人工软骨材料摩擦学特性

D0I:10.13374/i.issn1001-053x.1999.01.011 第21期第1期 北京科技大学学报 Vol.21 No.1 1999年2月 Journal of University of Science and Technlogy Beijing Feb.1999 人工软骨材料摩擦学特性 顾正秋张湘虹肖久梅 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要为了改善自行人工关节的润滑性能，需采用全新的结构设计，研制具有良好润滑性能的 低弹性模量材料，用自行研制的振子式磨擦仪观测了生物相容性较好的3种聚合物材料，即硅橡 胶.聚氨酯、聚乙烯醇水凝胶(PVA-H)的摩擦因数和润滑制度.试验结果表明：有润滑时，硅橡胶和 聚氨酯分别与316L不锈钢组成的摩擦副，其润滑制度是边界润滑，而聚乙烯醇水凝胶(PVAH) 316L不锈钢摩擦副的润滑制度为混合润滑， 关键词人工软骨材料；摩擦因数；润滑制度 分类号0632.21 随着假体科学与技术的发展，已有越来越多 振幅.测试硅橡胶、聚氨酯、PVA-H在载荷分别为 的关节病患者植人人工关节.现今在选用人工关 5,6,10,11,15,16kg处于千摩擦，0.9%NaC1溶 节材料时往往只重视材料的抗磨能力，因而多采 液，人工滑液(sodium hyaluronate,缩写为SH)和 用高弹性模量、大硬度的金属和非金属材料，而 人关节滑液(synovial fluid,缩写为SF)润滑条件 这些材料的力学性质，特别是弹性模量与人关节 下，摩擦仪偏角振幅（Θ）衰减的情况.上述3种润 的相差甚远！为了改善人工关节的润滑性能， 滑剂的动力粘度分别为0.003,13.5和1.23Pa·s. 模仿人关节结构，我们拟采用力学性能类似于人 人关节滑液(SF)是一种淡黄色的血浆析液，含有 关节软骨的聚合材料（高弹体）作为人工软骨，利 蛋白和透明质酸盐6.而人工滑液(SH)的透明质 用自行研制的振子式摩擦仪测定了3种生物相容 酸钠含量为42%~56%，蛋白质含量<10，pH值 性良好的低弹性模量聚合物材料，即硅橡胶、聚 7.2 氨酯和聚乙烯醇水凝胶(PVA-H)的摩擦因数和 Φ5 加液孔滑动表面 润滑性能， 1试验材料与方法 n- 200 试验所使用的材料是北京市亚南橡胶密封 22 厂生产的硅橡胶，聚氨酯和自行研制的聚乙烯醇 水凝胶（缩写为pVA-H).试样为直径5mm,长 试样 10mm的圆柱体. 试验在振子式摩擦仪（如图1）上进行3-1.试 图1振子式摩擦仪结构示意图 验前用砂纸打磨试样表面(PVA-H除外)，再用无 以硅橡胶为试验材料，在振子下方挂5kg 水乙醇擦净，置于干燥器中干燥48h,用无水乙 重锤作为载荷（平均接触压强为1.96×10Pa) 醇擦净与试样对磨的振子式摩擦仪摆轴.然后将 时，进行了3次试验，试验结果如图2所示. 圆柱形试样放入振子式摩擦仪的孔槽中，用螺旋 由图2可见，在摆动次数超过5次以后各测 弹簧使试样与摆轴表面压紧，弹簧施于试样上的 点都落在同一条曲线上.当载荷分别为5,6,10， 力恒定为1.14kg;通过加液孔加人润滑剂，并使 11,15,16kg时（平均接触压强分别为1.96×10， 得润滑剂浸润对磨表面.综合考虑目测的可能性 2.47×10,4.51×103,5.02×10,7.06×10, 及准确测量摩擦因数的要求，选择0.26rad为初始 7.57×103Pa),聚氨酯、PVA-H等试样都有相似 1998-01-21收稿顾正秋男，59岁，教授 的规律， ◆国家自然科学基金资助课题0N0.59775038)

第2 1期 1 9 9 9 年 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n iv e sr iyt o f S e l e n e e a n d T e e h n lo gy B e ij in g V 0 L2 1 F e b - N O . l 199 9 人工软骨材料摩擦学特性 顾 正秋 张湘 虹 肖久梅 北京科技大学材料科学 与工程学院 , 北京 10 0 83 摘 要 为了改 善 自行人 工关节 的润 滑性能 , 需 采用全新 的结构设计 , 研制具有 良好润滑性能 的 低 弹性模量 材料 . 用 自行研 制的振子 式磨擦仪观测 了 生物相容性 较好的 3 种聚合物材料 , 即硅橡 胶 、 聚氨醋 、 聚 乙烯 醇水凝胶 (P V A 一 H ) 的摩擦 因数和润滑制度 . 试验结果表 明 : 有润滑时 , 硅橡胶和 聚氨醋分 别与 3 1 6 L 不锈 钢组成 的摩 擦副 , 其润滑 制度是边 界润滑 , 而聚 乙烯 醇水凝胶 (P v A 一 H ) 3/ 16 L 不锈钢摩擦 副的润滑制度为混合 润滑 . 关键 词 人工软骨材料 ; 摩擦 因数 ; 润滑制度 分类号 0 6 3 2 . 