关节软骨与髋关节陶瓷材料往复旋转运动摩擦行为研究

天然关节表面有一层关节软骨，关节软骨中占20%～40%的是固体基质，包括胶原、蛋白多糖等，余下60%～80%主要是水. 关节软骨可保持几十年使用而不损坏，但人工关节材料则与之完全不同且寿命有限.半髋置换和膝关节髌骨置换中，医生用陶瓷或钴铬合金等人造材料代替部分关节表面，使其余关节表面软骨保持原始状态，此时就造成了关节表面软骨与关节材料的直接接触. 当时间足够长时，部分置换中的假体会将原来保留的软骨磨损，人工关节会最终松动而失效. 半髋置换中磨损导致髋臼软骨进行性退变，进而患者会感到髋部疼痛，会再次手术翻修为全髋置换[1–2]. 同样，在膝关节置换术中，髌骨软骨经常被保留，由此导致其与骨关节表面置换的人工关节材料进行长期的摩擦接触，当长时间使用以后会导致各种并发症[3–4]，包括会造成髌骨表面软骨损伤，而且后期还会出现不断的恶化[5–6]. Forster等[7]使用天然软骨与软骨，天然软骨与金属材料分别进行配副，得到不同摩擦副的摩擦学性能，考察了软骨与人工关节材料间产生的磨损问题；熊党生等[8]用销-盘摩擦方式评价了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)与氧化铝陶瓷摩擦副在干摩擦、生理盐水、蒸馏水及人血浆润滑条件下的摩擦学特性. 钱善华等[9]对关节软骨静态加载和法向位移的影响进行研究. Schwartz等[10]使用销软骨试样与医用不锈钢作为配对进行研究. 目前人工聚合物仿生软骨有替代传统硬质关节材料的趋势，但距离临床有一定距离[11–12].

本文作者主要针对半髋置换中天然软骨的失效问题，用临床常用的陶瓷髋关节头与天然软骨配副配对进行往复旋转摩擦试验，采用改变摩擦时间、载荷、速度和润滑等条件的方法进行研究，并对表面磨损情况进行观测，以期获得天然软骨在人工关节软骨部分置换下的摩擦学性能.

  

Fig.1 Mechanism principle and photograph of friction test bench for combined motion of reciprocation and rotation图1 往复旋转摩擦试验机

1 试验部分

1.1 试验设备

目前国内外开发了许多人工关节摩擦学试验机[13–14]，它们各有特点. Forsey等[15]使用透明质酸和磷脂做润滑液，研究受损人软骨摩擦的影响，试验中使用了一种往复直线式摩擦试验装置，该方式能够有效测量往复移动的摩擦力. 本研究参考上述研究成果建立往复摩擦试验机，利用现有往复运动试验机经过改造得到往复旋转运动，改造方案已申请并授权发明专利[16].往复滑动式的摩擦在人工关节材料领域中球和盘或平面间的点接触方式比较常见，还有圆柱与盘或平面间的线接触方式，再就是平面与平面的接触方式，也包括曲表面间的接触. 本试验研究中，软骨表面本身是曲面且曲率较大，陶瓷关节球头也是曲面，因此可以看成是两个曲面间的接触方式.

往复摩擦试验中，通过水平测力杆的杠杆作用增加摩擦力值，力传感器在水平测力杆后部感测放大后的摩擦力，通过接口线路将电信号放大后传递到上位计算机处理和显示，用计算机软件计算某个时间点的摩擦力值，通过公式μ=f/N得到摩擦系数的值.

1.2 试样制备和检测

本文试验中使用的是髋关节陶瓷球头(BIOLOX®forte, CeramTec AG，Germany)，材料是三氧化二铝，粗糙度小于 0.02 μm，直径为28 mm. 用直径为9 mm的牛关节软骨销与陶瓷球头配对试验.

软骨试样用牛龄18个月左右牛膝关节软骨. 从市场购买新鲜牛关节，保证一小时内在试验室解剖并用空心钻取样，取样时一直用生理盐水冲洗关节表面，保持关节表面处于润湿状态和降温，选取关节平整表面的软骨销留存备用. 得到直径为10 mm左右的销试样，基质骨保留4 mm左右与试验机夹头连接.

“你撒谎，明明是你撞死了我哥哥，还想嫁祸夏冰，你还想欺骗我到什么时候？我最恨欺骗我的人。”说着，雪萤再一次举起匕首。

玉米秸秆低温高效降解菌GF-20的应用效果研究…………………………………………… 胡万吉，孙继颖，青格尔，胡树平（64）

  

Fig.2 Schematic illustrations of test results图2 测试结果截图

  

Fig.3 Schematic illustration of cartilage sample图3 软骨销试样图

  

Fig.4 Surface roughness (Ra) measurement图4 表面粗糙度测量图

 

表1 试验参数Table 1 Test parameters

  

Sample Load/N Speed/(mm/s) lubricant 1 10 10 RS 2 22 20 HA (2.5 g/l)

1.3 试验步骤

粗糙度变化如图9所示，在120 min往复旋转摩擦运动中，表面粗糙度根据润滑条件而变化. HA溶液摩擦试验后，表面粗糙度略有增加. 然而，在生理盐水溶液下，表面粗糙度变化略大.

