全髋关节置换术中钴铬股骨头不同磨损部位的摩擦学特性（可编辑）

全髋关节置换术中钴铬股骨头不同磨损部位的摩擦学特性（可编辑） 全髋关节置换术中钴铬股骨头不同磨损部位的摩擦学 特性 ? 生堡置科杂志垫生窆爿襄 鲞箍里翘 啦蛙至,逊. ,盥: ?蒙太因华佗生物力学? 全髋关节置换术中钴一铬股骨头 不同磨损部位的摩擦学特性 【摘要】通过使卅原子力显微镜检查 ,计算表面粗糙度和摩擦系数 的方法,对工程和生物材料的摩擦学特性进行研究。尽管之前的大量研究对伞髋关节置换术中不同承 重材料的摩擦系数进行了,但却没有关于全髋关节置换术术中轴承材料的表面粗糙度和摩擦系数 的关系的报道。此外,钻一铬股骨头不同磨损部位的摩擦学特性尚小明确。因此,本研究对全髋关节置换 术后年钴一铬股骨头发牛严重磨损及轻微磨损部位的表粗糙度、摩擦系数和硬度之间的关系进行 研究。钴一铬股骨头的平均维氏硬度为. .。在扫描的 斗面积内,严蕈磨 损和轻微磨损部位的摩擦系数分别为.?.和.?.,两者差异无统计学意义.。 严晕磨损部位的表面粗糙度【月。.?.】与轻微磨损部位【尺。.?.的差异有统计学意 义.。本研究结果显示:钴一铬股骨头的摩擦特性与其表面粗糙度没有明显关系,为金属植入材 料表面特性的改善提供了依据。 通过使用原子力显微镜检查 手术中不同承重材料的摩擦和磨损特性进行了报道。 , 计算表面粗糙度和摩擦系数的方法,在微观水平对工 等晗“报告五种不同承重材料包括金属一 程和生物材料的摩擦学特性进行研究“?。关于表面粗糙度和 的摩擦闪子摩擦转矩除以所加负荷与股骨头半径的乘积, 其中金属一金属最高,陶瓷一陶瓷最低。有实验通过测定种 摩擦系数之间的关系,部分研究报告称,在中指和足部材料 中两者存在正相关;而其他研究报告则证实在聚芳基醚 表面粗糙度不同的钴一铬?材料的表面粗糙度 值按手下抛光、批蕈抛光和涂层的顺序依次增加和 酮?、热塑性聚烯烃和滑板【表面为负相关。不过,通过 髋臼衬垫之间的磨损率,研究耐磨性与表面粗糙 扭转共振模式测定自组装单分子层、硅尺和金属蒸发 度之间的关系,结果为表面粗糙度越高耐磨性越强陋。还有 带的表面,及通过钉一板法??测定、、和 的表面,却发现表面粗糙度和摩擦系数之间元相关性【 研究存血清中存在聚甲基丙烯酸甲酯颗粒的条件下,对陶 瓷一和金属一承重面的三体磨损性能进 为了评估人股骨的机械性能,等“测定了板层骨 行比较。结果为陶瓷一的耐磨性比金属一 水平的硬度,报告值为一.. 。他们得出结论。骨组 织的机械性能受到微观尺度的表面结构及供体性别的影响。 更好?。尽管之前有许多研究存各种测试条件下对不同 通过两种不同的方法测定碳氮化合 承重面的摩擦学特性进行了测定晗”】,但?合会股骨头 和 物膜的硬度,获得的硬度值一致加压 时硬度为 的摩擦学特性及?股骨头不同磨损部位与这些特性之 。硬度值用最大压力负荷除以压头产生的压 间的关系尚不明确。因此,本研究的日的是探索术后 痕的投影面积表示,该面积可由成像直接获得。另外还 年植入的一股骨头发生严重磨损和轻微磨损郎位的表 通过加压负荷相对于位移的曲线,以和法进行 面粗糙度、摩擦系数和硬度之间的关系。 计算,通过纳米压印测试设备获得他移值。 材料与方法 由于全髋关节置换 ,手术数量 的增加,及其主要因承重材料磨损而导致的耐久度方面的限 一、标本的制备 制,的翻修受到了越来越,“泛的关注啪。许多文献都对 从例术后年因无菌件松动而实施的翻修手 术中取出髋关节假体,在?股骨头上发牛严重磨损和轻 .. :....?. 微磨损的部位,用机加工的方法取下个标本,长、宽、厚分作者单位: , 别为 、 和 。