透明质酸对人工关节材料的润滑作用

D0I:10.13374/j.issn1001053x.2000.04.047 第22卷第4期 北京科技大学学报 Vol.22 No.4 2000年8月 Journal of University of Science and Technology Beijing Ag.2000 透明质酸对人工关节材料的润滑作用 李久青 顾正秋肖久梅虞路清 顾玉凤风 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要配合人工软骨材料的研究，探讨透明质酸(HA)作为摩擦副的人工滑液时的润滑性 能.在PVA-H/316L,PVA-HPVA-H两类摩擦副上，利用锥板式粘度计、改进后的振子式摩擦仪 和M20O0型磨损试验机，测定了不同质量分数的HA溶液的流变性质、摩擦性能和磨损性能. 结果表明，HA溶液一定程度上具有天然滑液的流变性质，并有效地降低了摩擦副的摩擦磨损， 其对PVA-HPVA-H摩擦副润滑作用更佳，且O.75%(质量分数)的HA溶液表现出优于体积分数 为30%小牛血清的润滑性能，可认为HA是很有前途的人工滑液. 关键词透明质酸：人工滑液：摩擦：磨损 分类号 0632.21 当前硬质人工关节材料的研究已取得了显 Acid,HA)的钠盐，而HA是动物和人体关节液 著的进展，并应用于临床.但磨损引起的假体松 中的主要成分”，其良好的流变性质和生物相 动和磨屑引起的不利组织反应等因素，导致人 容性及应用于治疗关节炎的潜在前景已被人们 工关节过早失效.近年来，国内外争相开发人 广泛关注.本实验用商品级的HA(分子质量12 工关节软骨材料，试图将现有的人工硬质关节 ×10)以0.9%生理盐水配制成不同HA质量分 改进为带软垫支撑的新型人工关节，用人工滑 数的溶液作为人工关节滑液. 液对人工软骨摩擦副进行润滑是人工关节减磨 1,2实验内容与方法 延寿的重要措施.因此，开发研制人工关节滑液 (1)粘度测定.试验所用仪器为CSL2500型 是实现新一代人工关节的关键技术之一B.为 锥板式粘度计，当锥板夹角很小时(0<4°，本实 配合人工关节软骨材料的研究，本文采用不同 验取0=2°，R=4cm),位于锥板间隙中的液体将 质量分数的透明质酸作为人工关节滑液，测定 通过锥头的转动获得近似一致的剪切速率，并 了由聚乙烯醇水凝胶软骨材料(PVA-H)和316L 由连接的测量装置读出粘度.试验条件为流动 不锈钢组合成的软垫/硬质、软垫/软垫摩擦副的 测试，剪切速率为1~200s',在室温25℃下，对 摩擦学参数，并以小牛血清作参照，分析了透明 质量分数分别为0.15%，0.30%，0.45%，0.60%， 质酸对各摩擦副的润滑性能， 0.75%及0.90%系列透明质酸溶液测定其粘度与 剪切速率关系. 1实验 (2)振子式摩擦仪实验.本研究利用了自行 1.1材料与试剂 研制的振子式摩擦仪，其结构如图1所示.该仪 选用316L不锈钢和聚乙烯醇水凝胶(PVA- 器不但可测量软垫材料与不锈钢等刚性材料间 H)两种人工关节材料，构成316LPVA-H和 的摩擦因数，也可测定软垫/软垫摩擦副间的摩 PVA-H/PVA-H两类摩擦副.采用小牛血清和透 擦因数，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 明质酸作为润滑剂，其中小牛血清与天然滑液 具有相似的组分，实验期间必要时加入防腐剂 略空气阻力，则振子支点与摆轴之间的摩擦成 (叠氮化钠).透明质酸钠是透明质酸(Hyluronic 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因数： 2000-01-02收稿李久青男，56岁，教授 f=g8(0s15°). 4R' ★北京市自然科学基金资助项目CNo.990413651) 式中，是摩擦因数；L为振子式摩擦仪摆长；R

第 2 2卷 第 4期 2以用 年 8月 北 京 科 技 大 学 学 报 J ou ru a l o f Un i v e r st iy o f s e i en e ea n d 尸 fe c h n o l o g y B e j加 i g V b L2 2 N O 一 4 A u g . 2 00 透 明质酸对人工关节材料 的润滑作用 李久青 顾正秋 肖久梅 虞路清 顾 玉凤 北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 10 0 83 摘 要 配合人 工软骨 材料 的研究 , 探讨透 明质 酸 ( H A ) 作 为摩 擦副 的人工 滑液 时 的润 滑性 能 在 P v Aes 曰3 16 L , P v A - H 于 v A - H 两类摩 擦副上 , 利用 锥板式粘 度计 、 改进后 的振 子式摩 擦仪 和 M 2 0 0 0 型 磨损试 验机 , 测定 了不 同质量 分数 的 H A 溶液 的流变性 质 、 摩擦 性 能和磨损 性 能 . 结果表 明 , H A 溶液 一定程 度上具有 天然滑液 的流变 性质 , 并有 效地降低 了摩擦 副的摩 擦磨损 , 其对 P V A es H于 V A es H摩擦 副润 滑作用 更佳 , 且 .0 75 % (质量分 数) 的 H A 溶 液表现 出优 于体积 分数 为 30% 小 牛血清 的润 滑性 能 , 可认 为 H A 是 很有前 途 的人 工滑液 . 关键 词 透 明质酸 ; 人工 滑液 : 摩擦 ; 磨损 分 类号 0 6 32 . 2 1 当前硬质人工 关 节 材料 的研究 己取 得 了显 著 的进展 , 并 应用 于 临床 . 