试样检测采用环境扫描电子显微镜(ESEM)，为美国FEI公司的产品，电镜自带荷兰生产的Genesis型能谱仪(EDX)，本试验中对表面颗粒用EDX进行测试.试验中ESEM压力在80.0～133.3 Pa范围，加速电压为20 kV. 采用TR100表面粗糙度仪对表面粗糙度的表面进行检测，该型粗糙度仪为北京时代集团生产，具有高精度和便携性的特点. 为保证粗糙度测量精度，规定了表面测量线具体位置，如图4所示，选用十字交叉取线方式进行测量.

2 结果

2.1 关节软骨与陶瓷球头材料的摩擦性能

2.1.1 因素影响和粗糙度变化

从上述公式中可知当试验中载荷增大时，接触半径r和表面变形深度H都将变大. 结果使得软骨与陶瓷球头的接触面积变大，这将减小接触面的应力集中，而且软骨表面由于变形将会更光滑，即软骨接触面粗糙度降低，这些都会导致软骨与陶瓷球头之间摩擦系数降低. 在Katta等[24]研究中，发现天然软骨之间做往复摩擦运动时，随着载荷从0.2 MPa提高至0.4 MPa摩擦系数降低.

  

Fig.5 Effect of load on friction coefficient图5 载荷对摩擦系数的影响

  

Fig.6 Effect of sliding speed on friction coefficient图6 速度对摩擦系数的影响

  

Fig.7 Effect of lubrication on friction coefficient图7 润滑对摩擦系数的影响

2.1.2 长期摩擦试验

图8中是两种不同润滑状态下，软骨与陶瓷球头在120 min往复旋转摩擦中的摩擦系数. 由图8中可知，软骨与陶瓷球头在两种润滑条件下，都经历了摩擦系数首先快速上升然后再缓慢上升的过程，其中前30 min摩擦系数上升较快. 以透明质酸为润滑的摩擦副在120 min内的摩擦系数始终小于以生理盐水为润滑的摩擦副.

随着人们对环保意识的增强以及国家政策的要求、移动破碎筛分设备在城市建筑垃圾、矿山等方面应用越来越广泛。

  

Fig.8 Frictional traces for a long duration test图8 长期摩擦试验结果

2.1.3 软骨表面粗糙度

至少胡人把胡葱引到了柴米河。第一次见到胡葱，没人敢吃，这玩意像蒜，又不像，剥开它一层层的鳞片，把人辣得眼泪直淌。还有人打赌，胡葱有心。但把鳞片剥光了，也没见着心。

往复旋转摩擦试验的具体参数可根据试验机往复运动的设计参数进行换算. 已知往复移动平台速度为10 mm/s，则根据传动机构参数和球头直径可知球头旋转速度为0.312 5 rad/s，往复球头转动周长为12.25 mm，对应角度幅度为50.15 rad. 试验中所用载荷、速度和润滑三个因素列于表1中. 本研究中所用载荷对应接触应力在1 MPa以内，属于人体运动过程中低载荷情况[17–18]. 由于性别和年龄的多样性，人尸体关节软骨差异较大，为保证试验结果准确性，因此用牛天然关节软骨代替人关节软骨进行相关摩擦学研究，牛膝关节软骨在运动时承受的应力在0.5～4.0 MPa范围[19]，能承受本研究中的试验载荷. 研究采用3因素2水平方式正交试验方式，测量3 min时摩擦系数，长期摩擦试验用时120 min，试验配置方式与以往软骨与不锈钢摩擦试验类似[20]，对摩擦后的表面状况进行观察. 润滑液体采用生理盐水(RS)和透明质酸(HA)进行试验比照，HA的分子量约2×106 Da，为正大集团生产，专门用于医药和食品领域，溶液浓度参考了人体关节液中透明质酸的浓度.

2.2 磨损观察

在生理盐水润滑时摩擦系数较大，长时间摩擦导致天然软骨表面发生破坏，图10是试验磨损之后的软骨表面. 由图10中可以发现，软骨表面已经显露出凹凸不平的结构，试样表面有许多大块磨损颗粒出现，有些软骨表面区域出现一定破损. 磨损颗粒大小不一且形状不规则，颗粒直径最大可达5～8 μm，磨损颗粒更多的散布在磨损区域周围.

