人工关节UHMWPE交叉剪切磨损的试验研究_邹悦.pdf

DOI:10 3969/j issn 2095 509X 2023 02 023人工关节 UHMWPE 交叉剪切磨损的试验研究邹悦1，2，张鹏宇1，2，成博1，2，董磊1，2，刘峰1，2(1 中北大学机械工程学院，山西 太原030051)(2 山西省先进制造重点实验室，山西 太原030051)摘要:超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是人工关节的主要界面材料之一，销 盘磨损试验不仅可以定量模拟 UHMWPE 交叉剪切效应，有效揭示聚乙烯微观磨损机理，而且可为人工关节磨损的计算机仿真建模提供试验依据和输入参数。选用传统非交联 UHMWPE 和 CoCrMo 合金作为配副试样，在销 盘磨损试验机上完成 90交叉剪切磨损模拟，通过数值方法建立磨损与交叉剪切滑动距离的函数关系式，并与文献结果对比，分析磨损表面的微观形貌及机理。结果表明，UHMWPE单位周期的磨损深度可表示为 90交叉剪切滑动距离的指数衰减函数，与文献结果一致;微观磨损机理以黏着为主，疲劳和磨粒磨损共同作用。关键词:UHMWPE 关节置换;交叉剪切磨损;磨损机制;销 盘测试中图分类号:TQ325 12文献标识码:A文章编号:2095 509X(2023)02 0112 05人工关节是关节炎治疗的有效手段，我国每年约有 20 万例人工关节置换手术，实际需求仍在增加1。临床上 90%的聚乙烯人工髋、膝关节的寿命为 15 20 年2，但聚乙烯磨损积累产生的磨屑会引起无菌性松动和骨溶解，限制了关节置换的使用寿命，因此人工关节聚乙烯的摩擦磨损仍然是研究的重点之一。人工关节磨损的研究方法主要包括临床试验、实验室模拟机测试3 及计算机仿真模拟4。临床试验和实验室模拟机测试费用高、耗时长，主要用在产品设计后期。计算机仿真模拟是试验手段的重要补充和有效方法。目前磨损仿真建模仍需通过试验来获取模型参数，由于人工关节聚乙烯通常处在边界润滑状态5，其润滑性能受结构几何形态影响小，因此采用销 盘磨损试验机可以较好地模拟人工关节摩擦学条件6。Baykal 等7 总结了过去 20 年内的销 盘磨损试验结果，认为销 盘测试是有效的定量分析方法，可用于包括材料和摩擦学变量在内的研究。研究表明8，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)在单向运动或单向往复运动下产生的磨损极低，其磨损因子可比临床观测值低2 3 个数量级，因此关节的交叉剪切运动是影响人工关节聚乙烯磨损的一个关键因素。Kang 等9 建立了交叉剪切磨损计算数值方法，但其磨损公式仍假设磨损量与滑动距离成正比。Dressler 等10 利用销 盘磨损试验研究了 90交叉剪切效应，发现磨损是一个随距离变化的量。Strickland 等11 将 90交叉剪切下的磨损定义为一个度量基准，建立了任意角度交叉剪切条件下的磨损计算数值方法，但没有解决接触应力对磨损的影响。Liu 等12 在 Strickland 方法的基础上，将接触应力和滑动距离耦合，引入了磨损与摩擦功以及摩擦系数与接触应力之间的函数关系，提出了交叉剪切磨损计算的新方法，并对 4 Mrad 交联聚乙烯髋关节进行了准确验证，然而新方法仍需更多试验数据进行通用性验证。基于 90交叉剪切的磨损试验是计算机仿真建模的应用基础，Dressler 等10 只研究了 4 Mrad交联聚乙烯，未对磨损形貌特征和机理深入分析，人工关节聚乙烯磨损研究需要更系统的销 盘磨损试验数据来为计算机仿真建模提供依据。传统非交联 UHMWPE 是交联聚乙烯的基础，因此本文选取了传统非交联聚乙烯与 CoCrMo 合金盘作为配副试样，进一步研究 90交叉剪切磨损与滑动距离的关系，分析聚乙烯磨损表面微观形貌及其磨损机理，确定磨损与交叉剪切运动的函数关系，为下收稿日期:2022 05 09基金项目:山西省基础研究计划项目(20210302123028)作者简介:邹悦(1995)，女，硕士研究生，主要研究方向为生物摩擦学，1147573906 qq com通讯作者:刘峰，男，教授，fengliu nuc edu cn2112023 年 2 月机械设计与制造工程Feb 2023第 52 卷 第 2 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 2一步计算机仿真磨损建模提供更充分的数据条件。1材料与方法1 1试样的制备将 UHMWPE(GU 1050，ISO 5834 2)加工成 10 mm 18 5 mm 的圆柱体销，如图 1 所示，销表面初始粗糙度为 2 2 m。按照美国材料实验协会(ASTM)标准进行超声清洗、干燥、称重，聚乙烯销因磨损而损失的质量包含了因吸收液体而增加的量，因此对于浸泡控制组聚乙烯销增加的量应加到磨损试样的质量损失中，以确定销的实际净磨损。图 1UHMWPE 销试样将 CoCrMo(ISO 5832 12)合金加工成 38mm 7 mm 的圆盘试样，如图 2 所示，依次使用规格不同的砂纸(600#/1200#/2000#)打磨后，用金刚石研磨膏(W3 5/W1 0/W0 5)抛光至表面粗糙度10 nm。