2 1 随 着 假体科学 与 技术 的发 展 , 已 有 越来 越 多 的关 节病患 者 植 人 人 工 关节 . 现 今在 选 用人 工 关 节材 料 时往 往 只 重视 材 料 的抗 磨 能 力 , 因而 多 采 用 高 弹性 模 量 、 大 硬 度 的金 属 和 非金 属 材 料 , 而 这些 材料 的力 学性 质 , 特 别 是 弹性 模 量 与人 关 节 的相 差 甚 远 ![, 2 ] . 为 了 改 善人 工 关 节 的 润 滑 性 能 模仿 人 关节 结 构 , 我 们拟 采 用 力学 性 能类 似 于 人 关节 软 骨 的 聚合 材 料 (高 弹体 ) 作 为 人 工软 骨 , 利 用 自行 研制的振子式 摩擦仪测定 了 3 种生 物相 容 性 良好 的低 弹性 模 量 聚 合物 材 料 , 即硅 橡 胶 、 聚 氨醋 和 聚 乙 烯 醇 水凝 胶 ( P V A 一 H ) 的摩 擦 因 数和 润 滑性能 . 振 幅 . 测试硅 橡胶 、 聚 氨醋 、 P V A 一 H 在 载 荷分 别 为 5 , 6 , 10 , 1 1 , 15 , 16 gk 处于 干摩 擦 , 0 . 9 % N a C I 溶 液 , 人 工 滑液 ( s o d i u m h y a l u r o n at e , 缩 写 为 s H ) 和 人 关 节滑 液 ( s y n o v i a l fl u i d , 缩 写 为 s F ) 润滑 条件 下 , 摩 擦 仪偏 角振 幅 (的 衰 减 的情 况 . 上 述 3 种 润 滑 剂 的 动 力 粘 度分 别 为 .0 0 03 , 13 . 5 和 1 . 2 3 P.a s . 人 关 节 滑液 ( S )F 是 一种 淡 黄色 的血 浆析液 , 含有 蛋 白和 透 明质 酸盐 16] . 而 人工 滑 液 ( S H ) 的透 明质 酸钠含 量 为 42 % 一 56 % , 蛋 白质含量 < 10 ` , p H 值 7 . 2 . 加液孔 滑动表面 1 试验材 料与方法 试 验所 使 用 的 材 料 是 北 京 市 亚 南 橡 胶 密 封 厂生产 的硅橡胶 , 聚 氨 醋和 自行研制 的聚 乙 烯 醇 水凝 胶 (缩 写 为 PV A 一 H ) . 试 样 为 直 径 5 ~ , 长 10 ~ 的圆柱体 . . 试验在振 子式摩 擦仪 (如 图 l ) 上 进行 【, 一 ’ ] . 试 验 前用砂纸 打磨试 样表 面 (P V A 一 H 除外 ) , 再 用 无 水 乙 醇擦 净 , 置于 干燥 器 中 干 燥 48 h , 用 无 水 乙 醇 擦净 与试 样对磨 的振子 式 摩擦 仪 摆 轴 . 然 后 将 圆柱形 试样 放人 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 簧施 于 试样 上 的 力 恒定 为 1 . 14 地 ; 通 过加 液 孔 加 人 润 滑 剂 , 并 使 得 润 滑 剂浸 润 对磨 表 面 . 综合考 虑 目测 的可 能 性 及 准确 测量摩擦因数的要求 , 选择 .0 26 ar d为 初始 19 98 一 01 一 21 收稿 顾正秋 男 , 59 岁 , 教授 * 国家 自然科学基金资助课题困.0 5 9 7 7 5 0 3 8) 闷 试样 图1 振子式摩擦仪结构示意图 以 硅 橡 胶 为 试 验 材 料 , 在 振 子 下 方 挂 s k g 重 锤 作 为 载 荷 (平 均 接 触 压 强 为 1 . % x lo , aP ) 时 , 进 行 了 3 次试 验 , 试验结 果 如图 2 所示 . 由图 2 可 见 , 在摆 动次 数超 过 5 次 以 后 各测 点 都落 在 同 一条 曲线上 . 当载荷 分别 为 5 , 6 , 10 , 1 1 , 15 , 1 6 k g 时 (平 均接 触压 强分 别 为 l . 9 6 x l o , , 2 . 4 7 x 10 5 , 4 . 5 1 x 10 5 , 5 . 0 2 x 10 5 , 7 . 0 6 x 10 5 , 7 . 5 7 x 1 0 , p a ) , 聚氨 醋 、 p v A 一 H 等试 样 都有 相 似 的规律 . DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1999. 01. 011

