毕业设计（论文）-钛合金与UHMWPE界面间的往复摆动.doc

本科生毕业设计姓 名： 学 号 学 院： 材料科学与工程学院 专 业： 材料科学与工程 设计题目： 钛合金与UHMWPE界面间的往复摆动 摩擦磨损特性研究 专 题： 指导教师： 职 称： 教授 职 称： 教授 年 月 摘 要在颈椎退变的治疗中，人工椎间盘置换术（TDR）具有保持手术节段正常活动度和稳定性、改善邻近椎间隙内压力、减少邻近节段新发病率等优点，被认为是最有发展前景的脊柱生物力学重建技术。TDR使用的人工颈椎间盘中，球窝型人工椎间盘作为最常用的一种，其关节面间的摩擦磨损是影响TDR的重要因素。本文选用Ti6Al4V合金(TC4)窝和超高分子量聚乙烯（UHMWPE）球为配副材料，研究球窝型摩擦副在不同生物介质中往复摆动摩擦磨损性能。往复摆动角度分别为±2.5°、±5°、±7.5°，接触载荷分别为50N、100N、150N，润滑条件分别为干摩擦、模拟体液和小牛血清。利用摩擦副间摩擦系数变化、光学表面形貌、UHMWPE的磨损量和磨屑粒度等分析其磨损机理。结果表明：摩擦副的磨损随往复摆动角度和接触载荷的增大而加剧。干摩擦条件下摩擦副的磨损状况最严重，钛合金的磨损以磨粒磨损和氧化磨损为主，UHMWPE的磨损以粘着磨损和磨粒磨损为主；在模拟体液、牛血清润滑条件下，摩擦系数、磨损量和表面擦伤均有不同程度的降低。润滑条件下磨损机理以粘着磨损和磨粒磨损为主，并存在少量的氧化磨损。关键词：人工椎间盘； 钛合金； 超高分子量聚乙烯； 往复摆动； 摩擦磨损特性 ABSTRACTTotal disc replacement (TDR) can be used to replace a degenerated intervertebral disc in the spine. Its a motion preservation device which can improve pressure within the intervertebral space adjacent and reduce a high incidence of adjacent disc degeneration. Therefore, TDR is considered as the most promising spinal biomechanics reconstruction. One important part used in TDR is artificial cervical disc. Among current designs, ball-and-socket combination is one of the most common artificial cervical discs. The friction and wear between the bearing surfaces were significant factors influencing TDR. The present work attempts to explore the friction and wear properties of ball-and-socket combination in various biological media under jigging motion conditions, using titanium alloy socket and ultra high molecular weight polyethylene (UHMWPE) ball. The tribological tests were performed at the swing angles of ±2.5°，±5°and±7.5°, under the contact loads of 50，100and 150N, in SBF and new born calf serum lubrication condition, respectively. The friction