 - - - - L - - - J - 一一一人一- - - L - - - J es es es 曰` 一一 J 0 . 1 0 . 2 0 . 3 0 . 4 0 . 5 S o m r n e r fe ld 参数 / 1 0 一 , 图 3 两摩擦 副 的 S itr b ec k 曲线 R g . 3 T h e St ir b e e k c u vr es o f wt o l u b ir e a et d s lid 恤 9 P a ir s 化 的趋势相 似 , 摩 擦 因数 随 S O m r o e fer ld 参 数 的增 大而 增 大 . 根据 经 典 Sitr b e k 曲线 , 润 滑机 制 应 为 流 体 液膜润 滑 , 施 加于 表面 的载 荷 由摩擦 副 的相 对 运 动或 挤压 效 应 形成 的流体润 滑膜 承 担 . 3 结 论 ( l) 在 透 明质 酸 润滑 条件 下 , 聚 乙 烯醇水 凝胶 与人 关节软 骨具 有相 似 的摩 擦 学特性 , 且 聚 乙烯 D o w s o n D . B i o 一b o l o gy o f n at ur a l an d erP I留em e nt s yn - o v i al j o i n t s [A ] . B i o m e e han i c s o f D i art hr o lia J o in st [C ] . N e w oY kr : SP r ign er Ve lr ag , 19 9 0 . 3 05 顾 正秋 , 肖久 梅 , 张湘 虹 . 人工 软骨材料一聚 乙 烯醇 水凝 胶 的研 制 闭 . 生物 医 学工程 杂志 , 19 9 , 16 ( 1) : l 3 李 久青 , 顾正 秋 , 肖久梅 , 等 . 透 明质酸对 人 工关节 材料 的润滑 作 用 [J] 北京科 技 大学 学报 , 2 00 , 2 ( 4 ) : 3 4 3 oT s ih t s u oY ko b o ir , 几灿s ih K a w al ar a d a, Sih g e ur Sas iak . M e e h an i e a l et s t m e ht o d o n ht e e s t im at i o n o f ht e lub ir e a n t P e r fo n n an e e by hy a lur o in c 即i d [ J ] . B i o m e d M at e r E n g , 19 9 5 , 5 ( 2 ) : 1 17 B ayr J C . P o ly ( v in y l a l e ho o l ) hy dr o ge l fo r s yhnt e ti c 别rt i - c ul ar e art il a g e m aet ir ia [ J ] . B i o m e d M at er R E S , 7 : 43 1 王 丽 , 高谨 , 李 久青 . 聚 乙 烯 醇水 凝胶人工 关节 软骨 润滑 体系研 究 闭 . 云南 大 学学报 , 20 02 , 24( IA ) : 3 07 H u t c 肠g s I M . rT ibo fo gy : Fir ict on 的d w ` ar of E n g i n e er - i n g Mat e r i a l s 【M」 . L o n d o n : E dw ar d A m o ld , 19 92 . 65 C o m P ar i s o n an d A n a ly s i s o n F ir e t i o n a l C h ar a c t e ir s t i c s o f P o ly (iV ny l A l e o h o l ) H y d r o g e l an d H um an A rt i c u l ar C art il a g e LI oY丫 , GA 口 inJ !) J LI U G uo qu an )J , G U hZ e n g甘iu 刀, 弃艺咬 uY a nz h e丫 , 方又扭 aH ib in 刀 l ) M at ier al s S e le n c e an d E ng ine e n n g S c h o o L U n i v esr iyt o f s e i enc e an d 介 e hn o l o gy B e ij m g , B iej ing l 0 0 0 8 3 , C h in a 2 ) D eP a rt m 以 o f o hrt o pe d i e s , ht e 3 0 h9t H o SP iatl o f LP A , B e ij ign l 0 0 0 9 1 , C h i n a A B S T R A C T nA o s e i ll aot 卜t y P e itr b om e te r aws us e d t o d et e rm ine hte 伍ict o n af c t or o f lub ir e ate d s l d ign Piar s m a de o f P o ly v( iny l a l e oh o l) 场d r o g e l / Po ly V( iny l al c oh o l) 妙由。 g e l an d h 切吐 an 别rt i cul ar e art llag eP/ Oly ( v iny l al - c o h o l) hy dr o ge l r e sP e e it v e ls, an d het er s e ar c h o f ht e lub ir c at in g m e e h an i s m aws e别比 i e d Out ac e o r d ign t o het 仕 Sitr - b e e k e vur e s . hT e e x P e ir m e in al er s u it s s ho w ht at hw en 俪 hy al oulnr e ac i d ( H A ) i s us e d as an 斌 iif e al s y n vio a l fl u i氏 p o ly v( iyn l al c o h o l) h as s而 il ar 示 ict o aln hc ar a c t ier ist cs w iht h um an ’axt i cul ar c a rt ilag e an d ht e 示 ict on acf ofr o f p o ly ( v iyn l a l e o ho l)妙由。 g e l / P o ly ( v iyn l al e ho o l )妙 dr o g e l 1 5 mr a ll e r ht an th a t o f h u m an art i c u l ar e侧 rt i lag e / Po ly ( v iyn l al e o ho l) hy d r o g e l . A e e o r d in g ht e ir Sitr b e e k e vur e s it 1 5 e o n e ldu e d t h a t ht e ir l u bir e at in g m e e h aJ五 sm s aer b o ht li q u i d if lm lub ir e at e . K E Y W O R D S P o l y v( iyn l a l c ho o l) hy dor g e l: li q iu d if ln lub ir c at e ; h切 m an 顽 e ul ar c翻 lag e