但磨 损 引起 的假体松 动 和 磨 屑引起 的 不 利组 织反应等 因素 , 导致人 工 关节过早 失效lI, ” . 近年 来 , 国 内外 争相 开 发 人 工 关节 软骨材料 , 试 图将现有 的人工 硬质关节 改进为带软垫 支撑 的新型人工 关节 . 用人工 滑 液对人工 软骨摩擦 副进行润滑是 人工关节减磨 延 寿的重要 措施 . 因此 , 开发研制 人工 关节 滑 液 是 实现新一 代人工 关节 的关键 技术之一 「3t ` , . 为 配合人 工 关节 软骨 材料 的研 究 , 本文 采用 不 同 质量分数 的透 明质酸作 为人工 关节滑液 , 测定 了 由聚 乙 烯醇水 凝胶软骨 材料 ( P V A - H ) 和 3 1 6 L 不 锈钢 组 合成的软垫 /硬质 、 软垫 /软垫 摩擦副的 摩擦学参数 , 并 以小牛血 清作参照 , 分析 了透明 质酸对各摩擦 副 的润滑 性能 . 1 实验 1 . 1 材料与试剂 选用 3 16 L 不 锈钢 和 聚 乙 烯醇 水凝胶 ( P VA 一 H ) 两种人工 关节材料 【8] , 构成 3 16 L 爪V A一 和 P VA - H 于VA - H 两 类摩擦副 . 采用小牛血 清和 透 明质酸作为润滑剂 , 其 中小牛血 清与天然滑 液 具 有相 似的组 分 , 实验 期间 必 要 时加 入 防腐剂 ( 叠氮化钠 ) . 透 明质酸钠是透明质酸(脚1 ~ ic A ic d , H A ) 的钠盐 , 而 H A 是动物和 人体 关节 液 中的 主 要 成 分 .l6n , 其 良好 的流变性质和 生物 相 容性及应用于 治疗关节炎的潜在前景 已 被人们 广泛关注 . 本实验用商品 级 的 H A ( 分子质量 l 一 2 x or 6) 以 .0 9% 生 理盐 水配制成不 同 H A 质量分 数 的溶液作为人工 关节滑 液 . L Z 实验内容与方法 ( l) 粘度测 定 . 试验所 用仪器为 C S L , 5 0 型 锥板式粘度计 . 当锥板夹角很 小 时 (0 < o4 ,本 实 验取 0 = o2 , R = 4 cm ) , 位于 锥板 间 隙中的液体将 通过锥头 的转动 获得近似一致 的 剪切 速率 , 并 由连接 的测量装 置读 出粘度 . 试验条件为流 动 测 试 , 剪切 速 率为 1一 2 0 5 一 , , 在室 温 25 ℃ 下 , 对 质量分数分 别为 0 . 15% , .0 3 0% , .0 45 % , .0 60 % , .0 75 % 及 .0 90 % 系列透 明质酸溶液测 定其粘度与 剪切 速 率关 系 . (2 )振 子 式摩 擦仪实验 . 本研 究利用 了 自行 研制 的振子 式摩擦仪 , 其结 构 如 图 1 所示 . 该 仪 器 不但可 测量 软垫 材料与不 锈钢 等 刚性材料 间 的摩擦 因数 , 也 可测 定 软 垫 /软 垫 摩擦副 间 的摩 擦因数 . 根据振子摆幅衰减原理 , 单摆在 自由摆 动 时如没 有受任何 阻力 , 其振幅大小将恒定 . 忽 略空 气阻 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 式可求得摩擦因 数 【5] : 2 0( 用 . 0 1一 2 收稿 李久青 男 , 56 岁 , 教授 * 北 京市 自然科 学基金 资助项 目(N .0 9 04 13 6 5 1 ) 介二今黔2 `0 “ , 。 , · 式 中 , 是摩擦 因数 ; L 为振子 式摩 擦仪摆长 ; R ’ DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 04. 047

·344 北京科技大学学报 2000年第4期 为摆轴半径；0n-,0。分别为测得的第n-1,n次 30 0.005 的摆动偏角， 加液孔 30° φ5 滑动液面 22 p50 图2环块状试样结构图 FIg.2 Configuration of test sample (PVA-Hydrogel)with ring and lump structure 图1振子式摩擦仪结构示意图 p为1.062gcm):x为总滑行距离，m. Fig.1 Pendulum-type friction tester 为模拟人体关节受力情况（膝关节受力约 1MPa),由赫兹公式推导应在磨损机上加载荷 摆轴选用人工关节材料316L不锈钢，其表 68N,并选定循环次数为1×10次，相当于人工 面光洁度为710，R'为22mm.L为660mm,则 关节植入体内2a的磨损情况.利用失重法来确 振子摆动周期T=2π(L/g)2≈1.63s,约等于通常步 定磨损量，分别对30%（体积分数）小牛血清和 行时人的膝关节的屈伸周期(g为重力常数). 075%(质量分数)透明质酸润滑剂的润滑性能 试验前，用无水乙醇将软垫材料和摆轴擦 进行测试.实验过程中，保持润滑剂清洁.每循 净，然后将圆柱形软垫材料放入振子式摩擦仪 环1×10次停机测1次质量损失，然后继续循环. 的孔槽中，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11.17N.做软垫/ 2结果与讨论 软垫摩擦副对磨时，先将环状试样套紧在摩擦 2.1粘度实验结果 仪摆轴上，通过加液孔滴加润滑剂，使得润滑剂 不同质量分数的HA)溶液粘度与剪切速率 浸润摩擦副对磨表面，为准确测量摩擦因数，选 的关系如图3所示.从图中可知，溶液的粘度随 择0.26rad为振子式摩擦仪的初始振幅.对上 HA质量分数增加而增加，但随着剪切速率增大 述两类摩擦副在不同载荷下，测定以系列透明 而减小.