coefficient，wear rate，worn shape characteristic and wear debris were measured to analyze the wear mechanisms.The results reveal that the wear amounts of ball-and-socket combination increases with the increasing of angles and loads and are the worst under the dry friction. The wear mechanisms of titanium are mainly the combination of abrasive wear and oxidation wear, while the wear mechanisms of UHMWPE are the combination of adhesive wear and abrasive wear. Compared to the dry condition, the friction coefficient and wear rate both decreased under saline and serum lubrication conditions. And the wear mechanisms present primarily adhesive wear combined with little oxidation wear. Keywords：Artificial disc; Titanium alloy; UHMWPE; Jigging motion; Friction and wear properties目 录1 绪论11.1研究背景11.1.1骨关节疾病11.1.2颈椎病及其治疗11.2人工颈椎间盘研究现状21.2.1人工椎间盘21.2.2人工颈椎间盘材料21.2.3人工颈椎间盘的失效41.3球-窝型人工颈椎键盘往复摆动研究意义51.4研究内容52 实验材料和实验方法62.1 实验材料62.1.1实验材料62.1.2试样形状72.1.3 UHMWPE试样制备72.1.4 Ti6Al4V试样制备72.2 实验仪器82.3实验设备改装92.4 实验方案102.5 实验步骤113 钛合金球窝与UHMWPE球往复摆动磨损机理研究123.1 往复摆动摩擦系数的变化规律123.1.1润滑条件对摩擦系数的影响123.1.2摆动角度对摩擦系数的影响143.1.3接触载荷对摩擦系数的影响153.2磨损量153.2.1润滑条件对磨损量的影响153.2.2接触载荷对磨损量的影响173.2.3 UHMWPE球面的粗糙度173.3 TC4磨痕形貌分析183.4磨屑尺寸分布213.4.1 润滑条件对磨屑尺寸的影响213.4.2 摆动角度对磨屑尺寸的影响223.4.3 接触载荷对磨屑尺寸的影响234 结 论24参考文献25翻译部分27英文原文27中文译文39致 谢49毕业设计（论文）第48页1 绪论 1.1研究背景1.1.1骨关节疾病随着社会的发展与科学技术的进步，人类越来越重视自身的生命健康质量1。但是目前仍有百万计的患者承受着骨关节炎、关节损伤等疾病带来的行动不便、关节疼痛的折磨，而且这一趋势向着年轻活跃的人群扩散，并已成为严重危害人类生命健康质量的重要因素之一。骨关节炎、心血管疾病和癌症被世界卫生组织（WTO）列为威胁人类生命健康的三大杀手。骨关节炎又被称为不死的癌症。1998 年WTO统计数据显示，世界约有3.55亿骨关节病患者，平均25人中就有一例关节炎患者，而亚太地区则是平均10人中就有1例。北京大学2011年骨关节国际论坛指出当前中国约有1.3亿患者被不同程度的骨关节病困扰。据调查2，每年全世界需要更换关节的人数高达4000-6000万。人工关节置换是指采用生物相容性、耐蚀性与机械性能良好的材料制成类似人体骨关节结构的假体，来替代病变或损伤的关节并恢复其功能或修复肢体长度等目的3。