为测定硬度,用逐级递增的碳化 , ; ,, 硅砂纸对标本表面进行打磨。在进行测定之前,在超声, , 水浴中对?股骨头标本清洗 ,用少量氰基丙烯酸 , , , ,, 厚 。 酯胶水固定在定制圆柱形平板上端直径咖, ? ? 通信作者: ,?:.. 二、硬度测定 万方数据? 生堡置抖鍪盍生望月筮鲞笠窆翅 堑娶』堕,曼 匹 地曼 ,,?里 应用配有维氏金刚石压头尖端半径 的显微维氏 下: ,恤, , .,. 的加载力和 /。 硬度计一,,日本,以. “?。本研究中侧向弹性常数值为. 的加载时间加压速度自动控制,约扯以对标本表面进 在每一个位置分别测定个法向力昧按 增量 行加压,测定标本的硬度。将加载力除以压痕的接触投影面 从 到 下的摩擦 力。同时以 /的扫描速 积,计算维氏硬度,该面积可从图像直接测得图,如下式: 度,在 的扫描区域中测得或获得表面粗糙度 尺。的均方根.,图,、法向力图及侧向偏转电压 一 .善 信号成像图。摩擦力相对于法向力的点图符合直线线型, 其中是所施加的负载,是压头的接触投 其斜率即为摩擦系数图。 影面积,是压头留下的对角线的平均长度。在每个标 四、统计学分析 本表面的个不同位置重复上述测定图。计算测得的 检验,分析严重磨损部位和轻微磨损部位 采用 个压痕的平均值,即为维氏硬度。 表面粗糙度和摩擦系数方面的统计学差异,检验水准?值取 三、通过进行摩擦测定 双侧.。 在通过进行的摩擦测定中,于标本的严重磨损和 结 果 轻微磨损部位进行项摩擦学测试。所有标本均使用 设备在窄温下成像【, ,韩国,图。 股骨头表面的个不同位置硬度值的变化如图 该设备放置在密封箱中,装有图像处理及计算表面粗糙度的 所示。标本表面维氏硬度的平均值?差为. . 软件 ..。在一个法向弹簧系数为。 /的标准 ?【相当于..;。本研究中,在斗 直角硅悬臂上安装四棱锥形的尖端曲率小于 ,用来 岬的扫描区域中,严重磨损部位的表面粗糙度。的平均 进行测定。通过将侧向偏转电压信号,单位、侧 均方根为.?.,轻微磨损部位为.?. 向弹性常数鼠,单位/和侧向偏转灵敏度。,单位/ 。经过统计学检验,严重磨损部位和轻微磨损部位 相乘,计算每条扫描线上的摩擦力。侧向偏转电压信号是 的表面粗糙度差异有统计学意义.。轻微磨损部位 指在摩擦环路中向前和向后的扫描之间的中值图。本研 其表面比严重磨损 图的表面形态表现为许多线形纹路, 究巾,在进行扫描的 山“区域的整个图像中对摩擦 部位光滑得多;严重磨损部位图表现为不规则的微米量 力进行计算。侧向偏转灵敏度与法向灵敏度. / 级的凸起、凹陷和斑块,这是使用年后发生严重磨损所导 成比例,侧向偏转电压信号。。通过下式计算矧: 致的。在二维的成像、平均谱线分析图以及法向力 弧?矿四 图和侧向偏转电压信号图的三维成像中,也反 “工?一” 映了同样的表现特征。这些特征导致轻微磨损部位的表面粗 其中是尖端的高度, 是悬臂的长度,.刑和.。分别 糙度低于严重磨损部位。 指扫描图像的侧向和垂直偏转电压信号。试验中所采用的直 通过股骨头的成像测得严重磨损部位的摩 角硅悬臂的侧向弹性常数。可用如下等式表示『卿: 擦系数斗为.?.,为.?.,轻微磨 忙器 损部位为.?.,为.士.,图。与表 面粗糙度相反,经过统计学检验,通过?股骨头的 其中是悬臂的切变模量,是悬臂的宽度,是悬臂的 成像测得的轻微磨损部位和严重磨损部位的摩擦系数差异 厚度。测试中所用的悬臂是由单晶硅蚀刻而来包括整合上 无统计学意义.。严重磨损部位和轻微磨损部位的 去的尖端。