人体皮质骨-纯钛接触副径向微动损伤研究
2007年9月
第32卷第9期
润滑与密封
LUBRICATIONENGINEERING
Sep.2007
V01.32No.9
人体皮质骨/纯钛接触副径向微动损伤研究
权慧欣于海洋蔡振兵朱曼昊
(1.四川大学华西口腔医学院四川成都610041:
2.西南交通大学材料先进技术教育部重点实验室摩擦学研究所四川成都610031)
摘要:对新鲜人股骨皮质骨对纯钛球(直径10mm)接触副,在12mm/min加载速度下,分别以最大法向载荷
100,200,300,400N进行径向微动实验研究.在动力学特性
的基础上,用激光共聚焦显微镜和扫描电镜观察皮
质骨表面的磨痕形貌.结果显示:随着载荷的增加,股骨皮质骨表现出不同的界面变形行为,损伤随之加重,而且裂纹
的产生存在一个临界载荷;裂纹在骨表面主要有4种生长方式,以沿粘合线生长最常见.讨论了减缓骨/种植体界面径
向微动损伤的措施,表明降低界面应力和种植体表面改性有利于减
缓骨/种植体界面径向微动损伤.
关键词:微动;径向微动;皮质骨;种植体
中图分类号:TQ174文献标识码:A文章编
号:0254—0150(2007)9—045—4
AStudyonRadialFrettingDamagesoftheCounter—pairsof
HumanCorticalBoneagainstPureTitanium
QuanHuixinYuHaiyang’CaiZhenbingZhuMinhao
(1.WestChinaCollegeofStomatology,SichuanUniversity,ChengduSichuan610041,China;
2.KeyLabofAdvancedTechnologiesofMaterials(MinistryofEducation),TribologyResearchInstitute,
SouthwestJiaotongUniversity,ChengduSichuan610031,China)
Abstract:Radialfrettingtestsofthecounter—paimoffreshcorticalboneofhu
manfemuragainstpuretitaniumball(di—
ameterof10mm)werecarriedout,underthemaximumalnormalloadsof100,200,300and400Nrespectivelyatacon—
stantspeedof12mm/min.Basedontheanalysesofthekineticbehaviours,thefrettingscarsofthecorticalbonewereex—
aminedbylaserconfocalscanningmicroscope(LCSM)andscanningelectronmicroscope(SEM).Theresultsdisplaythat
thecorticalbonepresentsdifferentdeformationsbetweentheinterfacesandth
edamagesareinanaggravatingmannerwith
theincreaseofthenormalloads.Themicrocracksformatacriticalload,andthe
rearefourcrackpropagatingwayspresen—
tedonthesurfaceofbonespecimens,amongwhichthecementlinepropagatingwayismostpopular.Themethodstoreduce
thedamagescausedbyradialfrettingonthebone—implantinterfacesweredis
cussed,itisfoundthatitishelpfultoreduce
theradialfrettingonthebone-implantinterfacesbyreducinginterfacestressa
ndmodifyingtheimplantsurface.
Keywords:fretting;radialfretting;corticalbone;implant
骨/种植体是目前常用的植入固定装置,在临床
中受到广泛关注的是种植体远期成功率的问题.
种植体的长期稳定性主要是由皮质骨提供的…,而从
目前的临床及动物实验中发现,种植体在服役一段时
间后,常常在x线片中可以见到皮质骨的吸收以及
微裂纹的产生,这是导致种植体松动失效的重要原
因.因为在功能状态下种植体承担了周期性外力,并
传递至骨一种植体界面,在界面上产生了小振幅的相
基金项目:国家自然科学基金项目(30572064,50535050);
教育部新世纪优秀人才
资助项目(NCET-04-0885).
收稿日期:2007—03—31联系人:于海洋,E—mail:yhyang
68l2@tf01.corn.
作者简介:权慧欣,女,硕士研究生,主要从事生物摩擦学研
究.
对运动,即微动,这种微观运动会破坏界面的完整
甚至造成构件的损伤.近年来,HYYu等在皮质骨
的切向微动磨损方面作了系统的研究工作.然
而,皮质骨除了受交变切向力之外还受到径向力的作
用,而对于结构各向异性的骨组织材料来说,受力方
向与骨材料的力学性能密切相关,因此皮质骨的径向
微动损伤有重要研究价值,对骨/种植体的临床应用
有指导意义.