早在1963年John Charnley利用不锈钢材料制作关节头，以聚四氟乙烯（PTFE）制作髋臼，用聚甲基丙烯酸（骨水泥）固定，形成Charnley型低摩擦全髋关节假体，来治疗类风湿性髋关节骨性关节炎，奠定了现代人工关节置换术的基础4。从此，人工关节置换技术迅速发展，逐渐成为恢复患者关节功能和解除患者痛苦的重要医疗手段。1.1.2颈椎病及其治疗颈椎病是一种由于椎间盘退行性病变而导致的脊柱疾患，已成为显著影响生活质量的常见病和高发病。随着人口老龄化、更多人长期伏案面对电脑、车祸频发造成的颈椎损伤逐年增加，颈椎病发病率快速攀升。颈椎病一般是中老年人的一种多发病，4060岁为高发年龄，而70岁以后患病率达90%5。但近年来的研究表明,颈椎病患病率呈现年轻化趋势，目前我国发病率约为7%-10%6，30岁以下青年但改变了颈椎的正常生物力学环境，导致病变节段生理活动度丧失，相邻节段运动及负荷增患者已占到总患病人数的11%7 。在颈椎退变的治疗中，颈前路减压融合术（ACDF）见效快、疗效好、手术简单，加从而使术后临近节段退变加速8。研究发现融合术后有约25.6%的患者术后10年内出现邻近节段继发病变，在长达21年的随访中，14%的患者需再次手术9。为解决减压后的不稳，维持椎间隙高度，并保留椎节间适度生理活动，受髋关节置换术启发，人工椎间盘置换术（TDR）应运而生。与ACDF相比，TDR具有保持手术节段正常活动度和稳定性、改善邻近椎间隙内压力、减少邻近节段新发病率等优点，被认为是最有发展前景的脊柱生物力学重建技术10。而TDR使用的人工颈椎间盘，则理所当然地成为国际研究开发的重点和热点。图1-1 正常的椎间盘和病变的椎间盘1.2人工颈椎间盘研究现状1.2.1人工椎间盘按照界面不同人工颈椎间盘可以分为：（1）金属对金属假体，如 CerviCore、Bristol 和 Prestige 假体；（2）金属对聚合物假体，如 Bryan 假体、ProDisc-C 假体和 Porous Coated假体。美国等医疗器械生产大国长期投入大量资金开发出多款人工颈椎间盘，其中最成熟、应用最广泛的运动设计为固定球-槽关节（以Discover为代表）。Discover以超高分子量聚乙烯（UHMWPE）构成球部关节并固定于下终板，上终板采用特殊加工工艺形成高抛光度凹面，上终板与球部髓核间形成关节配合。该设计可较好保留颈椎自然生理运动（屈曲伸展、侧屈、旋转），上下终板形状尺寸和整体高度可设计成多个系列，更好的满足个体差异，手术过程快捷简便安全。国内开展TDR手术已有近20年历史，已有大量临床病例，但遗憾的是所使用的产品全部为进口。由于人工颈椎间盘研发的技术门槛很高，普通企业很难具备多学科交叉的完整研发能力，目前尚没有任何国产人工颈椎间盘进入市场。然而，随着脊柱非融合技术的快速发展，TDR术的日益普及并广泛认可，国人颈椎病的发病率持续攀升，开发国产化的人工颈椎间盘产品已势在必行。1.2.2人工颈椎间盘材料人工关节采用生物相容性、耐蚀性与机械性能良好的材料制成类似人体骨关节结构的假体，以代替病变或损伤的关节并恢复其功能11。生物材料应该满足以下一些条件：1) 良好的生物相容性。生物相容性是指材料在生理环境中，生物体对植入材料的反应和有效作用的能力。2) 良好的生物摩擦学性能。这主要是要求材料有相对较低的摩擦因数，和良好的耐磨能力和低的磨损颗粒生成率，从而保证置换假体有较长的使用寿命；近来，由于磨粒细胞反应的发现，人们还关注材料磨粒的性质，如大小与形态。同时，生物材料还应具有良好的工艺性能，包括表面处理和强化的工艺性能。3) 良好的耐腐蚀、耐疲劳性能。植入物材料多用于受力复杂的负重植入体，如人工关节必须保证整个关节的安全承载能力至少大于7倍体重，在负重情况下，植入体同时承受拉、压、扭转、剪切、疲劳的综合作用，因此要求假体材料必须有足够的强度、硬度、韧性、塑形等整体性能。4) 良好的生物力学相容性12。5)良好的生物结合性能；这主要是要求人工生物材料与周围生物骨组织结合良好13，使用过程中不发生凸出、下沉和相对的移动。6) 一定的可降解性。