Vol21 No.I 顾正秋等：人工软骨材料摩擦学特性 ·37· 0.30 ◆聚氨脂(0.9%·硅橡胶(SH 0.30 0.25 ·聚氨脂(SH) +硅橡胶(SF) 0.25 第1次 4聚脂脂(SF) ·硅橡胶（干磨） 色 x聚氨脂（干磨） PVA-H(0.9% 0.20 第2次 0.20 是 *硅橡胶(0.9% PVA-H(SH) 年 0.15 PVA-H(SF) 0.15 ·PVA-H干磨) 0.10 第3次 0.05 0.10 0.05 0 1 2 345 678 摆动次数/次 图2干摩擦条件下振子偏角囊减曲线图（实验材料为硅 05 10 1520253035 橡胶，初始振幅0.26rad,平均接确压强为1.96×103) 摆动次数/次 图3硅橡胶、聚氨脂、PVA-H在不同润滑条件下振幅 图3为不同材料的摆锤质量10kg(平均接确 囊减曲线（图注的括号内表示所用润滑剂） 压强为4.51×10Pa)时，在干摩擦或有润滑条件 下偏角衰减的情况.由图3可见，无润时，硅橡胶、 660mm).因此，振子的摆动周期为T=(亿/g)2 聚氨酯、PVA-H分别摆动7,10,26次后振子停 =1.63s,约等于通常步行时人膝关节的屈伸周 摆；以0.9%NaC1液为润滑剂时在振子分别摆动 期(g为重力常数). 7,12,27,次；以SH为润滑剂时分别摆动11,14， R为摆轴半径(11mm).摆轴选用人工关节 29次；以S℉为润滑剂时分别摆动22,23,32 材料316L不锈钢，长度30mm,表面光洁度是 次，上述结果表明润滑剂的加人可降低偏角衰减 710. 速度.这种测试方法还可以用于判别润滑制度， 日。-为测得的第n一1次摆动的偏角振幅，日。 根据振子衰减原理，数学摆在自由摆动时没 为第n次摆动的偏角振幅.由图2可见，振子式摩 有任何阻力，其振幅大小将不随时间而变化.但 擦仪测量结果的再现性较好， 是，振子支点和摆轴构成的轴承实际上存在摩 擦，振子的振幅会逐渐衰减.引起振幅衰减的原 2试验结果 因是空气阻力和轴承摩擦，其中空气阻力作用很 2.1人工软骨材料的摩擦因数测定结果 小，可以忽略不计.因此如果支点摩擦大，振幅衰 硅橡胶、聚氨酯、PVA-H在不同润滑条件下 减就快，振子易停下来；反之，振幅衰减慢，振摆 摩擦因数与平均接触压强（载荷分别为5,6,10、 持续时间就长.通过测量振幅衰减，可用下式求 得摩擦因数μ=L0,-1-0,)/4R0。≤15)，式 11,15,16kg)关系线如图4所示. 从图4可知，硅橡胶、聚氨酯、PVA-H分别与 中μ是摩擦因数；L为振子式摩擦仪摆长（选定为 0.25 0.20 款 硅橡胶 硅橡胶 0.20 0.16 0.15 聚氨脂 0.12 密 聚氯脂 0.10 0.08 △-△ 0.05 △一△ PVA-H 0.04 0 (a) PVA-H 0L6) 0 0.2 0.4 0.6 0.1960.2470.4510.5020.7060.757 P/MPa P/MPa 0.25 0.10 0 硅橡胶 0.20 硅橡胶 0.08 新 0.15 新 聚氨脂 0.06 聚氨脂 △" -△- 0.10 0.04 PVA-H 密 0.05 PVA-H 0.02 (c) L(d) 0 0.1960.2470.4510.5020.7060.757 0.1960.247 0.4510.5020.7060.757 P/MPa P/MPa 图4摩擦因数与平均接确压强关系.(a)干摩擦；(b)0.9%NaC1液润滑；(c)SH润滑；()SF润滑

N 叭2 1 N 0 . 1 顾 正秋等 : 人工软骨材料摩擦学特性 0 3 0 0 . 30 0 . 2 5 0 . 2 0 0 . 1 5 0 . 1 0 0 . 0 5 0 第 1次 0 . 2 5 第 2次 / 第\ 3次 0 . 2 0 0 . 15 0 . 10 权擎P/巴 援擎P\巴 0 1 2 3 4 5 6 7 8 摆动次数/次 图2 干摩擦条 件下振 子偏角衰减曲线图 (实验材料 为硅 橡胶 , 初始振幅0 . 26 ar d , 平均接确压强为 1 .9 6 x l o 5 h ) 图 3 为不 同材 料 的摆 锤质 量 10 k g( 平均 接确 压 强为 4 . 51 x lo , Pa) 时 , 在 干摩擦 或有 润滑 条件 下偏 角衰减 的情况 . 由 图 3 可 见 , 无 润 时 , 硅橡 胶 、 聚 氨 酷 、 P V A 一 H 分 别 摆 动 7 , 10 , 2 6 次 后 振 子 停 摆; 以 .0 9 % N a CI 液 为 润 滑 剂 时在 振 子 分 别 摆 动 7 , 12 , 2 7 , 次 ; 以 S H 为润 滑 剂 时分 别 摆 动 1 1 , 14 , 2 9 次 ; 以 S F 为 润 滑 剂 时 分 别 摆 动 2 2 , 2 3 , 3 2 次 . 上述 结 果 表 明 润滑 剂 的 加人 可 降低 偏 角 衰减 速度 . 这 种测 试方 法 还可 以 用于判 别润 滑制 度 . 根 据振 子 衰 减 原理 , 数 学 摆在 自由摆 动 时 没 有 任 何 阻力 , 其振 幅 大 小 将 不 随 时 间 而 变 化 . 但 是 , 振 子 支 点 和 摆 轴 构 成 的 轴 承 实 际 上 存 在 摩 擦 , 振 子 的 振 幅 会 逐 渐 衰减 . 引起 振 幅 衰减 的 原 因是 空气 阻力 和 轴 承摩 擦 . 其 中空 气 阻 力作 用 很 小 , 可 以 忽略 不计 . 