摩擦学试验中运动方式具有很大影响[27–29]，销盘运动也曾用于研究天然软骨与陶瓷材料间的摩擦，如Patel和Spector[30]采用软骨销与陶瓷盘接触的方式，研究了天然软骨与陶瓷材料间的摩擦性能，发现天然软骨与陶瓷材料间的摩擦系数低于天然软骨与医用钴铬合金材料间的值，表面发现了大量的磨损，在表面一边出现大量磨损材料的聚集. 本研究中采用的是天然软骨与陶瓷球头间往复摩擦，而且陶瓷球头是在做往复旋转运动，而且是高副接触，但表面磨损并不严重，表面粗糙度的变化并不大，这表面运动方式的改变对半髋关节材料的摩擦学表现十分重要. 目前软性多孔水凝胶类材料被研究用于代替半置换中的陶瓷硬质材料[31–32]，但测试结果距离临床要求还有一定距离，多孔水凝胶类材料的疲劳破坏更加剧烈且使用时间更短，因此，如何利用得到的摩擦特性和摩擦机理改进目前临床所用陶瓷和钴铬材料的摩擦性能将是下一步的研究重点.

  

Fig.9 Surface roughness(Ra, μm) of articular cartilage plates before and after tests图9 软骨表面粗糙度的变化

3 讨论

天然软骨材料与人工关节材料配对试验对人工髋关节和膝关节非完全置换提供理论和实际指导.Northwood等[21–22]用天然软骨与天然材料和人工材料进行配对试验，包括软骨、不锈钢、水凝胶和硅橡胶，得到了它们的往复运动摩擦学性能，提出将来可能从表面结构，以及力学性能等诸多方面进行改进，这对揭示不同配对方式的摩擦机理具有指导意义. 相关研究中，天然关节软骨的力学性能是影响结果的重要因素，如陈凯等[23]研究发现，天然软骨表面液相流动、孔隙压力和应力分布等，都对天然软骨材料的承载能力具有很大影响. 本研究中软骨与陶瓷球头在试验中的接触属于球面接触，根据赫兹接触原理，接触区域将是以接触中心为圆心的接触圆，接触压力呈椭圆形分布. 根据赫兹分析，接触半径为

企业知识型员工无论是成就需要、控制源还是自我效能感的人格预测变量，对人际关系的预测均高于对任务绩效和工作奉献的预测，分析原因可能是由于我国传统文化一贯重视人际关系，与人为善。工作环境要融洽，不要严格；人际关系要简单，不要复杂，这样的企业文化将有利于员工把精力投入到工作中，提高工作绩效，创造更多劳动成果。而知识型员工要求获得尊重的需求非常强烈，建议企业的管理者积极创造“以人为本”的企业文化，尊重员工、平等沟通，注重人情味，做到事业留人、感情留人和文化留人。给予员工家庭归属感，帮助员工职业成长，创造和谐、健康、团结的企业文化环境。

 

其中等效曲率或复合曲率为

 

软骨与陶瓷球头在往复摩擦条件中存在磨粒磨损和表面疲劳磨损两种磨损方式，与软骨与不锈钢摩擦副的磨损方式类似. 在软骨与陶瓷球头摩擦副中，陶瓷球头的弹性模量要远大于软骨的弹性模量. 随着试验进行，软骨中固相承载逐渐增大，摩擦副表面微凸体间应力逐渐增大. 当微凸体与陶瓷球头表面形成有利攻角时，在剪切力作用下发生显微切削，形成磨屑，当微凸体与陶瓷球头表面形成不利攻角时，磨损过程中软骨表面会形成很大的变形，在微凸体的犁沟作用下，软骨表面材料很容易被磨掉. 在往复旋转的循环应力作用下，当软骨表面变形达到一定程度时，就会产生裂纹，并最终导致软骨表面的疲劳磨损，如图10和图11中所示.

 

图5中给出了软骨与陶瓷球头间的摩擦性能受载荷影响. 由图5可知，在试验载荷范围内，载荷越大，导致摩擦系数相应减小. 比如速度约10 mm/s时，载荷增大后摩擦系数从0.068变为0.049. 图6给出了软骨与陶瓷球头间摩擦性能受运动速度的影响. 由图6可知，相同载荷和润滑条件下，随着运动速度的提高软骨与陶瓷球头之间摩擦系数在增大. 当载荷为10 N时，速度从10 mm/s增至20 mm/s时，在生理盐水的润滑下摩擦系数从0.068增至0.093. 图7是润滑对软骨与陶瓷球头之间的摩擦性能影响的结果. 从图7中结果可知，摩擦副以透明质酸为润滑剂时的摩擦系数，在相同的试验条件下均低于以生理盐水润滑的结果.

