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