主要是考虑生物材料长期使用过程中，形成的磨损颗粒可以被周围的组织吸收，另可进一步设想，所使用的生物材料可以逐渐被人体再生骨组织所替代。国外已进入临床实验的人工颈/腰椎间盘假体主要材料配对有钴铬合金-钴铬合金、不锈钢-不锈钢、钴铬合金-UHMWPE、钛合金-UHMWPE、陶瓷-陶瓷，每种材料均有待改进之处：金属-金属配对（不锈钢和钴铬合金）耐磨损性能尚可，但金属离子长期释放的影响不容忽视；全陶瓷假体的全面应用则仍需克服严重的破裂风险；而钛合金-UHMWPE材料配对，因具备合适的硬度弹性，影像学性能优异（脊柱手术对影像学有高要求），是目前最常用和最有前景的人工椎间盘关节材料14。金属材料应用最早，而且在目前临床中的应用也最为广泛，金属材料在生物医学方面主要用来修复骨骼、关节、牙齿以及血管等，目前最主要的金属材料有不锈钢，形状记忆合金，钛合金和钴基合金。如今用于生物材料的不锈钢多为316L奥氏体不锈钢，主要用作关节柄和关节头材料，但临床表明316L不锈钢植入人体后，在生理环境中，有时会产生缝隙腐蚀或摩擦腐蚀以及疲劳腐蚀破裂15等问题，从而引起假体松动，并且会因摩擦磨损等原因释放出Ni2+、Cr3+和Cr5+金属离子，特别是镍离子可能引起人体金属过敏问题，最终导致植入体失效，其弹性模量远高于人体自然骨，其产生的“应力屏蔽”往往导致骨质疏松和骨吸收，我国已禁止不锈钢作为假体材料16。常用的钴基材料是铸造钴铬钼合金17，与不锈钢比具有优越的耐腐蚀性、耐磨性，强度高、弹性模量低等优点。但该材料会造成组织中的Co、Cr离子浓度升高，引起过敏和毒性反应，从生物相容性的角度考擦，钴基材料不是理想的假体材料。钛合金是人工颈椎间盘首选金属材料18,19，这是因为相对于其他金属材料，钛合金的生物相容性更优，耐腐蚀性强、机械强度更高，同时弯曲强度只有不锈钢和钴铬钼合金的一半，扭转、轴向强度更接近骨骼，应力遮挡较小，更重要的是因颈椎部位神经血管较为密集，对术后成像特性要求高（MRI，CT），相对于钴铬合金与不锈钢，钛合金具有极佳的成像性能。但不良的摩擦学性能限制了进一步的应用。钛基材料的研究主要集中在采用表面改性技术提高其摩擦学性能和开发不含Al、V的新型钛系生物材料。第一代使用的钛合金主要是纯钛和T-6Al-4V(TC4)合金。为避免内固定植入物的断裂失效，提高植入物的强度，国外采用了高强度T-6Al-4V（ISO5832-3）合金代替纯钛，该合金在室温下组织为+两项混合组织，通过固溶和时效处理，可显著提高其力学性能。目前80以上钛合金植入物产品都使用这种合金。虽然T-6Al-4V(TC4)合金具有优异的性能，但其耐磨性差，V元素可引起恶性组织反应，可能对人体产生毒副作用20，而且其弹性模量与自然骨相比依然很大，容易产生应力遮蔽，导致植入物周围出现骨吸收，最终引起植入物松动或断裂导致植入物失败21。第二代钛合金是+型钛合金。以德国开发的Ti-6Al-2.5Fe和瑞士的Ti-6Al-7Nb合金为代表，其中Ti-6Al-7Nb（ISO5832-11）合金的临床应用更为成功22 。20世纪90年代以来，在钛合金植入体材料的临床应用方面，不断的有关于Al对人体存在潜在危险的报告，认为Al会引起骨质疏松和精神紊乱等病症23。第三代钛合金生物相容性更好、弹性模量更低、不含V和Al的型钛合金24。目前已被临床允许采用的该类钛合金有Ti-13Nb-13Zr合金和 Ti-12Mo-2Fe合金25。在传统钛合金获得广泛应用的基础上，其他新型钛合金植入物材料的研究也取得了快速发展，如多孔钛合金、钛合金复合材料等，这类钛合金主要以改善其生物相容性，提高生物活性为目的，虽然尚处于临床研究阶段，但该类新型钛合金所展示的发展前景是令人乐观的。超高分子量聚乙烯UHMWPE ( ultra high moleculr weight polyethylene ) 分子式:（CH2CH2）n，它的分子结构和普通高密度聚乙烯(HDPE)完全相同，是没有侧面分支的长链型的线性结构聚合物。通常以晶区和非晶区两相的形式共存，其中晶区有稳定的正交相和亚稳的单斜相，分子构相均为平面锯齿形26。