近年，一些地市成立了城市防汛抗旱指挥部，协调指挥全市防洪减灾工作，但这些城市同时设立城市防汛抗旱指挥部和城市防洪指挥部，存在城区防洪工作多头管理的现象。防汛机构尚未延伸至基层组织，城市街道、社区和企事业单位等基层防汛机构存在人员和设施不足、岗位和职责不清等情况。城市防洪应急管理涉及水利、交通、电力、气象、城建、园林、市政、城管等多个部门，部分工作交叉重合，以上这些情况都容易导致城市防洪应急管理中出现职责交叉、衔接不顺甚至管理缺位。

  

Fig.10 ESEM micrographs of worn bovine cartilage after test图10 牛软骨试验后ESEM照片

在Krishnan等[25]研究发现，软骨材料摩擦系数与软骨中液固相的相互作用有关，具体表现为液体在多孔介质中隙间压力的变化，以及由此导致的软骨液相承载能力变化. 当关节软骨和陶瓷球头接触并承受载荷后，表面微凸体和微凹坑的相互接触区属于小部分名义接触面积. 相互摩擦的表面间会保持凸峰及凹谷的相互接触和变形，在相互作用中，较高的凸峰容易发生弹性变形直至削平，较低的凸峰则只会发生弹性变形. 由于点面接触的往复摩擦方式中接触应力较大，因此速度的增大将会加剧软骨表面的破坏过程，摩擦距离变大而变形量增大，这会导致软骨材料两相性能的丧失，同时增大了接触面的粗糙度，试验结果中表现为摩擦系数上升.

公式中陶瓷球头和软骨的半径分别为R1和R2，施加载荷为P，E1、E2、v1和v2分别是陶瓷球头和软骨的弹性模量和泊松比. 软骨是多孔含水材料，受到载荷后易于产生变形，软骨表面发生变形的深度值为

透明质酸(HA)本身是关节滑液和软骨基质中的主要成分，发生骨关节炎会伴随有滑液中透明质酸的变性和浓度降低. Peyron等[26]较早提出将外源性透明质酸注射入人体，可用于骨关节炎治疗，并得到美国风湿学会的认可. 在本研究中，与生理盐水对比时可以发现透明质酸能有效降低摩擦系数，可见对于半髋置换中软骨与陶瓷的接触副，注射透明质酸液可以作为提高关节润滑性能并保护软骨.

图11～12给出了软骨表面能谱分析的试验检测结果. 图中可知含质量分数为3.96%的磷元素和8.05%的钙元素，含量均远超过已经测得未磨损牛软骨表面元素. 这说明在摩擦过程中，软骨表面开裂，造成软骨磨损加剧，导致软骨表面无定形层的破损，因此磨损颗粒的钙元素和磷元素含量上升很快.

  

Fig.11 Wear particles for EDX Analysis marked by “+”图11 磨粒分析位置图

  

Fig.12 EDS spectrum of wear particles图12 磨粒的分析结果

4 结论

a. 用专利技术将关节材料测试领域常见的往复运动方式变为往复旋转运动方式，用更接近生理运动方式研究天然关节软骨与陶瓷球头材料的摩擦学特性并探讨其摩擦机理.

程瀚的生活作风也是堕落不堪，他将多名女干警发展成情妇。有的情妇在局里是公开的秘密，但他并不避讳，有时甚至在酒桌上以此自夸。不过，他也有倒霉的时候，2013年11月至2014年4月期间，程瀚与一名情妇多次到合肥天鹅湖酒店开房，却被人用针孔摄像头偷拍下不雅视频。

b. 随着载荷的增大，接触半径r和表面变形深度H都将变大，将会导致接触面积变大进而减少应力集中，表面往复旋转摩擦系数将进一步降低. 速度的增大，在相同试验时间内，将会导致滑行距离增大，软骨表面变形量增大，产生的摩擦系数越高，加剧软骨表面的破坏过程，这会导致软骨材料两相性能的丧失，同时增大了接触面的粗糙度，研究中观察到摩擦系数的增大.

由表1我们可以看出，工业企业应收账款净额2013年较2012年上涨 11.19%，2014 年较 2013 年上涨 11.23%，2015 年则上涨11.46%，2016年上涨11.68%。应收账款作为企业资产中流动性较强的流动资产，长期的占用使得企业在运营过程中缺失了这部分资产为企业带来的长远利益。并且，应收账款的账龄越长，企业面临坏账风险的概率就越大。因此，企业管理层对客户信用信息管理日益重视，以实现降低企业应收账款风险的目的。

c. 透明质酸溶液作为润滑剂可以有效降低摩擦，透明质酸溶液可保护软骨，在半置换领域具有良好的应用前景. 软骨表面在试验后粗糙度有一定增大，软骨表面出现开裂现象，表面破坏体现为磨粒磨损和表面疲劳磨损两种磨损方式.

参 考 文 献

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