透明质酸是天然滑液的主要成分，分子 质酸溶液作为润滑剂的情况下的摩擦仪偏角() 质量达10，实验所用HA分子质量为1×10，由 的衰减情况 图3看出，HA溶液显示出明显的非牛顿流体性 (3)M-2000型磨损机实验选用宣化材料试 质，在一定程度上类似于天然滑液的流变性质. 验机厂生产的M-2000型磨损试验机.该设备带 有测量记数装置，可同时测定各种材料的不同 -0.15%HA-g-0.60%HA 润滑状态下的摩擦因数和摩擦功.选用环块状 -0.30%HA。-0.75%HA -0.45%HA-0-0.90%HA 试样（其结构如图2所示），本实验在该试验机 0 上实现软垫/软垫材料的摩擦副滑动摩擦.利用 以下公式可求： 10 1D摩擦因数∫=((so9: T 2sina 2)材料的体积磨损量V=mp; 10-2 3)材料的磨损系数K=川Wx, 式中，T为摩擦力矩（试验机标尺数字读数，N, 10- m);R为下试样半径，cm;W为试样所受垂直负 0 o 100 D/s 荷，W;a为上、下试样之接触角；∫为摩擦因数；a 图3透明质酸溶液粘度与剪切速率(D)关系曲线 为材料磨损的质量，g;p为材料密度(PVA-H的 Fig.3 Viscosity curves of byaluronic acid solutions

一 3 4 4 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 0 年 第 4 期 为摆轴半 径; 民 一 1 , 氏 分别 为测 得 的第 n 一 1 , n 次 的摆 动偏角 . 加液孔 . ` ` ~ 滑动液面 片 、 一 ` 一 ~ 又二厂 - } } } 图 1 振子式摩擦仪结构 示意 图 F i g · 1 P e n d u l u m 一 yt P e ifr e it o n t e s et r 摆轴 选用 人工 关节材料 3 16 L 不锈钢 , 其表 面 光 洁度 为 甲 10 , R ` 为 2 ~ . L 为 “ o r n r n , 则 振子 摆动 周 期 了七 2二 (L 动 呢 二 1 . 63 5 , 约 等于 通常步 行 时 人的膝关节 的屈伸周 期 ( g 为重 力常数 ) . 试验 前 , 用 无水 乙 醇 将软 垫 材料 和 摆 轴 擦 净 , 然 后 将 圆柱形 软 垫材 料 放 入 振子 式摩擦仪 的孔槽 中 , 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 n . 17 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 摩擦因数 , 选 择 .0 2 6 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 以系列 透 明 质酸 溶液作为润 滑剂 的情况 下 的摩擦仪偏角 (0) 的衰减情况 . (3 ) M 一2 0 0 0 型 磨损 机 实验选 用 宣 化材料试 验 机厂 生 产的 M - 2 0 0 型磨损试验 机 . 该设备带 有 测 量记 数装 置 , 可 同 时测 定各 种 材料的 不 同 润 滑 状态 下 的 摩擦 因数和 摩擦功 . 选用 环 块状 试样 ( 其 结构如 图 2 所 示 ) , 本 实验 在该 试验 机 上 实现软垫 /软 垫材料 的摩擦 副滑 动 摩擦 . 利用 以下 公式 可 求 : 图 2 环块状试样结构图 F l g · 2 C o n if g u r a it o n o f t 份t s a 口 P le 伊、凭书 y d or g e l) w it h ir n g a n d l u m P s t r u c t u er 户 为 1 . 0 6 2 g/ e m , ) ; x 为总滑行 距 离 , m . 为模拟人体 关节 受力情 况 (膝 关节受力约 I M Pa) , 由赫兹 公 式推 导应 在磨损机上加 载荷 68 N , 并选 定循环 次数 为 1 ` 10 6次 , 相 当于 人 工 关节 植入 体 内 Z a 的磨损 情况 . 利 用 失 重 法 来确 定 磨损量 , 分别对 30 % ( 体积分数 ) 小 牛血清和 .0 75 % (质量 分 数 ) 透 明质酸 润 滑 剂 的润 滑 性能 进行测试 . 实验过程中 , 保持润滑剂清洁 . 每循 环 l x lo , 次停机测 1次质量损失 , 然 后 继续循环 . 2 结果与讨论 2 . 1 粘度实验结果 不 同质 量 分 数的 (H A )溶液粘度与剪切 速率 的关系如 图 3 所示 . 从 图中可 知 , 溶液的粘度随 H A 质量分数 增 加 而 增 加 , 但随 着剪切 速率 增 大 而减 小 . 透 明质酸是天然滑 液 的主 要 成分 , 分子 质 量 达 10 6 , 实验 所用 H A 分 子 质 量为 l xl 0 6 , 由 图 3 看 出 , H A 溶液显 示 出 明显 的非 牛顿流体性 质 , 在一 定程度上类似于 天然滑液 的流变性质 . ùU-l 0 , 乏.d ` ,摩 擦 因数 介喘 ) · 产丝磊黔 ) ; 2) 材料 的体积 磨损量 V = m加 ; 3) 材料 的磨损 系数 K = V/ 叭 , 式中 , 尹 为摩擦力矩 ( 试验机标 尺 数字读数 , N · m ) ; R 为下 试样半 径 , c m ; 砰 为试 样所受垂 直 负 荷 , N ;a 为上 、 下 试样之接触角 ; f 为摩擦 因数 ; 。 为材料磨损 的质量 , g ; p 为材料密 度 ( PVA 一 的 幸考 图 3 F ig . 3 1 0 1 0 0 D / s 一 ’ 透明 质酸溶液粘度与剪切速率( D )关系 曲线 V is e o s i yt e u vr e s o f h y a l u or n i e a e id s o l u it o n s