因此 如果 支 点 摩擦 大 , 振 幅 衰 减 就快 , 振 子 易停下 来 ; 反 之 , 振 幅衰 减 慢 , 振 摆 持续 时 间 就 长 . 通 过 测 量 振 幅衰减 , 可 用 下 式 求 得摩擦 因数 [ , ]禅 = 乙(0 。 _ l 一 0 。 ) / 4 R (0 。 ` 15 。 ) , 式 中户是 摩擦 因数 ; L 为振 子 式摩 擦 仪摆 长 (选 定 为 0 . 05 0 一 聚 氨脂 ( 0乡% · 硅橡胶 ( S H ) 蘸丫{ 摆动次数/ 次 图3 硅橡胶 、 聚氮脂 、 P V A 工在不同润滑 条件 下振 幅 衰减曲线 (图注的括号内表 示所用润滑剂 ) “ 0 ~ ) . 因 此 , 振 子 的 摆 动 周 期 为 T = (L g)/ , ` ’ = 1 . 6 3 5 , 约 等于 通 常 步 行 时人 膝 关节 的 屈 伸周 期 馆 为重力 常数 ) . R 为 摆 轴半 径 ( 1 ~ ) . 摆 轴选 用 人 工 关节 材 料 3 16 L 不 锈 钢 , 长 度 30 ~ , 表 面 光 洁度 是 V 10 . 0 。 _ ,为测 得 的第 n 一 l 次 摆动 的偏 角 振 幅 , 氏 为第 n 次摆 动 的偏角 振 幅 . 由图 2 可见 , 振 子式摩 擦仪 测量 结果 的再 现性 较好 . 2 试验结果 2 . 1 人工软骨 材料的摩擦 因数 测定 结果 硅橡 胶 、 聚氨 醋 、 PV A 一 H 在不 同润 滑 条件下 摩 擦 因 数 与平 均接 触 压 强 (载荷 分 别为 5 , 6 , 10 、 1 1 , 15 , 1 6 k g ) 关 系线如 图 4 所示 . 从 图 4 可 知 , 硅橡胶 、 聚氨醋 、 P V A 一 H 分 别与 0 . 2 5 0 . 2 0 0 . 1 5 产户 . 灌蔽r J 、 一一一~ 、 一 一~ , 一 一 一 聚氨脂 A A 一一 -一 一 , 白 一 , △ 一 、 △一△洲丙而 J ~ - La) … 0 . 20 0 . 16 0 . 12 0 . 0 8 z / / 镶百蔽入、 、 、 ~ ~ 、 一一代蔽丽 探因雏赞 0 . 1 0 0 . 0 5 0 .0 04 0 彭皿琴姗 P V A 一 H .IJ 互之 … _ 二 , . 月 一一』 0 . 1 96 0 . 2 4 7 0 . 4 5 1 0 . 5 0 2 0 . 7 06 0 . 7 5 7 尸/M P a 0 . 2 5 硅橡胶 0 . 2 0 聚 氨脂 撅皿球赞 0 / . 15 0 . 10 0 . 08 0 . 0 6 △ 一一 △ — 个 0 . 10 0 . 0 5 0 . 04 入 。巴 0 . 0 2 0 一一古一一 (d ) P V A 一 H 0 . 5 0 2 彭胶蜷誉 0 . 7 0 6 0 . 7 5 7 0 . 1 9 6 0 . 2 4 7 0 . 4 5 1 0 . 5 0 2 尸/ M P a 0 . 7 0 6 0 . 7 5 7 0 . 1 9 6 0 . 2 4 7 0 . 4 5 1 尸/M P a 图4 摩擦因数与平均接确压强关 系 . ( a ) 干康擦; ( b ) 0 . 9% N a e 一液润滑 ; ( e ) s H 润滑; ( d ) S F 润滑

·38· 北京科技大学学报 1999年第1期 316L不锈钢组成的3对摩擦副在干摩擦条件下，3讨论 都测得最大的摩擦因数，平均值分别为0.24,0.17 和0.07，各摩擦副在有润滑条件下，其摩擦因数 PVA-H在干摩擦条件下的摩擦因数较低见 都按0.9%NaCI液、SH和SF的顺序依次递减，在 图4(a),它与振子摆动次数的关系曲线也不是直 以H为润滑剂时，这3种摩擦副的平均摩擦因 线（图7）.这可能是由于PVA-H中含有水，当它 数分别为0.16,0.12,0.05. 受压后，挤出的水分起润滑作用，其润滑制度近 2.2润滑制度的判别 乎边界润滑的缘故， 图5为不同润滑制度下的Stribeck曲线，根 据摩擦因数随nUlP(Sommerfeld数，n是润滑剂粘 0.09 度，U为滑动速度，P是线载荷)的变化规律可判 0.07 别其润滑状态切 0.05 0.03 0.01 135791113151719212325 摆动次数/次 图7PVA-H/316L不锈钢摩擦副的摩擦因数 与振子摆动次数关系曲线 当有润滑时，PVA-H的摩擦因数范围为 nU/P 图5 Stribeck曲线 0.03~0.06;摩擦因数与nU/P关系曲线为斜线， I边界润滑；Ⅱ泥合润滑；Ⅲ流体动压润滑 当nU/P增加时，摩擦因数减小，如图6中线e,f 所示.根据Stribeck曲线，可以认为有润滑时， 试验结果表明，硅橡胶、聚氨酯与316L不锈 钢组成的2对摩擦副在不同润滑条件下的摩擦因 PVA-H316L不锈钢摩擦副的润滑制度属于混合 数几乎不随nU/P变化而变化（如图6中曲线a,b, 润滑范畴. c,d所示)，根据Stribeck曲线可判别它们的润滑 4结论 制度是边界润滑.PVA-H/316L不锈钢摩擦副在 SH,SF作润滑剂时，摩擦因数都随nU/P的增大 (1)用振子式摩擦仪测定摩擦系数的方法简 而减小，其润滑制度为混合润滑（图6，曲线e,f). 