另外，UHMWPE的相对分子质量比普通高密度聚乙烯的要高得多，普通的高密度聚乙烯的分子质量约在（230）×104的范围内，而UHMWPE则具有106以上的分子量，UHMWPE是一种线型结构的热塑性工程塑料，具有一般高密度聚乙烯所不能比拟的一系列优异性能27。在医学上也表现出良好的生物相容性，作为使用最广泛的植入物摩擦副材料，已成功用于人工膝关节的衬垫和人工髋关节的髋臼等。由粉末冶金技术衍生的挤压成型方法生产出来的产品韧性更强。UHMWPE是典型的生物摩擦材料，然而，UHMWPE临床使用所面临的磨损及磨粒引发的溶骨反映所导致的假体松动问题却一直难以解决，假体松动不仅直接影响人工关节的使用寿命，而且临床上关节假体的下沉或断裂等问题也多由松动引发。就目前人工关节材料的研发技术而言，尚不可能完好的解决UHMWPE使用中的磨损问题，在未发现比UHMWPE更好的有机高分子材料的情况下，UHMWPE的使用仍将持续相当长的时间。第二个问题是长期蠕变，蠕变结合摩擦的复合作用同样是引发人工关节失效的重要因素。因此，提高UHMWPE的耐磨性能和抗蠕变性能或开发相匹配的低摩擦少磨损的新型关节材料是材料学与临床医学所面临的共同挑战。UHMWPE的表面改性主要是利用表面处理技术，改变其表面分子结构、物理和化学特性，达到提高抗磨损性能和生物力学相容性，解决磨粒引发的生物学问题等目的。交联改性UHMWPE、离子注入UHMWPE和UHMWPE的填充改性是目前主要的改性方法。1.2.3人工颈椎间盘的失效人工椎间盘假体在植入人体后，同时承受拉力、压力、扭转和界面剪切力以及疲劳、磨损、腐蚀的综合作用，严重影响着人工椎间盘置换后的效果及寿命28。临床研究发现，假体在人体复杂力学/生理环境下，关节面材料出现不同形式的摩擦磨损，产生一定量磨屑。各种磨损微粒与骨组织作用诱发炎症反应，致使假体周围骨溶解和骨吸收，最后出现假体松动，导致假体寿命严重不足29,30。人工关节长期使用导致的无菌性松动是导致人工关节置换术失败的主要原因31。因此，研究人工椎间盘材料界面间的磨损机理对改进假体材料、优化假体设计、完善手术操作技术以延长假体的生命周期具有重要的意义。1.3球-窝型人工颈椎键盘往复摆动研究意义人工颈椎间盘植入人体后，由于体内环境的复杂性，人工颈椎间盘配副的磨损行为变幻莫测，而且目前无法进行在线检测其磨损状态。由于对磨间的相互作用，人工颈椎间盘配副在体内服役的过程中，部分基体会出现挤压、脱落、剥离现象，而形成磨屑。不同形态、尺寸、成分的磨屑可以反应人工椎间盘不同的摩擦磨损行为和机理，而且研究表明磨屑是造成人工颈椎间盘松动的主要原因。因此，对获得的磨屑形态分析可探明人工颈椎间盘在体内的摩擦磨损趋势。根据人体颈椎人工关节的运动形式，选用钛合金和超高分子量聚乙烯进行体外模拟实验，是为了研究球窝形人工颈椎间盘的往复摆动摩擦磨损机理。 只有掌握了磨损量随磨损过程的规律，才能准确的预测其体内的磨损的情况，进而有效的预防并发症的发生，为临床术后提供指导，从而可以减轻患者的心理和经济压力。1.4研究内容本文以钛合金球窝及UHMWPE球为研究对象，分别研究球窝型人工椎间盘在不同摆动角度、不同轴向载荷和不同润滑条件的摩擦磨损特性。主要包括以下研究内容：1）根据人体颈椎人工关节的运动形式，分析可能影响实验的因素，由影响因素设置实验方案。2）钛合金球窝及UHMWPE球头关节配副的制备，然后在改进后的膝关节试验机上进行往复摆动摩擦磨损实验。3）对试验后钛合金球窝及UHMWPE球头关节配副关节配副的表面形貌，磨屑，磨损量以及摩擦系数进行分析。4）根据实验结果，分析球窝型人工椎间盘摩擦副在不同条件下的摩擦磨损特性。2 实验材料和实验方法2.1 实验材料2.1.1实验材料本实验采用目前人工关节材料中常用的两种材料：钛合金TiC4和超高分子量聚乙烯。润滑生物介质选用模拟体液、小牛血清（浓度为25%±2%）。钛合金TiC4（符合国标GB/T 13810-2007），化学成分及相关性能见表2-1和表2-2。