Vol.22 No.4 李久青等：透明质酸对人工关节材料的润滑作用 ·345 22振子式摩擦仪摩擦因数测定结果 混合润滑特征， 两类摩擦副PVA-H/316L,PVA-H/PVA-H在 0.26 .-PVA-H/PVA-H 不同润滑条件下其摩擦因数与载荷的关系曲线 0.25 OVA-H/316L 如图4所示.从图4可知，干摩擦时测得摩擦副 ◆10kg载荷 0.24 的摩擦因数最大，PVA-H/316L与PVA-H/PVA- 5kg载荷 0.23 H平均摩擦因数分别为0.27和0.30.对两类摩 0.229 擦副在相同实验条件下，存在润滑剂时的摩擦 副摩擦因数明显低于干摩擦时的摩擦因数：分 0.21 ● 别由不同质量分数的HA溶液润滑时，摩擦因 0.20 数随着载荷的增大而增大：由相同的润滑剂润 0.15 0.30 0.450.60 0.750.90 w(HA)/% 滑时，PVA-H/316L摩擦副的摩擦因数均高于 图5不同质量分数透明质酸溶液与磨擦因数关系曲线 PVA-H/PVA-H摩擦副. Fig.5 The relation of HA sloution and friction coefficient 0.30r (a) 0.29 PVA-H/316L 0.260 PVA-H/316L 0.28 PVA-H/PVA-H 0.27 0.250 0.26 0.25 0.240 0.24 0.230 0.23 0.220 0.22 ■30%小牛血清V0.60%HV ●0.30%HA ○0.75%HV 0.34A (b) 0.210 PVA-H/PVA-H ▲0.45%HA ☐0.90%HV 0.32 0.00.40.8 121.6 2.02.42.8 0.30 uv/P 0.28 图6不同润滑状态下的摩擦因数与Sommerfeld数 0.26 uv/P)关系曲线 0.24 Fig.6 The relation of friction coefficient and Sommerfeld 0.22 number in different lubricant conditions 0.20s 5060708090100110120130140150160 23磨损实验结果 WIN 实验测得以体积分数为30%小牛血清， 图4摩擦因数与载荷关系曲线（图中曲线：■干摩 0.75%(质量分数)HA溶液作为润滑剂时PVA- 擦：●30%（体积分数）：▲0.15%HA:T0.30%HA:△0.45 HPVA-H摩擦副的摩擦因数分别为0.019和 %HA:V0.60%HA:O0.75%HA:☐0.90%HA) 2.5×10-.由失重法测得磨损质量损失，并根据前 Fig.4 Effect of different loads on friction coefficient 述公式推算出对应的磨损体积和磨损系数，磨 在相同载荷下，摩擦因数与HA质量分数 损体积和磨损系数与循环次数的关系曲线如图 wHA)关系曲线如图5所示.从图中可看出，摩 7所示.可看出，磨损体积与滑行距离（或循环次 擦因数先是随w(HA)增加而降低，降到一定数 数)近似于线性关系，它随着滑行距离的增加而 值后又上升.摩擦副为PVA-HPVA-H,在w 增加，故可推测磨损实验过程中，摩擦副只存在 (HA)约为0.75%时，摩擦因数最低，约为0205， 正常磨损.随着循环次数的增加，磨损系数递减， 低于同状态下（载荷100N)的体积分数为30%并趋于平缓.图7表明，0.75%（质量分数）HA对 小牛血清润滑时摩擦因数0.223（图4(b). 摩擦副(PVA-H/PVA-H)的润滑作用较30%（体积 将实验载荷折算成摩擦副表面平均接触压 分数)小牛血清有显著的优势，随着循环次数的 强，并作出各润滑状态下的摩擦因数与Sommer- 增加其摩擦因数平缓趋势明显：磨损体积与滑 feld数(uvlP)的关系曲线，如图6所示.从图中 行距离的近似于线性关系表明在HA或小牛血 可以看出，随着Sommerfeld数的增大，摩擦因数 清润滑状态下，PVA-H材料对磨时可能主要是 大致都呈下降趋势，基本符合Stribeck曲线中的 粘着磨损

、 勺】 . 2 2 N 0 . 4 李 久青等 : 透 明质酸对 人工关 节材料 的润滑 作用 一 3 4 5 . 2. 2 振子式摩擦仪摩擦因数测 定结果 两 类摩擦 副 PVA 一 I U3 16 L, PV A一 H田 V A 一 H 在 不 同润滑条件下其摩擦 因数与载荷 的关系 曲线 如 图 4 所示 . 从 图 4 可 知 , 干摩擦 时 测 得摩擦 副 的摩擦 因 数最 大 , PV A es H/ 3 1 6 L 与 PV A 一 H护V A 一 H 平 均摩 擦因 数分别 为 .0 27 和 .0 30 . 对 两类摩 擦 副在相 同 实验条件下 , 存在润滑 剂 时 的摩擦 副摩擦 因 数明 显 低 于 干 摩擦 时 的摩擦 因数 ; 分 别 由不 同 质 量分 数 的 H A 溶液润 滑 时 , 摩擦 因 数 随着载 荷的 增 大而 增大 ; 由 相 同 的润 滑 剂润 滑 时 , P vA - H /3 16 L 摩擦副 的摩擦 因数均 高于 PV A 一 H / PV A 一 H 摩擦 副 . 混 合润滑 特征 . 0 . 2 6 0 . 2 4 丫 . ’ . ’ 一 O 、 0 . 2 3 卜 了、 . O P V A . H ZP V A 一 H O V A 一 jH 3 16 L 10 kg 载荷 s k g 载 荷 冷 ` 共滚 . 