便可靠、测量结果的再现性较好，并可准确地判 别润滑制度， 0.16 0.10 0.14 新 0.08 0.12 0.10 0.06 0.08 0.06 0.04 (a) -oe (b) 0.04 50100150 200250300350400 0.51.01.52.02.53.03.5 nU/P nU/p 图6人工人骨材料的摩擦因数与nUP关系曲线.(a)以SH为润滑剂：o)以SF为润滑剂.曲线a,b硅橡胶； 曲线c,d为聚氨脂：曲线e,[为PVA-H (2)硅橡胶、聚氨酯、聚乙烯醇水凝胶 摩擦因数最小. (PVA-H)分别与316L不锈钢组成的3对摩擦副 (3)有润滑剂时，硅橡胶、聚氨酯分别为316L 在干摩条件下的摩擦因数最大，平均摩擦因数分 不锈钢组成的2种摩擦副的润滑制度都是边界润 别为0.24,0.17和0.07.不用SH润滑时的摩擦因 滑，聚乙烯醇水凝胶(PVAH/316L不锈钢摩擦 数分别为0.16,0.12,0.05.人关节滑液润滑时的 副的润滑制度为混合润滑

北 京 科 技 大 学 学 报 1 9 9 9年 第l 期 3 16 L 不锈钢组 成 的 3 对摩 擦 副在 干摩擦条件下 , 都测得 最 大 的摩擦 因数 , 平 均 值分别 为.0 2 4 , 0 . 17 和 .0 0 7 , 各 摩 擦 副在 有 润 滑 条 件 下 , 其 摩 擦 因数 都按 .0 9 % N a C I 液 、 S H 和 S F 的顺 序依次递减 , 在 以 S H 为 润 滑 剂 时 , 这 3 种 摩 擦 副 的平 均 摩 擦 因 数 分别为 0 . 16 , 0 . 1 2 , 0 . 0 .5 .2 2 润滑制 度 的判别 图 5 为不 同润 滑 制 度 下 的 S itr b e k 曲线 , 根 据 摩擦 因数 随 , 酬尸( S 。 ~ e fer dl 数 , , 是 润 滑 剂粘 度 , U 为 滑 动 速 度 , 尸 是线载 荷 ) 的变 化规律 可 判 别其 润滑 状态17] . 3 讨论 PV A 一 H 在 干 摩 擦 条件 下 的 摩 擦 因数 较 低见 图 4 a( ) , 它 与振 子 摆 动次数的 关系 曲线也不是 直 线 (图 7) . 这 可 能 是 由于 PV A 一 H 中含 有 水 , 当它 受 压 后 , 挤 出 的 水分 起润 滑 作 用 , 其 润 滑 制 度 近 乎 边界 润滑 的缘故 . 0 . 0 9 0 . 0 7 l lI 撼 四 0 . 0 5 绒 姗 .0 03 卜\ . ~ 搽困雏褂 粉〔双尸 圈S S itr b e e k 曲线 I 边界润滑 ; n 混合润滑 ; 1 流体动压润 滑 试 验结 果 表 明 , 硅橡胶 、 聚氨醋 与 3 16 L 不 锈 钢组成 的 2 对摩擦副在 不 同润 滑条件下 的摩 擦 因 数 几乎 不 随粉 酬尸变化 而 变化 (如 图 6 中曲线 a , b , c , d 所 示 ) , 根 据 S itr b e k 曲线 可判 别它们的 润 滑 制度 是 边 界 润 滑 . PV A . H 月 16 L 不 锈 钢 摩 擦 副在 S H , S F 作 润 滑剂 时 , 摩 擦 因数都随 , 切尸 的增 大 而减小 , 其 润滑制 度 为混 合润 滑 (图 6 , 曲线 e , f) . 1 3 5 7 9 1 1 13 1 5 1 7 19 2 1 23 2 5 摆动次数/次 图, P V -A l l 3 1 6 L不锈钢康擦副的. 攘因数 与振子摆动次数关 系曲线 当有 润 滑 时 , PV A 一 H 的 摩 擦 因 数 范 围 为 .0 03 ~ .0 06 ; 摩擦 因数 与粉u / 尸 关系 曲线为斜线 , 当粉 U / 尸 增 加时 , 摩擦 因数减小 , 如 图 6 中线 e , f 所 示 . 根 据 S itr b ce k 曲 线 , 可 以 认 为 有 润 滑 时 , PV A 一 H 3 1 6 L 不 锈 钢 摩 擦 副 的润 滑 制 度 属 于 混合 润滑 范 畴 . 4 结论 ( l) 用 振子 式摩 擦 仪测 定摩 擦系数 的方法 简 便 可 靠 、 测 量 结果 的 再现 性 较 好 , 并可 准确 地 判 别 润 滑制 度 , 0 . 16 0 . 14 0 . 10 蓄 。 · 08 瑟 。 . 0 6 .0 04 一 ` ` ~ 一- 边. 一- 一 一 ~ ~ - - ~ . ~ J b 一 侧 卜- - 叫卜. 一一 曰 d 一 。 卜卜 一 ~ ~ f (a) L `八”, es卜lL R 一了O 二,. 且, 0 ù n U ùU0 撼胶毕锻 ln 0 . 