行业应用 | 骨-植入物摩擦学测试应用

销盘式摩擦磨损试验机：TRB3

骨-植入物界面在金属植入物与骨的整合中起着重要作用。虽然植入物和骨的力学性能通常是众所周知的，但对强烈影响术后整合的骨-植入物界面的摩擦特性仍知之甚少。从摩擦学研究开始，在其中会对髋关节植入材料与骨之间的摩擦系数在相关的生理条件下进行测量。通过带涂层的膝关节植入物在牛血清中与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)对位体间的摩擦学研究来完成的。

骨-植入物界面(图1)对骨科和牙科植入物的临床成功起着关键作用。这种植入物所需的二级稳定性依赖于广泛的骨整合，这是手术植入期间实现的初级稳定性的直接结果。尽管骨的力学特性主导着骨-植入物复合物的结构行为，但骨和植入物之间的摩擦可能有助于初级稳定性。尽管在独立试验研究中已经探索了摩擦行为，但缺乏系统的研究。为了填补这一知识空白，我们研究了施加载荷、滑动速度、材料和表面处理对普通金属植入材料对牛骨摩擦学行为的影响。这些结果有助于在术后初级阶段对骨-植入物界面进行更真实的建模。

图1 髋关节植入物的骨-植入物界面示意图

使用安东帕TRB³销盘系统在线性往复模式下进行摩擦学实验(图2)，并记录摩擦系数(CoF)。选择摩擦学测试的条件是为了模拟在术后阶段出现的实际状况。

图2 展示了带有固定骨样本的盐水浴，植入物材料样件和当作载荷的砝码等部件的摩擦设备。

测试了三种植入材料：

• 316L钢

• Ti6Al7Nb

• 纯Ti

摩擦学实验结果表明，骨与种植体之间的CoF主要取决于载荷和滑动速度。然而，它们的影响是不同的:要实现相同的CoF变化，载荷必须增加50倍，而要实现类似的CoF变化，则需要将滑动速度增加近千倍(图3)。

图3 载荷和滑动速度对316L不锈钢的-CoF的影响

图4 所有测试的植入材料和表面修饰在8 N载荷和不同滑动速度下的-CoF

材料类型(图4)和表面光洁度的影响更为明显，可以用材料固有刚度来解释。316L不锈钢的弹性模量大约是Ti合金的两倍。因此，对于相同的法向载荷，316L钢的变形小于Ti合金，这导致更小的接触面积，因此更低的CoF。

研究表明，如果测试条件与真实场景中看到的载荷和速度相似，则可以通过摩擦学实验模拟植入物与骨骼之间的摩擦行为。销盘式摩擦计可以模拟在各种接触压力下从行走到突然跌落的广泛动态条件，所有这些都是在生理相关条件下进行的。

虽然大多数金属关节植入物(髋关节、膝关节或肩部)使用无表面涂层的裸金属，但越来越多的植入物上使用涂料。植入物上加涂层主要有两个原因:

• 改善骨整合

• 预防金属离子释放进体内引起的过敏反应

在第二项研究中，重点研究了具有坚硬陶瓷涂层表面的植入物，旨在防止离子释放。这些涂层通常是由钛或锆的氮氧化物构成的，其厚度通常在一到几微米的范围内。由于植入物的涂层部分(股骨上的假体部分，图5)在功能上取代了关节，因此它们与对位体保持移动接触。了解接触面(UHMWPE与涂层之间)的摩擦系数是很重要的。

图5 膝关节植入物示意图:股骨上部由涂层金属制成，胫骨下部由UHMWPE制成

为了评估这些材料，我们测量了几种带有不同涂层的膝关节植入物的摩擦系数。使用安东帕TRB³销盘式摩擦计的线性往复运动模式测量摩擦特性-见图6。所有实验均在室温下的小牛血清中进行。

图6 用于测量带涂层的膝关节植入物在牛血清中与UHMWPE对位体之间摩擦系数的摩擦计设备

经过几次初步试验，我们发现~2h50min的实验时间(对应于450米的滑动距离)足以稳定摩擦系数:之后只观察到CoF的微小变化。对于某些涂层和基材，能观察到初始磨合阶段，但通常在第一个~50 m后摩擦系数稳定。图7所示为所有测试样品的CoF演变的对比，测量的带涂层(和不带涂层的CoCrMo基底)样品的摩擦系数与Barceinas-Sanchez在中发表的结果非常吻合。其结果如图8显示。

图7 带涂层和不带涂层的膝关节植入物与UHMWPE间的摩擦系数随时间的演变

图8 膝关节植入假体的摩擦系数

在现实条件下，带涂层和不带涂层的金属膝关节植入物的摩擦行为的简单台式摩擦学研究结果表明，带涂层的植入物的摩擦系数与不带涂层的植入物相似，甚至更低。特别令人感兴趣的是Ti6Al4V的CoF明显高于所有其他测试材料体系。因此，销盘式方法可以成为一种快速有效的工具，用于初步筛选金属植入物的摩擦性能。