二 7 0 . 2 1 0 . 2 01 , 1 1 不 . 0 . 15 0 . 3 0 0 . 4 5 0 . 6 0 0 . 7 5 0 . 9 0 w ( H A ) /% 图 5 不同质量分数透 明质酸溶液 与磨擦因数关系 曲线 F i g . 5 T h e er l a ti o n o f H A s l o u ti o n a n d fr i e it o n e o e if e i e n t 、 0 0 0 0 0 0 . 3 4 氏 ( b ) 0 . 2 10 PV A 一 H了P V A 一 H 0 . 3 2 0 . 3 0 、 0 · 2 8 0 . 2 6 0 . 2 4 0 . 2 2 0 . 2 0 0 . 2 6 0 0 . 2 5 0 从 0 . 2 4 0 0 . 2 3 0 0 . 2 2 0 OQ 了只ù,了 6 1 、 ù 4 今à、乙, ,乙j气,乙2 八“ `, n 。 一一一 一一一一 0 . 0 0 . 4 0 . 8 1 . 2 1 . 6 2 . 0 2 4 2 . 8 尸 v / P 图 6 不同润滑状态下的摩擦因数 与 S o m m e fer ld 数 扣v/ )P 关系 曲线 F i g . 6 T h e er l a it o n o f fr i e iot n e o e if e i e n t a n d S o m m e fer ld n u m b e r in d i f fe 邝n t l u b r i c a n t e o n d i ti o n s 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 1 10 1 2 0 13 0 14 0 1 5 0 1 6 0 万 / N 图 4 靡 擦 因 数 与 载荷 关 系 曲 线 (图 中 曲 线 : . 干 摩 擦 ; . 30 % (体积 分数 ) ; ▲0 . 1 5% 】王A ; , .0 30 % I I A : △ .0 45 % R A : 甲 .0 60 % I IA : 0 .0 75 % H A ; 口 .0 , 0% H A ) F论 . 4 E幻er c t o f d i月er er n t l o a d s o n ifr c it o n c o e if c ic n t 在相 同载荷 下 , 摩 擦 因数 与 HA 质量 分数 w (H A )关 系 曲线如 图 5 所示 . 从 图 中可 看 出 , 摩 擦 因数 先 是 随 w (H A ) 增 加 而 降低 , 降 到 一 定 数 值后 又 上 升 . 摩擦副 为 PV A一甲 V A书 , 在 w ( HA )约 为 .0 75 % 时 , 摩 擦 因 数 最 低 , 约 为 .0 2 05 , 低于 同 状态下 ( 载荷 10 0 N ) 的体积 分 数为 3 0% 小 牛 血 清润滑 时摩擦 因数 .0 2 23 ( 图 4 (b ) ) . 将实验载荷折算成 摩擦副 表面平 均 接触 压 强 , 并作 出各润滑状态下 的摩擦因数 与 5 0 ~ er - fe ld 数 切 v P/ ) 的关 系 曲线 , 如 图 6 所 示 . 从 图 中 可 以看 出 , 随着 5 0 ~ e fer ld 数的增 大 , 摩擦 因数 大致都呈下 降趋势 , 基本符合 S itr b e k 曲线 中的 .2 3 磨损实验 结果 实验 测 得 以 体积 分 数 为 30 % 小 牛 血 清 , .0 75 % ( 质量 分数 ) H A 溶液作 为润滑 剂时 PV A 一 H /PV A 一 H 摩擦 副 的 摩擦 因 数 分 别 为 .0 01 9 和 2 . 5 x l 『 ` . 由失重法测得磨损质量损失 , 并根据前 述公 式推算 出对应 的磨损 体积 和 磨损 系数 , 磨 损体积和 磨损系数与循环次数 的关 系曲线如 图 7 所示 . 可看 出 , 磨 损 体 积 与 滑行距离 (或 循环 次 数 ) 近似 于线 性关 系 , 它 随 着滑行距 离的增加 而 增加 , 故可推 测磨损 实验过程 中 , 摩擦 副只存在 正 常磨 损 . 随 着循环次数 的增加 , 磨 损 系 数递 减 , 并趋于 平 缓 . 图 7 表明 , .0 75 % (质量 分数 ) H A 对 摩擦副 ( PV A 一 H于V A 一 H ) 的润 滑 作用 较 3 0% (体积 分数 )小牛血 清 有显著 的优势 , 随着循环 次数 的 增 加其摩擦 因数平 缓趋 势明显 ; 磨损体积 与滑 行 距 离的近似 于线 性 关 系表 明 在 H A 或 小 牛血 清 润滑状 态 下 , P VA 一 H 材料对 磨 时 可 能主 要 是 粘着 磨损