表2-1 Ti6Al4V的化学成分TiAlVFeCONH基体6.24.30.200.010.080.010.003 表2-2 TiC4 合金的室温力学性能拉伸强度/MPa屈服强度/MPa延伸率断面收缩率高倍组织96589517%41%A3选用医用超高分子量聚乙烯（UHMWPE）粉末以真空热压成型方法制备UHMWPE试样，UHMWPE粉末的相对分子质量为6×10 6g/mol，密度0.935g/cm3，熔点为125-138，粉末颗粒成类球形，平均粒径为18.43m。UHMWPE主要物理性能如表2-3。表2-3UHMWPE的主要物理性能物理性能具体参数密度(g/cm3)0.935-0.940断裂强度(N/cm2)2900断裂伸长率(%)300熔点(°C)135热变形温度(°C)80硬度(HRB)40吸水率(%)<0.01热膨胀系数(10-4/°C)1.5体积电阻(SL-cm)1017-18介电常数2.3脆化温度(°C) <-802.1.2试样形状往复摆动试验中，球试样选用UHMWPE，试样表面粗糙度Ra为1.502.00m。窝试样选用医用Ti6Al4V材料，表面为镜面，试样表面粗糙度Ra为0.030.04m。图2-1示出了往复摆动磨损试验时上下试样的尺寸和接触形式，图中尺寸标注单位为mm。图2-1 试样尺寸和接触形式示意图2.1.3 UHMWPE试样制备使用的实验设备为真空热压烧结炉2T-40，整个系统由以下几部分组成: (1) 炉体，(2) 压缩空气系统，( 3)水冷却系统，( 4) 液压系统，( 5) 真空系统，( 6)加热系统，(7) 气体循环冷却系统。试样制备主要过程及参数：1）准备阶段：开电源，电脑开机械泵（15s）放气阀（指示0）关放气阀关机械泵放样；2）调压阶段：开机械泵上碟阀气压表（指示0）开液压泵调压，使液压稳定到最小（1t）油缸上升，3）加热阶段：电流（0.2KA升温至160时电流调至0.1KA升温至180（4）保温阶段：油缸下降油缸停关液压泵保温1.5h4）降温阶段：开液压泵调压至最小油缸上升关加热等待降温至50油缸停，液压最小下降，停关液压泵；5）结束阶段：油缸下降油缸停关液压泵开放气阀（指示0）关放气阀关机械泵取样。2.1.4 Ti6Al4V试样制备将Ti6Al4V钛合金棒机械加工成圆柱形带窝试样。抛光球窝表面粗糙度至Ra为0.030.04m。加工完成后的试样如图2-2所示。图2-2试样加工完成后的实物图2.2 实验仪器本实验采用的实验仪器及其用途如下：1）真空热压烧结炉2T-40：压制超高分子量聚乙烯上试样，最高温度2000，工作区尺寸200×350，极限真空度6.67×10-3Pa。2）BP211D的精密电子天平：精度为1×10-5/1×10-4g，该精密天平的精度和尺寸已完全满足本实验的要求。3）JB-4C精密粗糙度测试仪：上海泰明光学仪器有限公司制造，测量取样长度内的表面轮廓算术平均偏差Ra，分析试样接触面磨损前后表面粗糙度的变化，以表征材料的磨损情况。4）瑞士梅特勒-托利多FBRM在线粒度仪：该仪器可以在原位条件下在线追踪磨屑的粒径、粒数及形状的变化，而不需要取样或制样，粒径的测量范围是0.5um-1mm,本实验测量了设定的几种条件下磨屑的粒径变化，搅拌转速为100r/min。5）高速度数码显微系统：使用光学显微镜对磨痕的整体形貌进行观察，研究磨损机理。6）Prosim膝盖模拟器：该模拟器一个生物机械的疲劳负载模拟器，可用于多达六组种植体的同步测试。每个位置都有三个运动驱动轴，被称为前后缘（AP），胫骨转动（TR）和曲伸（FE）及一个载荷轴（轴力（AF）。每个都可以按照用户自定义的位置/载荷数据表去编程。模拟器的曲-展角度垂直方向从-90°到+90°，最高转速为183°/秒，可重读度为正负0.5度。轴向力04500N。如图2-3（a）。7）无纸记录仪：用来采集传感器的电压信号。如图2-3（b）。 （a）Prosim膝盖模拟器 （b）无纸记录仪 图2-3 Prosim膝盖模拟器和无纸记录仪2.3实验设备改装本文采用改装后Prosim膝盖模拟器测试钛合金和超高分质量聚乙烯试样的摩擦磨损性能。