0 4 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 粉〔刀尸 2 5 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 0 . 5 1 . 0 1 . 5 2 . 0 刁〔刀尸 2 . 5 3 . 0 3 . 5 图` 人工人骨材料的摩擦因数 与抓刀尸关 系曲线 . ( a) 以s H为润滑剂 ; 伪)以s F 为润滑剂 . 曲线。 , b硅橡胶 ; 曲线c , d为聚氮脂 ; 曲线 e , 伪 P V A -H (2 ) 硅 橡 胶 、 聚 氨 醋 、 聚 乙 烯 醇 水 凝 胶 摩擦 因数最小 . (P v A 一 H ) 分别 与 3 16 L 不 锈钢 组成 的 3 对 摩 擦 副 ( 3) 有润 滑剂 时 , 硅橡胶 、 聚氨 醋分 别 为 3 16 L 在 干摩条件下 的摩擦 因数最 大 , 平 均摩 擦 因 数分 不锈 钢组 成 的 2 种摩 擦 副的润 滑制 度都是边 界润 别 加.2 4 , 0 . 17 和 .0 0 7 . 不 用 s H 润 滑 时 的摩 擦 因 滑 , 聚 乙 烯醇 水凝 胶 (P v A 一 H ) / 3 16 L 不锈 钢 摩擦 数分 别 为 0 . 16 , 0 . 12 , .0 05 . 人 关 节 滑 液 润 滑 时 的 副 的润 滑制度 为混 合润 滑

VoL.21 No.1 顾正秋等：人工软骨材料摩擦学特性 ·39· 参考文献 Joints.The Journal of Bone and Joint Surgery,1962, 44B(3):662 1 Dowson D.Disher J.Design Considerations for Cush- 5 Unsworth A,Dowson D.Wright V.Transactions of ion Form Bearings in Artificial Hip Joints.Proc ASME.Journal of Lubrication Technogy,1975,7:369 Instn Mech Engrs,1991,205H,59 6 John H D.Tribology of Natural and Artificial Joints. 2 Auger D O,Medley J B,Fisher J,Dowson D A. Elsevier,1981.52 Preliminary Investigation of the Cushion Bearing 7 Hutchings I M.Tribology:Friction and Wear of Engi- Concept for Joint Replacement Implants.In:Proc neering Materials.London:Edward Arnold,1992.65 16th Leeds-Lyon Symposium on Tribology,1990.251 8 Unsworth A,White E F T,White G.Frictional Proper- 3 Toshimtsu Yokobori,Takashi Kawaharada,Shigeru ties of Artificial Hip Joints.Engineering in Medicine, Sasaki.Mechanical Test Method on the Estimation of 1988,17,101 the Lubricant Performance by Hyaluronic Acid.Bio- 9 Unsworth A.Tribology of Human and Artificial Joints. Medical Materials and Engineering,1995,5,117 4 Barett C H,Cobbold A F.Lubrication Within Living Proc Instn Mech Engr,1991,205H:163 Tribological Behaviour of Materials of Artificial Articular Cartilage Gu Zhengqiu,Zhang Xianghong,Xiao Jiumei, Materials Science and Engineering School,UST Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT In order to improve the lubricating behaviour of artificial joints,an overall new constructional design should be adopted.The materials with low elastic modulus