试验选用新生小牛血清(北京平睿生物)，添加 1%的庆大霉素和两性霉素 B 混合溶液作为抗菌剂，加入 20 mL 乙二胺四乙酸(EDTA)减少蛋白质沉淀，按配比添加去离子水稀释至小牛血清溶液体积分数为 25%。图 2CoCrMo 合金圆盘试样1 2交叉剪切磨损试验使用多功能摩擦磨损试验机(美国 tec 公司)，将 UHMWPE 销与 CoCrMo 合金盘的接触面浸没在润滑液中。每 0 5 万个周期(约 9 6 h)添加去离子水，润滑液以 5 万个循环间隔(约 4 天)更换，试验在室温下进行。合金盘以设定 50 mm/s的滑动速度做往复直线运动，聚乙烯销设定 235 5N(约 3 MPa)的轴向载荷(近似全髋关节和膝关节假体的平均接触压力分布值)，在合金盘的往复运动过程中保持静态加载，销在每个行程末端需卸载并定轴转动 90，在合金盘进入下一行程时，恢复其轴向载荷，重复上述过程直至完成设定的总周期数。设往复运动的单程距离为运动变量，本文研究了不同的距离 1 mm、2 mm、5 mm 和 10 mm，见表 1。如图 3 所示，一个完整的运动周期包括两个相同的滑动距离(图 3(a)和(c)、两个 90瞬时转动(图 3(b)和(d)。销在每 10 万个周期(约 8天)进行清洁并称量记录一次，每组试验进行 40万个周期。表 1销 盘 90交叉剪切磨损试验运动参数序号滑动距离/mm单行程滑动距离/mm周期滑动距离/mm总周期数/万个总距离/km1112400 82224401 635510404041010204080图 3UHMWPE 销 CoCrMo 合金盘的 90交叉剪切运动和加载模型采用电子天平(上海菁海仪器公司 FA305N，0 01 mg 精度)称量聚乙烯销磨损前后的质量。使用 LEXT(OLS5000)激光共聚焦扫描显微镜和扫描电子显微镜观察试样表面微观形貌。2试验结果交叉剪切磨损试验结果显示，聚乙烯磨损总质量随着循环周期的增加呈非线性增大的趋势，如图4 所示。对于一个给定周期数，磨损量随交叉剪切运动距离增加而增大，但增大的幅度在减小，例如滑动距离为 5 mm 与 10 mm 的磨损质量变化只有1%(图 4 中，5 和 10 mm 对应的曲线近似重合)。3112023 年第 2 期邹悦:人工关节 UHMWPE 交叉剪切磨损的试验研究当把磨损量转化为单位滑动距离的磨损量时，从图5 中可以看到磨损量与滑动距离成反比，1 mm 滑动距离对应最大的磨损量，此结果说明磨损量与滑动距离呈明显的非线性关系。图 4UHMWPE 销在不同交叉剪切滑动距离下的累积磨损质量图 5UHMWPE 销在不同交叉剪切滑动距离下单位距离磨损量90交叉剪切条件下单位周期内单位面积的磨损深度(即销的磨损体积/(磨损总周期数 销横截面面积)与滑动距离的函数关系如图 6 所示，图中曲线的切线斜率是瞬时磨损率(即相对于滑动距离的磨损深度)，磨损深度 Wd可用如下公式表示:Wd=KM(1 eSSC)(1)式中:KM为磨损深度随滑动距离增加而趋近的一个常数值;S 为滑动距离;SC=KMKT，KT为初始磨损率。图 6 显示，初始磨损率 KT=67 26 pm/mm，磨损率随滑动距离增大而减小，滑动距离由 5 mm 增加到 10 mm 时，磨损深度趋于常数(KM=117 24pm)。非交联聚乙烯与 4 Mrad 交联聚乙烯11 具有相似的磨损曲线图，最大磨损深度和初始磨损率分别是交联聚乙烯相应值(KM=45 50 pm，KT=18 20 pm/mm)的 2 6 和 3 7 倍。在 90交叉剪切运动中的可变磨损率可进一步以图 7 表示，销在90转向开始时磨损率大，随着滑动距离的增加磨损率逐渐降低，并趋于常数。图 6UHMWPE 销单位周期磨损深度与滑动距离的函数曲线图图 7UHMWPE 销 90交叉剪切下随滑动距离变化的磨损率示意图图 8 所示为激光共聚焦显微镜下宏观观察(10 mm 10 mm)UHMWPE 磨损前后的表面全貌图。未磨损表面(图 8(a)呈现出规则的同心圆密集分布状态，这与聚乙烯表面机械加工特征相吻合，经过 40 万个周期交叉剪切磨损后，聚乙烯表面的环状痕迹逐渐消失(图 8(b)，出现明显的材料去除现象。磨损表面的加工突起条纹沿平面延展，表现出材料塑性流动特征，环间距明显增大，表面粗糙度约为 0 5 m，具体的磨损形式还需从微观上进一步分析。图 8聚乙烯销磨损前后的表面形貌变化扫描电镜图下可观察到聚乙烯表面形貌的微观变化，为推测其磨损机理提供了依据。从图 94112023 年 2 月机械设计与制造工程Feb 2023第 52 卷 第 2 期Machine Design and Manufacturing EngineeringVol 52 No 2(a)可见，表面产生了尺寸较大的颗粒和条状磨屑，这些较大的磨屑可能来自加工痕的剩余部分，但总体上看仍属微米级，从形态上看，磨屑自表面卷起，具有黏着磨损特征。从图 9(b)可见，微观波纹状区域，与实验室模拟机或临床研究人工关节的光滑磨损面表现出相似的形态，同时可见亚微米级呈片状的细小磨屑，显示了黏着磨损的特点。从图9(c)可见，聚乙烯表面大部分区域呈规则的细小波纹态，其中夹杂了一些较大加工痕迹突起，但总体上均表现为材料塑性流动特征。图 9聚乙烯销在不同交叉剪切滑动距离下磨损 40 万个周期后的扫描电镜图3讨论影响聚乙烯磨损的主要因素除交叉剪切运动外还包括接触面积和接触应力12。