自制夹具，设计上夹具的长度要和上试样尺寸配合以保证摆动式的对心，夹具材料选用不锈钢，以防止在实验过程中夹具腐蚀而影响实验结果，下夹具和力传感器相连接收集数据图2-4为改装后的膝关节试验机摩擦磨损实验原理图（a）改装部分原理图 1上试样夹具；2润滑液槽；3滚珠支架；4摇臂；5固定终板；6传感器；7电机驱动器(b) 改装部分实物图图2-4 膝关节试验机改装图实验时，钛合金球窝固定在下夹具上，上试样即UHMWPE球通过夹具与摇臂固定在一起进行往复摆动，电机驱动器可控制曲/展摇臂达到垂直方向从-90°到+90°之内任意角度。 下试样槽平放在固定终板上，通过传感器与终板连接，终板上放置滚珠支持架来实现试样槽在水平方向的滑动，关节配副往复摆动时产生的瞬时摩擦力由传感器以电压信号的方式采集，电压信号通过信号放大器放大，使用无纸记录仪记录。角度加载曲线如图2-5所示。将摩擦力和电压信号进行标定后得出电压信号与摩擦力的转换公式为：F=0.04V(F为摩擦力/N，V为无纸记录仪记录的电压信号/mv)。摩擦系数=F/N(N为轴向正压力)。(a) 摆动角度为±2.5° (b) 摆动角度为±5° (c) 摆动角度为±7.5° 图2-5 试验输出的摆动角度随循环次数的变化关系曲线2.4 实验方案为了考察人工颈椎间盘的往复摆动摩擦学性能，本文设计了如下对比实验，包含了三个方面的对比：不同摆动角度在相同接触载荷和润滑条件下的对比；不同接触载荷在相同摆动角度和润滑条件下的对比；不同润滑条件在相同摆动角度和接触载荷下的对比。不同的摆动角度指±2.5、±5.5、±7.5°；不同的轴向载荷指50 N 、100N、150N；不同的润滑条件指SBF溶液、浓度为25%±2%的去离子水稀释的小牛血清溶液。频率为1Hz，实验时间为3h。具体的实验方案如表2-4所示。表2-4 实验设计方案实验编号摆动角度接触载荷润滑条件1±2.5°100NSBF溶液2±5°100NSBF溶液3±7.5°100NSBF溶液4±5°50N小牛血清溶液5±5°100N小牛血清溶液6±5°150N小牛血清溶液7±5°100N干摩擦2.5 实验步骤该实验的步骤如下：1） 真空热压烧结炉压制UHMWPE上试样，干燥清洗试样，称重原始试样重量。2） 从冷冻箱中取出小牛血清，室温下溶解，用去离子水配制成浓度为25%±2%的小牛血 清溶液，配制模拟体液，配置好后放置在低温保鲜柜中，以备使用。3） 将上下试样按要求固定在膝关节模拟机上，加入模拟体液至假体周围空间。4） 开启试验机，设置已经编好的加载曲线和运动形式，开始阶段性实验。5） 阶段性实验结束后停机，用清洁容器收集润滑溶液以备下一步在线颗粒度分析。取下上下试样，实验完成后将下试样TC4钛合金放入无水乙醇超声波清洗3次，每次20min，再放入HHB11-360电热恒温箱中烘干1h 后放入干燥皿中冷却至室温，上试样UHMWPE球放入无水乙醇超声波清洗3次，每次1h，再放入HHB11-360电热恒温箱中烘干24h后放入干燥皿中冷却至室温，然后用BP211D电子天平称量三次并记录数据。6）重复2-6步骤，开启下了阶段性实验。7）对收集到的润滑液进行在线颗粒度分析测试，测量试样试验后的粗糙度，进行扫描电镜和形貌分析。3 钛合金球窝与UHMWPE球往复摆动磨损机理研究3.1 往复摆动摩擦系数的变化规律摩擦系数与很多因素有关，包括运动形式、润滑条件、温度、湿度等因素。是表征材料的摩擦性能的重要参数之一。人工椎间盘往复摆动磨损试验结束后，提取无纸记录仪记录的电信号，将摩擦力和电压信号按标定后得出转换公式求出瞬时摩擦力：F=0.04V(F为摩擦力/N，V为无纸记录仪的电压信号/mv)。摩擦系数=F/N(N为轴向正压力)将摩擦系数，与试验系统法向压力、和摆动角度等相应数据，用Origin软件绘制变化曲线。3.1.1润滑条件对摩擦系数的影响不同的润滑条件会对摩擦系数有不同的影响。水基润滑介质能在关节副的摩擦面上形成吸附膜，降低摩擦系数，但水基介质的密封使得较厚的氧化膜不易形成且冲刷排屑作用又会使摩擦系数增大。最后使无润滑时的摩擦系数与有润滑时的摩擦系数的大小关系不易确定。本次实验中总体表现为润滑能起到一定的减摩作用。图3-1 示出了轴向载荷为100N，摆动角度为±5°时，干摩擦、SBF溶液和小牛血清润滑条件下的摩擦系数。