CN103211666A - 一种提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构 - Google Patents

一种提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构的设计方法，包括人工关节的关节头和关节臼杯，所述关节头和关节臼杯的材质为硬质金属、合金、涂层或陶瓷；所述关节头与关节臼杯的对摩表面中至少有一个摩擦表面，即关节头上、关节臼杯上或关节头上与关节臼杯上的摩擦表面，所述摩擦表面上分布有微孔阵列。本发明的有益效果：微孔织构能使相互接触的摩擦表面产生流体动压润滑，在摩擦副接触表面形成一定厚度的挤压液膜，减轻接触表面的直接粗糙接触，减小摩擦系数，从而降低摩擦力，提高承载能力；作为储油槽，为边界润滑或刚启动的摩擦表面提供润滑，捕获磨屑，减少磨损，延长使用寿命。

Description

一种提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构
技术领域
本发明涉及人工关节植入器械和生物摩擦学领域，特别是一种提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构的设计方法。
背景技术
硬/硬人工关节（Co-Cr-Mo/ Co-Cr-Mo、Al2O3/Al2O3）具有优异的耐磨性能，是长寿命人工关节的发展方向。但由于体内润滑不良，金属与体液的润湿性差，金属对金属在滑动速度较低情况下难以形成流体动压润滑，在体内常处于混合润滑状态，摩擦系数较高。因此，其使用过程中仍然会产生大量金属磨屑，金属磨屑会渗入血液，造成软组织感染甚至会使患者全身中毒，严重影响其可靠性和使用寿命。而全陶瓷关节对应力集中和过载非常敏感，在冲击载荷作用下易发生关节头颈连接处的断裂。因此，迫切需要改善硬/硬人工关节的润滑状态以提高耐磨性和使用寿命。近年来的研究表明，摩擦表面织构化能够有效改善润滑。Zhao和Sadeghi研究了表面织构化对启动时线弹性流体动压润滑的影响，结果显示储有润滑液的凹坑表面的起步时时间远远小于光滑面，证实织构化在启动过程中的减摩作用（见Trans ASME J Tribol, 2004, 126: 672–680）。马晨波等考察了4种织构密度（0%、7%、11%和20%）在不同速度下对摩擦系数的影响规律，表明表面织构使摩擦副在较低的速度下进入流体润滑区域,扩大了流体润滑区域的范围（见中国矿业大学学报, 2010, 39(2): 244-248）。Hiroshi Sawano采用带有碳化硅磨粒的水射流在CoCrMo金属板表面制备深度为1μm的凹坑织构，与UHMWPE销配副的销-板往复摩擦实验表明，摩擦系数和UHMWPE的磨损量都显著降低（见Precision Engineering, 2009, 33: 492-498）。而针对硬/硬人工关节配副的承载表面，包括关节头表面、关节臼杯表面以及关节头和关节臼杯两者表面的微孔织构设计，并未给出合理的优化参数范围，以起到减摩降磨，提高润滑和耐磨性能的作用。
发明内容
本发明的目的在于克服硬/硬人工关节因磨损产生的磨屑积聚，引发机体细胞产生不良的生物学反应，从而导致假体周围骨质溶解、假体松动等问题，本发明提供了一种提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构的设计方法，大大增强人工关节摩擦副接触表面的流体动压效应，捕获磨屑作用以及有效承载能力，使得摩擦力降低，磨损减少，延长使用寿命。
本发明的工作原理是：
摩擦表面上均匀分布微孔，将两接触表面间的液膜厚度转变为凹凸起伏的分布，使润滑液在接触表面产生不均匀的流体动压力分布，从而形成流体动压效应，在关节摩擦副接触表面形成有效的挤压液膜厚度，减少承载表面直接接触面积，有效降低摩擦磨损。
摩擦表面上排布不同直径或不同深度的大小微孔，在微孔密度变化的交界处，较高滑动速度下有利于产生油压从而提高承载能力，并可增加对润滑液的吸纳和存储能力。较大直径或深度的微孔可以产生流体动压效应，也可捕获较大颗粒的磨屑，较小直径或深度的微孔除了捕获较小颗粒的磨屑，最重要的是能够为较大直径或深度微孔提供充足的润滑液以产生有效的流体动压效应，确保人工关节在润滑液不足的情况下仍然能够产生有效的液膜厚度，提供良好的润滑。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构，包括人工关节的关节头和关节臼杯，所述关节头和关节臼杯的材质为硬质金属、合金、涂层或陶瓷；所述关节头与关节臼杯的对磨表面中至少有一个摩擦表面，即关节头上、关节臼杯上或关节头上与关节臼杯上的摩擦表面，所述摩擦表面上分布有微孔阵列。
    其中微孔阵列中微孔沿承载摩擦表面周向或径向交错分布，微孔阵列中微孔的形状为圆形或矩形，所述的摩擦表面上均匀分布大小相等或不等的微孔阵列。
    所述摩擦表面上均匀分布大小相等的微孔阵列，所述微孔阵列中微孔为等直径或等边长微孔，微孔的直径或边长的范围为50～400um，深径比或深度边长的比值范围为0.04～0.2，微孔的面积密度范围为1%～30%，所述的微孔的面积密度为微孔的总表面积与关节承载摩擦表面积之比值。
    所述摩擦表面上均匀分布大小不等的微孔阵列，所述微孔阵列中微孔包括最大微孔与最小微孔，所述最大微孔的直径或边长范围为100～400um，深径比或深度边长的比值范围为0.04～0.2，微孔的面积密度为1%～30%。所述最小微孔的直径或边长范围为50～100um且不包括100um，深径比或深度边长的比值范围为0.05～0.18，微孔的面积密度为1%～30%。 
    所述摩擦表面上微孔阵列中的微孔深度为相同或不同。
所述的不同深度的微孔，微孔沿关节头或关节臼杯周向的分布深度是相同的，所述微孔沿关节头或关节臼杯径向方向的分布深浅交错。
本发明推荐关节头或关节臼杯中只有一个承载表面上分布微孔阵列，并优选关节头表面。