and good lubricating behaviour,i.e.the elastomeric polymer,were developed.An oscillatoutype tribometer developed by ourselves was used to determine the frictional factor and to differentiate the lubricating mode for three kinds of bio-compatible polymer (i.e.silicone rubber,polyurethane and polyvinylalcohol hydro- gel).The experimental results showed that the lubricating regime for the lubricated sliding pairs of sili cone rubber/316L stainless steel and polyurethane /316L stainless steel are boundary lubrication, and the lubricating regime for the lubricated sliding pair of polyvinylalcohol hydrogel/316L stain- less steel is mixed lubrication. KEY WORDS artificial articular cartilage;frictional factor;lubricating regime

V O LZ I N O 一 l 顾正 秋等 : 人工软骨材料摩擦学特性 3 9 参 考 文 献 1 D o w s o n D . D i s h er J . D e s ign C o n s id e ’aIt i o n s fo r C u s h - i o n F o mr B e ar m g s in A rt i if e i a l H IP J o i n t s . P or e ih s in M e e h E n g sr , 1 99 1 , 2 0 5 H , 5 9 2 A u g er D O , M e d l e y J B , Fi s h er J , D o w s o n D A · P er l lm l n 扣) 功v e s tig at i o n o f ht e C u s h i o n B e iar n g C o n e etP fo r J o int eR P lac e m e in l m Plan t s . In : Por e 1 6 t h L e e ds 一 L y o n S y m P o s i u m o n T ir b o l o gy , 1 9 9 0 . 2 5 1 3 T o s h i m t s u Y o k o b o ir , T ak a s hi K a w al aJ 洛d a , S h ig e ur S a s ak i . M e e h , n i e a l T e st M e ht o d o n ht e E s ti m a t i o n o f ht e L u b ir e a n t P e ir 沁 marn e e b y H y a l uor n i e A e id . B i-o M e id c a l M at ier al s a n d E n g in e e irn g , 199 5 , 5 , 1 1 7 4 B 田习 e t C H , C o b b o dl A F . uL b ir e at i o n Wiht in L i v in g J o i n st . T h e J o ’nUr a l o f B o n e an d J o i n t S u gr e yr , 19 6 2 , 4 4B (3 ) : 66 2 5 U n s w o hrt A , D o w s o n D , Wir gh t V . T ar n s ac ti o n s o f A S M E . J o urn a l o f L u b ir e at i o n T e e hn o gy , 19 7 5 , 7 : 3 6 9 6 J o hn H D . T ir b o l o g y o f N a t u r a l an d A rt i if e i a l J o iin s . E l s e v i e f , 19 8 1 . 5 2 7 H u ct hi n g s 1 M . T ir b o l o gy : F ir e ti o n an d W e ar o f E n g i - n e e inr g M at e ir a l s . L o n d o n : E dw a r d A m o ld , 19 9 2 . 