·346· 北京科技大学学报 2000年第4期 6 0030%小牛血清 180 范围内，PVA-H/316L,PVA-H/PVA-H摩擦副的润 0 160 ▣0.75%HA 滑制度均为混合润滑， 140 磨损系数 120 参考文献 0 磨损体积 100 ~o摩擦副PVA-H/PV-H 80目 1 Dowson D.Bio-tribology of Natural and Replacement Syn- ovial Joints.in:Biomechanics of Diarthroial Joints.New -0-0 f1.5s 0.4 0 York:Springer Verlag,1990.305 0.2 80080-0-00.5 1.0 2 Meddley J B,Dowson D,Wright V.Transient Elastohy- namic Ibrication Modes for the Joint.in:Engineering in 0.1 10.0 Medicine,B.New York:MEP,Ltd,1984.137 1 2345678910 3 Murakami T,Higaki H.Adaptive Multimode Lubrication in N/10 Natural Synovial Joints and Artificial Joints.London:Proc 图7磨损体积、磨损系数与循环次数关系曲线 Instn Mech Engrs,1998.212 Fig.7 Effect of circulating number on wear volume and 4 NegamiS.The Dynamic and Mechanical Properties of Syn- fridion coefficient ovial Fluid:[M.S Thesis].Bethlehe Pa.Lehigh University, 1964 3结论 5 Toshitsu Yokobori,Takashi Kawaharada,Shigeru Sasaki. Mechanical Test Method on the Estimation of the Lubricant (I)透明质酸(HA)溶液属于非牛顿流体， Performance by Hyaluronic Acid.Bio-Medical Materials 在一定程度上具有类似于天然滑液的流变性 and Engineering,1995,5:117 质，其粘度随HA质量分数增大而增大，随剪切 6 Ribitsch V O.Visco-elastic Behaviour of Synovial Fluids 速率增大而减小；(2)HA溶液能够有效降低 and Artificial Replacement.in:Mow VC,Woo S L Y,eds. PVA-H/316L和PVA-H/PVA-H摩擦副的摩擦磨 Biomechanics of Diarthrodial Joints.New York:Spinger 损，其中对软垫摩擦副PVA-H/PVA-H的润滑性 Verlag,1990.287 7 Cooke A F,Dowson D,Wright V.The Rheology of Syno- 能更佳；(3)一定HA质量分数范围内，随HA vial Fluid and Some Potential Synthetic Lubricants for De- 质量分数增加，透明质酸溶液润滑性能增强，表 generate Synovial Joints.Engineering in Medicine,1978, 现为摩擦副的摩擦因数降低.对于PVA-H/PVA- 7(2):66 H摩擦副，075%（质量分数）的HA溶液具有优 8 Gu zhengqiu,Xiao jiumei,Zhang Xianghong.The Devel- 于30%（体积分数）小牛血清的润滑性能；(4)透 opment of Artifcial Aiticular Cartilage-PVA-Hydrogel. 明质酸作为润滑剂时，在本实验HA质量分数 Bio-medical Materials and Engineering,1998,8:75 Lubricating Behaviour of Hyaluronic Acid in Artificial Articular Materials LI Jiuqing,GU Zhengqiu,XIAO Jiumei,YU Luqing,GU Yufeng Material Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT Supporting the study of artificial articuar cartilage materials,the research and development of an artificial synovial fluid of Hyaluronic acid(HA)was carried out.With two lubricated sliding pairs,PVA- H/316L and PVA-H/PVA-H,an modified oscillator-type tri-biometer and M-2000 wear test machine were used to detemine the rehological properties and lubricating behaviour of a series of HA solution.The experimental results showed that the solution of HA had the rehological properties similaring to the natural synovial fluid to a certain extent,and decreased the friction and wear of two kinds of lubricated sliding pairs,also it rendered a better lubricating effection on PVA-H/PVA-H than on PVA-H/316L.The solution of HA with 0.75%(mass fraction)showed a better lubricating behaviour than 30%(volumic fraction)Bovine Serum.So HA solution would be a promising artificial synovial fluid. KEY WORDS hyaluronic acid;artificial synovial fluid;friction;wear