从结果可以看出，UHMWPE在干摩擦条件下与TC4摩擦过程中，在摩擦刚开始时，摩擦系数比较大，是因为试样表面微观尺度上存在许多微凸体，实际接触面积只占整个宏观接触面积的几千分之一，使得实际接触应力远大于名义接触应力，接触点处的UHMWPE发生塑性变形，微凸体会产生形变，摩擦阻力增大，此时的摩擦系数比较高。随后摩擦系数有一个明显的下降，一方面随着微凸体不断被磨平，接触面积开始逐渐增大，粘着阻力降低，摩擦系数降低，且钛本身极易与空气中的氧发生反应，生成一层很薄的氧化层，所以在新的磨痕处可能会生成致密的TiO2（也有可能出现少量TiO），而氧化膜的剪切强度比金属本身要低，同样会降低其摩擦系数；另一方面UHMWPE是由化学键和物理作用力形成的三维网络状结构，其显著特点是能够吸收溶剂而发生溶胀。随着实验的进行，超高分子量聚乙烯球会吸收空气中水分的而溶胀，使其分子间结合力的降低，容易被剪切破坏，同时其吸收的水在载荷压力的作用下会在摩擦表面间渗出，起到一定的润滑作用，从而降低了其与钛合金样品对磨时的摩擦系数32。当摩擦系数经初始阶段而降低到最小值后，在约600s后摩擦系数明显上升，达到0.149，可能是由两方面因素造成的，一方面在钛合金球窝表面的氧化层薄膜在交变应力作用下脱落，经两摩擦副的碾压形成磨屑，由于TiO2的硬度大于钛合金和UHMWPE的硬度，TiO2颗粒与两关节副表面构成了的三体磨粒磨损。硬质TiO2颗粒对相对较软的两摩擦表面产生犁削作用，导致摩擦系数的明显增大且波动剧烈；另一方面由于UHMWPE和TC4长期对磨聚集了较多的摩擦热，使得UHMWPE温度升高，吸收的水分丢失严重导致其剪切力增大，使表面的粘着和破环更加严重，因此TC4合金表面不断产生表面氧化与剥落。成的犁沟可以在一定程度上起到收集磨屑的作用，磨屑粒子在犁沟中滚动而不再对钛合金表面产生新的破坏，从而使钛合金表面犁沟的数量达到一定程度后不再增多，减轻了钛合金表面的磨损32，因此最后摩擦系数在0.149上下波动。图3-1 不同润滑介质下的摩擦系数UHMWPE在模拟体液和牛血清润滑条件下与TC4对磨时，在摩擦刚刚开始时，摩擦系数也比较大，初始阶段摩擦系数的变化趋势也与干摩擦基本相同，都有明显的下降过程。在模拟体液润滑条件下，当摩擦系数经初始阶段而降低到最小值0.133时，在约1500s后摩擦系数明显上升，一直上升到0.150，但波动程度比在干摩擦下小，一方面在模拟体液中，除了水基介质的润滑作用，所包含的活性阴离子可能与试样表面活性金属反应形成化学反应膜，而化学反应膜具有一定的减摩作用，使摩擦系数和波动程度都低于干摩擦；另一方面生理盐水溶液吸收了UHMWPE和TC4进行往复摆动产生的摩擦热。使超高分子量聚乙烯球受摩擦热的影响降低，仍能存储原来吸收的水分，控制其剪切力增大而造成的表面的粘着和破环。同样在摩擦的最后阶段摩擦系数也比较稳定，摩擦系数在0.151之间做微小波动。与在干摩擦，生理盐水条件下所不同的是，在牛血清润滑条件下摩擦系数在经历初始阶段的下降过程以后并没有明显的上升趋势，而是在7200s后摩擦系数稳定地在0.218之间波动，一方面在牛血清润滑下，有效地隔离了空气中的氧气，减少了氧化反应的发生，从而使钛合金表面没有不断被氧化和破坏；第二，水基的牛血清润滑介质可以带走摩擦热，可以显著减少钛合金表面的氧化磨损；第三，小牛血清润滑条件下，血清溶液含有蛋白质等物质，能在磨损表面及其缺陷处形成沉淀层，减轻了摩擦面表面微凸体的犁沟作用，降低了表面黏着力，还能一定程度上隔离摩擦表面，减轻TC4氧化层薄膜的脱落，从而减少硬质氧化物颗粒的形成，降低磨粒磨损的程度。综上所述，TC4 与UHMWPE往复摆动摩擦过程可以分为三个阶段：第一阶段为起始阶段，表现为摩擦系数随摆动循环周次的增加而迅速下降；第二阶段为磨合阶段，摩擦系数随摆动循环周次的增加而不断增加；第三阶段为稳定摩擦阶段，摩擦系数基本趋于稳定33。 但在润滑条件下，磨合阶段摩擦系数的增幅比在干摩擦下的小，且最后稳定摩擦系数也比在干摩擦下的小。与干摩擦，模拟体液条件下摩擦不同，TC4在