6 5 8 U n s w o hrt A , Wh i t e E F T , W h i t e G . Fir e t i o n a l P or Pe r - t i e s o f A ir iif e i a l H IP J o in t s . E n g in e e ir n g in M e d i e in e , 1 9 8 8 , 17 , 1 0 1 9 U n s w o hrt A . T ir b o l o g y o f H u m an an d A rt iif e i a l j o in t s . Por e nI s at M e e h E n gr , 1 9 9 1 , 2 0 5H : 16 3 T ibr o l o g i e a l B e h a v i o u r o f M a t e ir a l s o f A rt iif e i a l A rt i e u l a r C art il a g e G u hZ e n gq iu , hZ a n g iX a n沙 o n g , 不 。 0 iJ u m e i , S c i e cn o an d E n g i n e ier n g S c h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij i n g 1 00 0 8 3 . C h i n a A B S T R A C T 址 o dr e r ot 面Por v e ht e l u b ir e at i n g b e h a v i o ur o f art iif e i a l j o i n t s , an o v e r a ll n e w e o n s trU e it o n a l d e s ign s h o u ld b e ad o Pt e d . Th e m at e ir a l s w iht l o w e las t i e m o d u l u s an d g o o d in bir e at in g b e h a v i o ur , 1 . e . ht e e l as ot m e ir e P o ly m e r , w e r e d e v e l o P e d . An o s e ill aot u yt P e itr b o m e t e r d e v e l o P e d b y o ur s e l v e s w as u s e d ot d e t e mr in e ht e 衍e ti o n a l af c to r an d t o d i fe r e n t i a t e th e l u b ir e a t i n g m o d e fo r htr e e k i n ds o f b i o 一 e o m Piat b l e Po l y m e r ( 1 . e . s ili e o n e ur b b e r , P o lyU er ht an e an d P o ly v i n y l a l c o h o l h y d or - g e l) . T h e e x Pe ir m e ant l er s u lt s s h o w e d ht at ht e l u bir e a t i n g er g im e fo r ht e l u b ir e at e d s li d i n g P a ir s o f 5 111 e o n e ur b b e r / 3 1 6 L s at in l e s s s t e e l an d P o lyU r e ht an e / 3 16 L s at i n l e s s s t e e l aer b o u n d a yr in b ir e at i o n , an d ht e l u b ir c a t i n g er g ha e fo r ht e l u b ir e at e d s lid i n g Pa ir o f Po l y v i n y l a l e o h o l h y d or g e l / 3 1 6 L s at in - l e s s s t e e l i s m议e d 】u b ir e at i o n . K E Y W O R D S a rt iif e i a l art i e u l ar e art il a g e ; 示e t i o n a l af e t o r ; l u b ir e at i n g r e g im e