本发明所述的人工关节承载表面微孔织构的有益效果主要体现在：1、关节配副接触表面的微孔结构能够在液膜润滑条件下为摩擦副承载表面提供流体动压润滑；2、微孔结构能够在边界润滑或干摩擦的条件下存储及提供润滑液，捕获磨损颗粒，降低摩擦。提高可靠性，延长寿命。
附图说明
图1是本发明实施例一、实施例二和实施例六中关节头的结构示意图；
图2是本发明实施例二中关节臼杯的结构示意图；
图3是本发明实施例三和实施例七中关节头的结构示意图；
图4是本发明实施例四中关节头的结构示意图；
图5是本发明实施例五中关节臼杯的结构示意图；
图6是本发明实施例六承载表面横截面的结构示意图；
图7是本发明实施例七承载表面横截面的结构示意图。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业技术人员更全面地理解本发明。
实施例1
参见图1：一种人工关节承载表面微孔织构，包括人工关节的关节头和关节臼杯，所述关节头和关节臼杯的材质为钴铬钼合金，所述关节头的摩擦表面上均匀分布微孔阵列，所述微孔阵列中微孔的形状为圆形，所述微孔大小相等，深度相同。
所述微孔的直径为300um，深径比为0.12，微孔的面积密度为17%。
所述的表面织构化关节头与未处理关节臼杯配副，在载荷为50MPa，小牛血清为润滑剂的条件下，使用膝关节模拟器进行摩擦磨损测试。测得所述关节配副的摩擦系数为0.05，低于光滑表面全金属人工关节配副（0.07），年磨损量约为光滑表面全金属人工关节的67%。表明表面织构化能够改善全金属人工关节表面摩擦学性能。
实施例2
参见图1、图2：一种人工关节承载表面微孔织构，包括人工关节的关节头和关节臼杯，所述关节头和关节臼杯的材质为钴铬钼合金，所述关节头和关节臼杯的对磨表面上均分布微孔阵列，所述微孔阵列中微孔的形状为圆形，所述微孔大小相等，深度相同。
所述微孔的直径为120um，深径比为0.1，微孔的面积密度为10%。
所述的表面织构化关节头与表面织构化关节臼杯配副，在载荷为50MPa，小牛血清为润滑剂的条件下，使用膝关节模拟器进行摩擦磨损测试。测得所述关节配副的摩擦系数为0.06，低于光滑表面全金属人工关节配副（0.07），年磨损量约为光滑表面全金属人工关节的77%。表明表面织构化能够改善全金属人工关节表面摩擦学性能。
实施例3
参见图3：一种人工关节承载表面微孔织构，包括人工关节的关节头和关节臼杯，所述关节头和关节臼杯的材质为钴铬钼合金，所述关节头的摩擦表面上分布微孔阵列，所述微孔阵列中微孔的形状为圆形，所述的微孔大小不等，深度相同。
所述大小不等的微孔沿关节头摩擦表面径向交错分布。
所述较小微孔的直径为80um，深径比为0.1，微孔的面积密度为16%；所述较大微孔的直径为200um，深径比为0.04，微孔的面积密度为16%。
所述的表面织构化关节头与未处理关节臼杯配副，在载荷为50MPa，小牛血清为润滑剂的条件下，使用膝关节模拟器进行摩擦磨损测试。测得所述关节配副的摩擦系数为0.04，低于光滑表面全金属人工关节配副（0.07），年磨损量约为光滑表面全金属人工关节的61%。表明表面织构化能够改善全金属人工关节表面摩擦学性能。
实施例4
参见图4：一种人工关节承载表面微孔织构，包括人工关节的关节头和关节臼杯，所述关节头和关节臼杯的材质为Al2O3陶瓷，所述关节头的摩擦表面上分布微孔阵列，所述微孔阵列中微孔的形状为圆形，所述的微孔大小不等，深度相同。
所述大小不等的微孔沿关节头摩擦表面周向交错分布。
本实施例其余结构与实现方式与实施例三相同。
所述的表面织构化关节头与未处理关节臼杯配副，在载荷为50MPa，小牛血清为润滑剂的条件下，使用膝关节模拟器进行摩擦磨损测试。测得所述关节配副的摩擦系数为0.03，低于光滑表面全陶瓷人工关节配副（0.06）。年磨损量约为光滑表面全陶瓷人工关节的63%。表明表面织构化能够改善全陶瓷人工关节表面摩擦学性能。
实施例5
参见图5：一种人工关节承载表面微孔织构，包括人工关节的关节头和关节臼杯，所述关节头和关节臼杯的材质为Al2O3陶瓷，所述关节臼杯的摩擦表面上均匀分布微孔阵列，所述微孔阵列中微孔的形状为矩形，所述微孔大小相等，深度相同。
所述微孔的边长分别为100um和150um，深度边长的比值为0.16，微孔的面积密度为23%。
所述的未处理关节头与表面织构化关节臼杯配副，在载荷为50MPa，小牛血清为润滑剂的条件下，使用膝关节模拟器进行摩擦磨损测试。测得所述关节配副的摩擦系数为0.05，低于光滑表面全陶瓷人工关节配副（0.06），年磨损量约为光滑表面全陶瓷人工关节的74%。表明表面织构化能够改善全陶瓷人工关节表面摩擦学性能。
实施例6
参见图1、图6：一种人工关节承载表面微孔织构，包括人工关节的关节头和关节臼杯，所述关节头和关节臼杯的材质为钴铬钼合金，所述关节头的摩擦表面上均匀分布微孔阵列，所述微孔阵列中微孔的形状为圆形，所述的微孔大小相等，深度不同。
所述微孔的直径为400um，面积密度为17%。
所述微孔的深度沿关节头承载表面周向相同，所述微孔沿关节头承载表面径向方向的排布深、浅交错。
所述微孔的深度分别为8um和15um。
所述的表面织构化关节头与未处理关节臼杯配副，在载荷为50MPa，小牛血清为润滑剂的条件下，使用膝关节模拟器进行摩擦磨损测试。测得所述关节配副的摩擦系数为0.04，低于光滑表面全金属人工关节配副（0.07），年磨损量约为光滑表面全金属人工关节的62%。表明表面织构化能够改善全金属人工关节表面摩擦学性能。
实施例7
参见图3、图7：一种人工关节承载表面微孔织构，包括人工关节的关节头和关节臼杯，所述关节头和关节臼杯的材质为钴铬钼合金，所述关节头的摩擦表面上均匀分布微孔阵列，所述微孔阵列中微孔的形状为圆形，所述的微孔大小不等，深度不同。
所述较小微孔的直径为80um，微孔的面积密度为15%；所述较大微孔的直径为200um，微孔的面积密度为15%。
本实施例其余结构与实现方式与实施例六相同。
所述的表面织构化关节头与未处理关节臼杯配副，在载荷为50MPa，小牛血清为润滑剂的条件下，使用膝关节模拟器进行摩擦磨损测试。测得所述关节配副的摩擦系数为0.04，低于光滑表面全金属人工关节配副（0.07），年磨损量约为光滑表面金属人工关节的59%。表明表面织构化能够改善全金属人工关节表面摩擦学性能。

