生物摩擦計能成為聯(lián)合模擬器的先驅嗎?

使用關節(jié)模擬器測試植入物非常復雜、耗時且昂貴。Ducom 生物摩擦磨損試驗機是關節(jié)種植模擬器的先驅，主要用于骨科和牙科中替代生物界面的生物材料的基礎研究。

生物摩擦試驗機由一個或多達六個工作站組成。每個工位都配備了測量摩擦和復合磨損的傳感器、一個潤滑油杯和一個加熱單元(見圖1)。常規(guī)負載可獨立施加在每個工位上，完全自動化?？缮缮聿綉B(tài)負荷曲線(符合ISO 14242測試標準)，以及固定負荷曲線(符合ASTM F732測試標準)。

圖1 Ducom生物摩擦試驗機一個工作站的原理圖。X-Y工作臺可以進行線性往復(沿X或Y軸)、橢圓、旋轉、方形和8字形磨損。運動的類型需所有工位統(tǒng)一。

X-Y工作臺能夠沿兩軸多方向運動，如橢圓、旋轉、方形和8字形磨損輪廓。在直線往復運動(沿X或Y軸)的情況下，通過使用銷旋轉特性高達2Hz或無銷旋轉的方形運動輪廓可產生交叉剪切。

Ducom摩擦試驗機已經對模擬器和回收的植入物進行了基準測試，以建立UHMWPE-CoCrMo髖關節(jié)假體材料的體內磨損機制和磨損率，與疲勞磨損機制(步態(tài)載荷)相關的波紋不能通過傳統(tǒng)的銷盤摩擦試驗機上再現(xiàn)。

表1 采用模擬法、檢索法和Ducom生物摩擦試驗機對超高分子量聚乙烯的磨損率和磨損機理進行了比較。

生物摩擦試驗機模擬ISO 14242步態(tài)負荷剖面

如圖2B所示，我們能夠以接近ISO 14242的間隔重現(xiàn)步態(tài)負荷曲線。一個周期的總持續(xù)時間小于8秒。此外，生物摩擦計的每個工作站都有一對測壓元件，以獲得在整個試驗期間沿著X和Y軸的摩擦力。摩擦系數(shù)在WinDucom軟件和MOOHA平臺上自動計算并顯示。

圖2.（A）符合ISO 14242測試標準的荷載分布圖(B） ISO 14242步態(tài)負荷曲線使用Ducom生物摩擦試驗機獲得。

耐磨UHMWPE等級，使植入物壽命加倍

對兩種不同等級的超高分子聚乙烯（UHMWPE）銷進行了鈷鉻鉬（CoCrMo）盤的測試。在50萬次循環(huán)（MC）內，負載曲線為88至186N的正弦波。摩擦方式為線性往復運動，銷旋轉頻率為1 Hz，試驗樣品在37°C下浸入小牛血清中。在持續(xù)數(shù)天的試驗過程中，獲得了現(xiàn)場摩擦曲線。每0.25 MC測量一次重量損失分析或磨損。

圖3 (A) UHMWPE(交聯(lián))和UHMWPE(非交聯(lián))的磨損率。(B) 50萬次循環(huán)后UHMWPE(未交聯(lián))銷釘和CoCrMo盤的磨損圖像。

如圖3A所示，交聯(lián)UHMWPE (0.64 mm3 / MC)的磨損率幾乎比未交聯(lián)UHMWPE (5.19 mm3 / MC)低一個數(shù)量級。事實上，聚乙烯的交聯(lián)通過加強相鄰碳碳鏈的鍵來降低其流動性，從而使聚乙烯更耐磨損。此外，在未交聯(lián)的UHMPWE及其對位體CoCrMo盤上均觀察到嚴重劃痕(見圖3B)。

Kantesh Balani教授和他的研究團隊(印度理工學院材料科學與工程系坎普爾)，最近發(fā)表了一篇有趣的文章，介紹SS 304和Ti6Al4V的摩擦學性能，使用四種往復幾何。他們使用ducom生物摩擦試驗機(六工位)對兩個摩擦學架在四種不同往復幾何形狀下的摩擦和磨損程度進行分類——線性、圓形、方形和八蝶形。