根据扫描电子显微镜的需求,厂商采用的标准如 ’ 一 一~ 溷 』 敝 』 ? .一., .二 ?一 圈?馘 圭 豳懿‰ 疆豳黼瓯 。鬣翟; 鸯 ,一 ? ’, ‖ ”“ 一 一.?“ 一.一 一.一 万方数据生堡置科塞志垫生窆丑筮鲞筮窆翅堂旦地鲤,墅地蛰鱼笪垫。丛?, ?.里 一 寒 一 》 皇 一 髓 厘 醋 暮 监 媒 单条扫描线汕,格 图侧向偏转电压信号的典型图形,标本沿垂直于悬臂梁的 方向前后运动时进行扫描.. 标本位置? 图 股骨头硬度的变化,通过用显微维氏硬度计 在标品表面的个不同位置测得, . 摩擦系数的计算足用平均摩擦力由侧向偏转电压信号的图? 像算得除以平均法向力由法向力的图像算得得到的。 讨 论 本研究报告了对钴一铬?股骨头严重磨损部位和 轻微磨损部位进行的表面粗糙度、摩擦系数和硬度及其相互 关系的研究。假体来自术后年因无菌性松动而导致 的翻修手术。对于这两种明显不同的磨损部位的摩擦学特性 之间的关系进行精确量化非常重要,将有助于为改善金属假 体材料的表面特征提供依据。 为了精确测定?股骨头的摩擦系数,本研究联合使 用了文献报道中的两种不同方法【蚋“。摩擦力和法向力的线 表明对股骨头表面的严重磨损部位 性回归的较大, .士.和轻微磨损部位.?.测得的摩擦系 数较精确。本研究中严重磨损部位和轻微磨损部位的摩擦系 机身隔振平台 电子控制器 数“分别为.:.和。士.。在既往文献中没 计算机系统压缩机 图原子力显微镜的设备 有对?合金表面的摩擦系数进行测定的报告,只 . : 是通过成像,根据摩擦力和法向力的线性回归的斜率; ; 测定表面的摩擦系数.?.【盟。在牛关节 ; ; 软骨表面,在与宏观尺度摩擦学测试同样的测试条件下,通 过进行的摩擦学测试得到了比宏观尺度下力平衡状态 法向力图和侧向偏转电压信号图的成像的粗 糙程度相似,也表明这两个部位的摩擦系数相似。这是由于 的摩擦系数.?. 更具代表性的摩擦系数值尺口. 尺口. . . ; 口 图轻微磨损部位严重磨损部位的典型表面形态的三维成像,用于计算其表面 粗糙度冗。? ?., 舀佃舯 僻 万方数据? . 虫堡置抖塞志年月蓥型鲞筮竺期 丛』堕卫,曼 尘丛,.型. ? 凰 “????嗣?曩? ? 站 ? 岫 码 ??????????????一一 . ? ? ? ? ? 一 . 一 一 一 一 一 一 一 一 一 『 ~., 一., 图 轻微磨损部位左图和严重磨损部位右图的平均谱线分析: 斗扫描区域的 表面形态的二维成像,及平均谱线分析, ? . ?: ??,,斗 献中的数值可能无法直接进行比较。 本研究的另一重要结果是?股骨头严重磨损部位 斗加.和轻微磨损部位斗.的摩擦系数的差异无 统计学意义.。另一方面,严鼋磨损部位一 ? 帅 一 啊 ? 糊 和轻微磨损部位~ 的表面粗糙度。有统计学意 ‰ 四四 四。 义.。?股骨头材料的摩擦学特性与其表面粗 糙度没有明显的相关性,但可能与材料的类型有关。 图 轻微磨损部位和严重磨损部位的典型 以上结果与和 州的研究结果一致。他们 法向力的三维成像 采用扭振模式测定摩擦系数,与文献中其他在宏观尺 ? ? .度测定摩擦系数的研究一致。通过宏观的针一盘试验, ? ?等“。 报告,不同的球形材料在钢板卜的摩擦系数 不随表面粗糙度尺。的变化而发生明显变化,但随表面构造 或表面形态的平均斜率发生变化,这些取决于材料的类型, 如、、和。等?也报告,在真空和大气环境 下,钢板的表匝『粗糙度。在 和.斗之间变化时, 不锈钢球和奥氏体不锈钢板之间的摩擦系数保持恒定。 