Claims (7)

1.一种提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构，包括人工关节的关节头和关节臼杯，其特征在于：所述关节头和关节臼杯的材质为硬质金属、合金、涂层或陶瓷；所述关节头与关节臼杯的对磨表面中至少有一个摩擦表面，即关节头上、关节臼杯上或关节头上与关节臼杯上的摩擦表面，所述摩擦表面上分布有微孔阵列。
2.如权利要求1所述的提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构，其特征在于，微孔阵列中微孔沿承载摩擦表面周向或径向交错分布，微孔阵列中微孔的形状为圆形或矩形。
3.如权利要求1所述的提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构，其特征在于，所述摩擦表面上均匀分布大小相等的微孔阵列，所述微孔阵列中微孔为等直径或等边长微孔，微孔的直径或边长的范围为50～400um，深径比或深度边长的比值范围为0.04～0.2，微孔的面积密度范围为1%～30%，所述的微孔的面积密度为微孔的总表面积与关节承载摩擦表面积之比值。
4.如权利要求1所述的提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构，其特征在于，所述摩擦表面上均匀分布大小不等的微孔阵列，所述微孔阵列中微孔包括最大微孔与最小微孔，所述最大微孔的直径或边长范围为100～400um，深径比或深度边长的比值范围为0.04～0.2，微孔的面积密度为1%～30% ；所述最小微孔的直径或边长范围为50～100um且不包括100um，深径比或深度边长的比值范围为0.05～0.18，微孔的面积密度为1%～30%。
5.如权利要求1所述的提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构，其特征在于，所述的微孔阵列中微孔深度相同。
6.如权利要求1所述的提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构，其特征在于，所述的微孔阵列中微孔深度不同。
7.如权利要求6所述的提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构，其特征在于，所述的不同深度的微孔，微孔沿关节头或关节臼杯周向的分布深度是相同的，所述微孔沿关节头或关节臼杯径向方向的分布深浅交错。
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