. 3 4 6 - 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 0 0 年 第 4 期 、盆目日侧 806420 :5 ,人1 . 1. . . 1 ,工 R ,卫1 . . 6 5 4 3 0 . 4 0 . 2 0 3 0% 小牛 血清 口 .0 7 5% H A - - - 一 磨损 系数 — 磨损 体积 摩擦 副 P VA we H 于 V - H 范围内 , P V A一H /3 1 6L, PV A一 H用 V A一 H摩擦副的润 滑制度均为混合润 滑 . 户声司一 口一 吞一 。 一 、 一仆一 勺 4 0 . 5 ǎ 下日 一 · 1 à2 ǐ甲一、狱日三O 0 . 1 匕昌一 - 一二一一一 J一一口一一一习一一一 口一曰一 , 一` 一一` 一一一` 目 0 . 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 N / 1 0 , 图 7 磨损体积 、 磨损系数与循环次数关系曲线 F啥 . , E“ eC t o f c irC u h int g n u m be r o n w ae r v 0 l u nI e a n d 介 id io n e oe 币 e i e n t 3 结论 ( 1) 透 明质酸 ( H A ) 溶液属于 非牛顿流体 , 在 一 定 程度 上 具 有 类似 于 天 然滑 液 的 流 变性 质 , 其粘度 随 H A 质 量分 数增大而 增大 , 随剪切 速 率增大而 减 小 ; ( 2) H A 溶液 能 够有效 降低 P 、 A 一 甘3 16 L 和 P VA - H护 vA 一 摩擦 副的摩擦磨 损 , 其 中对软垫摩擦 副 PV A 一 H户V A 一 H 的润滑性 能更 佳 ; ( 3) 一 定 H A 质量分 数范 围内 , 随 H A 质量分数增加 , 透 明质酸溶液润滑性能增强 , 表 现为摩擦副 的摩擦 因数降低 . 对于 PV A es H 于V A - H 摩擦 副 , .0 75 % ( 质量分数 ) 的 H A 溶液 具有 优 于 30 % (体积 分数) 小牛血 清 的润滑 性能 ; ( 4) 透 明质酸 作为润 滑 剂时 , 在本实验 H A 质量 分数 参 考 文 献 1 D ow s o n D . B i o 一b o l o gy o f N a ut r a l an d R e Pl a e e m ent s yn · o v i a l J o i n t s . in : B i o m e e h an i e s o f D i斌hr o i a l J o in l s . N e w oY kr : SP irn ge r Ve r lag , 1 99 0 . 3 0 5 2 M e d d l e y J B , D o w s o n D , W ir hg t V T r an s i e nt E l as t o hy - n am i e bI ir e at ion M od e s fo r ht e J o int . in : E n g i n e e inr g i n M e di e in e , B . N e w OY kr : M E P, L dt , 1 9 8 4 . 1 3 7 3 M u r ak aJ 的 i T, H ig adl H . A d a Ptl v e M u l t而 do e Lub ir e at i o n i n N a t汀 al Sy von iia J o l n st an d A rt iif e i a l J o i n st . L o n d o n : P r o c nI s nt M e e h E n ’gIS , 19 9 8 . 2 12 4 N e g am i S . hT e yD n am i e an d M e e h ian e a l rP oP ert i e s o f S yn - vo i a l F l u i d : [M . S hT e s i s ] . B e hlt he e P a . L he ihg U n l v esr iyt, 19 6 4 5 OT hs ist u OY k o ob ir厂 1’a kas ih K a w ha ar a d,a S h ig e ur s as iak . M e e h an i e a l eT s t M e ht de on ht e E s tlm at i o n o f ht e L u bir e an t P e for mr an e e by yH ia our n i e A e i d . B i o 一 M e d i e a l M a t e ir a l s an d E gn in e e ir n g , 1 99 5 , 5 : 1 1 7 6 形b ist e h V 0 . iV s c o 一 e last i c B e hva i o ur o f Sy n vo ial Fl ul ds an d A rt iif e i ia Re P lac em e nt . i n : M ow V C , W b o 5 L Y, e d s . B i o m e e h an l e s o f D i酬址 o di al J o in st . N e w OY kr : SPi n罗 r Ve r lag , 19 9 0 . 