l实验部分
试验采用高精度液压式径向微动试验机,钛球
与皮质骨试件采用球/面接触方式进行.用数控线砂
切割机将人体新鲜股骨(男性,30岁,左侧股骨中
分同一横断面)切割,制备成皮质骨横断面的平面
骨试件(骨密度经美国LUNARDPX—L双能x线骨密
润滑与密封第32卷
度仪测定均值为0.94g/cm),尺寸为11.5mm×
5.0mm×6.0mm.骨试件表面经轻度打磨抛光至光
镜下无显着划痕,表面粗糙度为冗.(2.98?0.31)
m.钛球为直径10mm的工业纯钛(TA2,成分为
C:0.10%,Si:0.15%,H:0.02%,0:0.20%,
N:0.05%,Fe:0.30%,其余为Ti),表面粗糙度
为R.(0.12?0.02)I.Lm.试验参数为:加载速度12
mm/min;根据皮质骨与
300
Z
,
200
0
O
析,选择最大法向载荷分别为100,200,300,
400N;为保证试件始终保持接触而不发生冲击效应,
设定最小载荷为10N;循环次数1,1×10.试验在
(20?2)?的室温下进行.实验结束后,分别用激光
共聚焦扫描显微镜(LCSM.OlympusOLS1100)和扫
描电镜(FEI—Quanta2000)进行磨斑形貌观察.
2试验结果
载荷一位移(F一D)
曲线能够直接反应接触{一
界面间的形变情况.:
如图1所示,F=100N备
时,首次加载循环曲线
完全重叠,表明接触界
面的变形完全处于弹性
图1首次加载循环F一D曲线
协调状态;>100N图2耗散能随循环周
时,F一D曲线均呈张次的变化曲线
开型,随着载荷的增加FigaI”mmene
最大位移和卸载后位移.f.vcIe
逐渐增大;而且F>
200N后,F一D曲线有张开位移.该结果说明在首
次循环,低载荷下(F?100N)皮质骨发生弹性形
变;F?2ooN时,接触表面受到的应力已经超出皮
质骨弹性调节能力,发生了弹塑性形变;F>200N
后,皮质骨在第一次加载就已经发生显着的塑性形
变,其中F:400N时,塑性变形非常剧烈,加载曲
线出现锯齿状,可能是高应力下出现了裂纹的萌生和
扩展.对微动循环的耗散能(F.D曲线下的面积)
进行了计算,如图2所示.F=100N时耗散能在
firstcycleunderdifferentnormalloads
500次循环后开始逐渐升高,即耗散能随循环周次逐
渐增大;当F=200N时,曲线从首次循环的约
580×10..J起始,逐渐下降;同样在塑性变形条件
下试验,F=300N时的耗散能曲线表现出明显不同
的特征,即由首次循环的约720×10J起始,并随
循环周次的增加而下降,在约100次循环后,耗散能
曲线开始升高,在约1000次循环时达到峰值,随后
降低,这种耗散能峰的出现,可能是接触界面裂纹迅
速扩展的结果,但到一定循环周次后裂纹的调节作用
趋于稳定.
2.2损伤形貌观察
径向微动的损伤区域主要位于最大,最小接触半
径之间的微滑区.F=100N时(见图3(a)),损
伤轻微,磨斑呈现明亮的圆形压入坑.当F=200N
时(见图3(b)),磨斑直径增大,有少量粘着和滑
移的痕迹,未观察到裂纹生成.F=300N时(见图
3(C))磨斑直径没有明显增大但接触边缘磨损显着
加重,在微滑区骨质材料呈片状剥脱,这符合径向微
动损伤的典型形貌特点?..,接触区边缘还可观察到
有裂纹生成(箭头标出).当载荷增加至400N时
(见图3(d)),磨斑的粘着和滑移特征明显,中心
2007年第9期权慧欣等:人体皮质骨/纯钛接触副径向微动损伤研究
47
区域哈佛骨管被径向压力压缩,粘合线模糊不清甚至
消失.在微滑区出现更多明亮的剥脱特征.同时最大
接触区的边缘有很多裂纹产生,骨表面有破溃的趋
势,说明皮质骨已无法承受此载荷.位于微滑区的哈
佛系统出现了皮质骨特有的裂纹扩展方式,主要观察
到4种裂纹形态(见图4):(1)裂纹沿粘合线伸展,
最多见(见图4(a));(2)裂纹被哈佛中心管阻挡
或由中心管起始(见图4(b));(3)裂纹穿通相邻
哈佛管(见图4(c));(4)裂纹在哈佛系统之间的
间骨板上呈直线型传播(见图4(d)).由此形貌可
见,在低应力环境下,主要发生摩擦磨损;高应力环
境下,裂纹更加容易生成,并形成裂纹与磨损共存的
状态.200,300N的法向载荷是裂纹生成的主要范
围.