磨损初期的聚乙烯表面较粗糙，实际接触面积小，磨损较低(0 10 万个周期)，随着材料磨损，聚乙烯实际接触面积增加，磨损量随之显著增大(10 40 万个周期)，这一结果对不同的交叉剪切距离(1 10 mm)均成立(图 4)。在 90交叉剪切条件下，聚乙烯磨损深度可表示为滑动距离变量的指数衰减函数(图 6)，磨损率(切线斜率)随滑动距离的增加而减小，最终趋于常数(KM)。本文中磨损表面的加工纹未完全消失(图8(b)，表明销 盘磨损试验的40 万个总周期数可能偏小。聚乙烯销磨损后的表面粗糙度为0 5 m，与 Vassiliou 等13 研究的数值在相同范围(0 2 0 8 m)，同时磨损在 40 万个周期内已基本形成线性稳态趋势(图 4)，说明 90交叉剪切下的磨损率高，形成稳态所需周期数可能会低于ASTM 标准的推荐值。此外，由于观察到的磨屑已基本处在微米范围内，因此本文结果可以作为聚乙烯关节初期磨损的有效近似。本文选取了 3 MPa作为人工关节应力的近似平均值12，对于形合度低的人工膝关节可能偏低，接触应力在不同范围内的取值影响应该是今后研究需重点考虑的内容之一。在图 8(b)的磨损表面宏观图中没有看到大尺寸划痕、裂纹及大尺寸磨屑，说明聚乙烯磨损具有微观特性。综合考虑对磨的 CoCrMo 合金硬度高、表面粗糙度小、施加循环载荷等因素，可以推测聚乙烯表面可能有微观黏着、疲劳、磨粒磨损。目前较成熟的理论模型是 Wang14 提出的交叉剪切机理，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是一种线性高分子聚合物，其表面的分子链会优先选取主滑动方向重排，同时材料会因塑性变形而硬化，沿着主滑动方向的抗磨损性能增加，而垂直于主滑动方向的抗磨损性能下降，交叉剪切磨损显著大于单向运动磨损。任意角度的交叉剪切运动都可以进一步分解为沿主方向和垂直于主方向的分量，因此 90交叉剪切条件可看作是计算任意交叉角度变化的度量基础。聚乙烯销与合金盘在摩擦作用下，其表面加工痕因塑性流动后沿平面延展，表面粗糙度由 2 2m 降至 0 5 m(图 9(a)，产生微米级的颗粒和条状磨屑，总体表现出明显的微观特性。磨损表面偶见较长的裂纹(图 9(a)，可能与加工痕去除有关，说明疲劳破坏的存在，是表面交变载荷作用的反映。微观分辨率低是本文不足之一，影响了颗粒和疲劳磨损的观测(图 9(b)、(c)。聚乙烯表面宏观上的极光滑区在微观上呈波纹状形态(图 9(b)。高硬度的 CoCrMo 合金盘表面粗糙度为 10nm，在聚乙烯表面产生的磨粒磨损无法直接观测到(图 9(b);同时考虑到微观表面的塑性流动和材料硬化(图 9(c)，在交变载荷作用下，可以推5112023 年第 2 期邹悦:人工关节 UHMWPE 交叉剪切磨损的试验研究测微观疲劳15 会加速聚乙烯表面磨损。4结论本文以非交联 UHMWPE 与 CoCrMo 合金配副为研究对象，利用销 盘磨损试验机使聚乙烯销相对于合金盘做 90交叉剪切运动，在 3 MPa 法向接触应力下，对 1 10 mm 范围不同的交叉剪切距离进行了交叉剪切磨损试验研究，得到以下主要结论:1)UHMWPE 单位周期的磨损深度(Wd)是滑动距离(S)的指数衰减函数;2)微观形貌分析可以更好地揭示 UHMWPE在 90交叉剪切下的微观磨损机理，其微观磨损以黏着为主，微观疲劳和磨粒磨损共同作用;3)销 盘磨损试验可有效模拟 UHMWPE 微观机理，可为聚乙烯人工关节磨损仿真建模提供数据和测试手段。参考文献:1申桐桐，张小刚，靳忠民 步态水平对髋关节假体周围骨重建的影响 J 医用生物力学，2022，37(1):52 58，72 2邵一伦，崔文，张小刚，等 金属对聚乙烯型人工髋关节摩擦学性能研究进展J 润滑与密封，2021，46(5):126 136 3王成焘，靳忠民，廖广姗，等 人工髋关节磨损分析和临床失效诊断推理J 医用生物力学，2012，27(4):361 368 4高子瑞，刘峰，刘瑶，等 交联超高分子量聚乙烯人工髋关节磨损仿真模拟 J 机械工程学报，2021，57(21):202 210 5LIU F，FISHE J，JIN Z M Computational modelling of polyethy-lene wear and creep in total hip joint replacements:effect of thebearing clearance and diameter J Proceedings of the Institu-tion of Mechanical Engineers，Part J:Journal of Engineering Tri-bology，2012，226(6):552 563 6ABDELGAIED A，FISHE J，JENNINGS L A comprehensive com-bined experimental and computational framework for pre clinicalwear simulation of total knee replacements J Journal of BiomedicalMaterials esearch，2018，78:282 291 7BAYKAL D，SISKEY