2 8 7 7 C o o ke A F, D ow s on D , W ir gh t .V hT e hR e o l o gy o f s yn o - v i a l Fl u id an d S o m e P o t e n tl a l S y n t h e t i e L ub ir e a n st fo r D e - g e ne r a t e S y n o v ial J o inst . E n g i n e e ir n g i n M e d i e i n e , 1 9 7 8 , 7 (2 ) : 6 6 8 G u hz e n g q i u , X i ao j ium e i , Z han g X i an hg o ng . hT e D e v e l - o Pm e nt o f A rt i fo i a l A it i e u lar C art i l a ge 一 PV A 一 H y dr o g e l . B i o 一 m e d i e a l M aet ir a l s an d nE g in e e ir n g , 19 98 , 8 : 7 5 L ub r i e at i n g B e h va i o ur o f H y a lUr o n i e A c id i n A rt iif c i a l A rt i e u lar M at e ir a l s LI iJ uq i gn, G U hZ e n g甘i,u 火又咬O iJ u m ie, YU L qu i gn l G U 翔 of gn M aet ir a l S e ien e e an d E n g l n e e inr g 女 h o l , U S T B e ij i n g , B e ij in g 1 0 00 8 3 , C hin a A B S T R A C T S uP POrt in g ht e s ut d y o f art iif e i a l art i e uar e art il a g e m at e ir a l s , ht e r e s e aer h an d de v e l o Pm e nt o f an art iif e i a l s y n o v i a l fl ul d o f H y a lur o n i e ac id ( H A ) w a s e a r i e d o u t . iWht wt o l u b ir e aet d s lld i n g P a ir s , PV A - H/ 3 16 L an d PV A 一 H /P VA 一 H , an m o id if e d o s e ill aot r 一妙p e itr 一 b i om e et r an d M 一 2 0 0 0 w e ar et s t m a e h in e w e r e u s e d t o d e t e m in e ht e er h o l o g i e a l P r o Pe rt i e s an d l u bir c a t in g b e h a v i o ur o f a s e ir e s o f H A s o l iut o n . hT e e x P e ir m e ant l r e s ul st s h o w e d ht at ht e s o lut i o n o f H A h a d ht e er ho l o g i e a l Por Pe rt i e s s加ilar m g t o ht e n a t[ 江 a l s yn vo i a l fl 说d t o a c e art in e xt e nt , an d d e c r e a s e d ht e 伍e t i o n an d w e ar o f wt o k j n ds o f 1 u b ir e aet d s l1d 1 n g Pa ir s , a l s o it er n de r e d a b e t er lub ir c at in g e fe e t i o n o n PV A . H /PV A 一 H ht an o n PV A 一 片3 16 L . hT e s o lut i o n o f H A w iht 0 . 7 5% (m a s s fr ac it o n) s h o w e d a b e t e r lub ir e at in g be h va i o ur ht an 3 0% ( v o l um i e far e it o n) B o v in e S e r u ln . 5 0 H A s o lut i o n w o u ld be a rP o m i s l n g 即rt iif e i a l s yn o v i a l fl u id . K E Y W O R D S 妙al ur o in e a e id ; art iif e i a l sy n o v i a l fl u id : 创 e t i o n : w e ar