一 尽管有些相反的研究结果,认为表面粗糙度和摩擦系数 之间存在显著关联,但这些结果大部分都是通过非金属材料 图轻微磨损部位和严重磨损部位的典型侧向偏转 测得的,包括生物材料。对于金属材料,等汹报 电压信号一的二维成像 告,在球和钢板之间.随着表面粗糙度的增加, ?. ?矿摩擦系数降低,当表面粗糙度小于约.斗时摩擦系数保 ? 持为常量。等?也发现了类似的结果,他们试图从表面粗 ..?。至于?合金的宏观摩擦系数,有研究通 糙度的量级的观点出发,解释表面粗糙度和摩擦系数之间的 过宏观的针一盘法测得?合金和?合会之问的摩擦 关系的变化。他们认为,随着陶瓷板的表面粗糙度从.恤 系数为.?. ,?合金和之间的摩擦系 增加到.?,环和陶瓷板之间的摩擦系数稳定 数为..洲。不过,由于本研究是在?合金和 增加,但当陶瓷板的表面粗糙度小于.斗时即为常量。 硅尖端之间进行摩擦系数的测量,因此测得的摩擦系数与文 对本研究中出现的表面粗糙度和摩擦系数不存在明显 万方数据,堂:,盟:窆. 生堡盐拄基志一迥笙窆月筮?鲞筮窆期 坦婴』塑鱼鲤,堕迪 一三 三 穴 糍 糍 世 避 法向力 法向力图轻微磨损部位和严熏磨损部位摩擦力相对于法向力的典犁点图,按 递增的法向负荷进行次测定 ? , , .? 一种可能的解释是尖端的尺寸曲率小 ?股骨头摩擦系数的测相关性的情况, 定来进一步在宏观水平上研究表 于明显小于严重磨损部位和轻微磨损部位的表面粗 面粗糙度对摩擦系数的 影响。 志谢本研究得到由韩国政府提供的韩国研究基金的资金支持 糙程度的尺度。有研究结果表明,在许多离散点上发生了两 基础研究促进基金:一?卜 个粗糙表面的接触,当发生滑动时是在这螳点上发生了摩原文刊于 ,,: 擦和磨损,根据接触点的大小,引起了摩擦学特性的变化。不 过,在本研究中由于,犬端的尺寸非常小,尖端与两 参考文献 种不同磨损部位表面的接触可能只发牛在某一点。因此,在 . , , 两种不司的部位,尖端与?股骨头表面的接触点大 . 小相似。上述情况,加上表面粗糙度值小于.斗,可能造成 ,, :?. 尽管表面粗糙度不同但严蕈磨损部位和轻微磨损部化的摩 ./ / 擦系数相似的情况。此外,在微观尺度的测定中,由于是在 . . : : ?股骨头表面的同一位置通过成像测定摩擦系数 ,,:. 和表面粗糙度,因此通过微观尺度测得的两种特性之间的关 . ?? , , 本研究中?股骨头严重磨损系可能比宏观尺度更为精确。根据文献报道结果, 部 . ,,:? 位和轻微磨损部位的摩擦系数值相似表明与 . 股骨头的两种小同磨损部位之间的磨损率相似。在既往的 ., , 一项关于的临床研究中,由于摩擦系数的差异,陶瓷一: 承重面显示的的磨损率足金属一 .,:?. . ? , 的/至/;陶瓷一的摩擦系数较低,使 :?假体产生的磨损碎片较少,在手术中 可提供更高的耐 ,,:?. . 磨性】。通过弹塑性有限元模型,等弼认为摩擦系数由 . ? , , , .增加罕.时,金属一承重面金属为?的 . ,,:. 体积磨损率以定比率增加共%。至于?股骨头表 . ? , 面的维氏硬度,本研究中的平均值..也符合? 文献报道,取决于?合金的化学组成‘删“。 ..:一. 本研究的主要结论是?股骨头测得的摩 综上所述, ., , 擦系数与表向.粗糙度无关。通过进一步对股骨头磨损进行测 .定,可阐明此 类假体的微观表面结构是如何影响金属一 ,,:?. 承蕈面磨损的机制。未来的研究将着眼于由不同 . , , , 材料制成的在髋关节中使用了不同年限的股骨头的表面粗 . 糙度、摩擦系数、弹性系数和磨损之间的关系,并通过宏观 . ,,: 万方数据