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