S，HAIDE H，et al Advances in tribo-logical testing of artificial joint biomaterials using multidirectionalpin on disk testers J Journal of Biomedical Materials e-search，2014，31:117 134 8TUELL M，WANG A，BELLAE A Quantification of the effectof cross path motion on the wear rate of ultra high molecularweight polyethylene J Wear，2003，255:1034 1039 9KANG L，GALVIN A L，FISHE J，et al Enhanced computation-al prediction of polyethylene wear in hip joints by incorporatingcross shear and contact pressure in additional to load and slid-ing distance:effect of head diameterJ Journal of Biomechan-ics，2009，42(7):912 918 10 DESSLE M，STICKLAND M A，TAYLO M，et al Pre-dicting wear of UHMWPE:decreasing wear rate following achange in directionJ Wear，2011，271(11/12):2879 2883 11 STICKLAND M A，TAYLO M In silico wear prediction forknee replacements methodology and corroborationJ Journalof Biomechanics，2009，42(10):1469 1474 12 LIU F，HE Y，GAO Z，et al Enhanced computational modellingof UHMWPE wear in total hip joint replacements:the role of fric-tional work and contact pressureJ Wear，2021，482/483:203985 13 VASSILIOU K，UNSWOTH A Is the wear factor in total jointreplacements dependent on the nominal contact 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cross-shear effect of UHMWPEwear，effectively reveal the microscopic wear mechanism of polyethylene，but also provide experimental basis andinput parameters for computer simulation modeling of polyethylene artificial joint wear The traditional Non-crossconnection UHMWPE and CoCrMo alloys are selected as the paired samples，and the 90 cross shear wear test isperformed on pin-disk wear tester，the functional relationship between the wear amount and the cross shear varia-ble is established by numerical method，compared with the literature results，the microscopic morphology andmechanism of the worn surface are analyzed The results show that the wear depth per unit cycle of UHMWPEcan be expressed as an exponential decay function of 90 cross shear sliding distance，which is consistent withthe literature results;The micro-wear mechanism is mainly adhesion，and fatigue and abrasive wear work togeth-erKey words:UHMWPE joint replacement;cross shear wear;wear mechanism;pin-on-plate test6112023 年第 52 卷机械设计与制造工程