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