(b)200N(c)300N
图3载荷分别在100,200,300,400N时的磨斑LCSM形貌
Fig3LCSMphotomicrographsoffrettingscarsunderdifferentnormalloads
图44种裂纹形态的SEM照片
Fig4Themorphographysofdifferentfourformsofcracksinthefrettingscars
3讨论
3.1载荷与径向微动损伤的关系
根据赫兹接触理论以及种植体过盈量的计
算,实验选取的载荷(100,200,300N)分别代
表低,中,高3种载荷,400N作为加强试验来研究
裂纹的变化规律.
以上实验结果表明,皮质骨径向微动可根据发
生形变的不同,分成3种情况.(1)在低载荷水平
F?100N,接触表面以弹性形变为主,损伤不明显;
耗散能从500次循环开始逐渐增大.早期发生弹性形
变,由于皮质骨的粘弹性特点使材料的弹性响应有一
定的时问滞后,而反复的弹性变形不断强化这种效
应,使弹性应力长期积累,形变幅度不断增大,最终
需要弹塑性形变来共同调节,在这一过程中耗散能逐
渐增大.(2)当载荷增加至200N,界面变形处于弹
塑性范围内,有一定程度损伤但不产生裂纹;在此变
形过程中,塑性变形吸收了部分相对运动使耗散能在
整个循环过程中不断减小.(3)当F=300N时,
皮质骨表面损伤主要是材料剥脱及形成微裂纹,
在1000次循环左右耗散能曲线(见图2)的耗散能
以及对应的位移值存在峰值,这可能是由于较高的径
向载荷迫使裂纹形成,裂纹参与变形协调的结果.径
向微动动力学特性与形貌观察的结果是一致的,因此
可以判断:裂纹生成的临界载荷在200,300N之间.
3.2皮质骨的材料特性对径向微动行为的影响
从皮质骨微观结构对径向微动特性的影响来说.
由于哈佛系统由纤维交叉排列的层状骨板构成,各个
方向都具有不同的力学性能”.”,在骨表面受力并
将力沿各个方向传导的过程中,每一层每个方向对力
的响应都是不同的,这就导致了能量在皮质骨中不均
匀的传递.而裂纹正是皮质骨这种生物材料特有的应
力释放的产物.骨板之间的粘合线是应力传导的主要
界面,也是裂纹伸展的主要界面,这是因为粘合线由
不含胶原的高度钙化的粘多糖形成,它无法分散
润滑与密封第32卷
过大的应力,只有靠自身的开裂达到分散应力的目
的;哈佛中心管的空隙结构有应力释放和中断的作
用,同时这种空洞结构相对薄弱,在高应力作用下容
易产生微裂纹;虽然哈佛系统相对独立,但是更
高的应力急于释放时会贯穿相邻的哈佛管.种植体周
围的裂纹从生物体自身防御机制的角度来看,属于骨
组织的自我保护.也就是说,在排除感染等其它因素
后,由骨裂纹导致的种植体松动失效正是提醒了宿主
存在着不当的外力作用.所以通过对皮质骨界面微裂
纹的研究可以更好地研究微动损伤引起种植体失效的
机制.
鉴于皮质骨结构的复合性所对应的其力学行为及
变形调节机制的复杂性,今后有必要在对皮质骨进行
有限元数值分析的基础上,更细致地研究皮质骨的微
动损伤特点.
3.3种植体径向微动损伤的预防
理论上可以通过增加界面摩擦因数(严格地说
是切向力与法向力之比)和增大法向载荷(种植体
过盈量)来防止种植体松动,但是处理不当反而会
引发疲劳问题,即在高应力条件下形成骨裂纹.因
此,应考虑改进#设计
#来降低应力水平以达到预防
微动损伤的发生.从材料学角度来说,钛种植体对皮
质骨的损伤是由于其弹性模量高于后者,因此可以使
用骨生物涂层的
将种植体表面改性,由同种或相
似材料形成界面,这样可在很大程度上降低微动磨损
的发生率.
4结论
(1)人股骨皮质骨与10IlliTI直径的钛球对磨时,
在低载荷(,?100N)下皮质骨表面发生弹性形
变;中等载荷(F~<200N)下皮质骨表面发生弹塑
性形变,没有裂纹生成;而在高载荷(F>200N)
下发生明显的塑性形变,在接触区边缘形成环状磨损
和裂纹.
(2)皮质骨横断面的薄弱区在骨板层间的粘合
线,裂纹易于沿着粘合线生长;中央管既是应力释放
区也是裂纹易生区.
(3)降低界面应力方案和种植体表面改性可有
利于预防骨/植人体径向微动损伤的发生.
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