Ti6Al4V和CoCrMo之間的摩擦和磨損比較。

使用步行步態(tài)負荷曲線（400N為最大負荷），對與Ti6Al4V和CoCrMo圓盤接觸的標準UHMWPE銷進行了120萬次循環(huán)（MC）的測試。試驗樣品在37°C下浸入小牛血清中。獲得重量、摩擦和磨損，并顯示高達1.2 MC。

圖4 UHMWPE銷與Ti6Al4V和CoCrMo盤接觸的摩擦系數(shù)(A)和磨損率(B)

UHMWPE和Ti6Al4V摩擦副的摩擦系數(shù)低于UHMWPE和CoCrMo摩擦副（見圖4A）。這可以歸因于Ti6Al4V上比CoCrMo上更厚的氧化層。一般而言，UHMWPE的磨損率隨著循環(huán)次數(shù)的增加而線性增加，最高可達1.2 MC（見圖4B）。UHMWPE-Ti6Al4V摩擦副和UHMWPE-CoCrMo的累積磨損量分別為8.35 mm3/MC和9 mm3/MC。

圖5 1.2 MC磨損試驗后UHMWPE針腳和金屬盤的掃描電鏡和光學圖像。未磨損的UHMWPE圖像作為參考顯示機器標記(插入)。

使用掃描電子顯微鏡（SEM）進行的定性磨損分析（見圖5）表明，超高分子量聚乙烯（相對于Ti6Al4V）具有更高的磨損，因為存在嚴重的纖維拉拔（或分層）、拋光表面、更深的裂紋和有趣的波紋。與CoCrMo盤相比，Ti6Al4V盤上的劃痕也更多。這些表面特征通常在回收的植入物或關節(jié)模擬器上觀察到。一些臨床研究已經證明，夾帶的第三體磨損顆粒（包括CoCrMo顆粒）是導致CoCrMo上的劃痕與UHMWPE接觸的原因。使用Ducom生物摩擦試驗機中的摩擦腐蝕裝置，需要進一步研究金屬表面的氧化層形成和耐腐蝕性。

ASTM F732為何過時

步行和爬樓梯等體力活動期間產生的動載荷和熱量（高達45°C）會影響UHMPWE的磨損。然而，目前的標準試驗方法ASTM F732不包括這些因素。在這里，我們修改了ASTM F732，將固定載荷改為動態(tài)載荷（A），并研究了溫度對UHMWPE磨損的影響（B）。將試驗樣品浸入小牛血清中，兩種情況下的試驗持續(xù)時間均為60萬個周期。

A.動荷載效應

行走和爬樓梯的步態(tài)負荷循環(huán)（見圖6）已在Ducom生物摩擦試驗機中重現(xiàn)。將與摻雜有維生素E的UHMWPE盤接觸的CoCrMo銷用作摩擦副。

圖6 (A)步行和(B)爬樓梯的步態(tài)荷載周期(較長的間隔)的動態(tài)荷載剖面。在兩個剖面中，最大載荷為400 N，最小載荷為40 N。而步行和爬樓梯的平均載荷分別為172 N和147 N。

與步行相比，爬樓梯顯示出高磨合摩擦（見圖7A）、嚴重的多向劃痕、深槽和剝落（見圖7B）。試驗后，爬樓梯和行走的重量損失分別為3.6 mm3/MC和1.6 mm3/MC。

圖7 CoCrMo銷和UHMWPE維生素E盤的摩擦系數(shù)（A）和光學顯微鏡視圖（B）。

B溫度效應

在步行步態(tài)周期中，在37°C和45°C條件下對標準UHMWPE和摻雜有維生素E針的與CoCr盤接觸的UHMWPE進行測試。如圖8所示，在37°C下?lián)诫s維生素E的UHMWPE的低摩擦磨損行為在45°C下不適用，因為在高溫下維生素E變性。

圖8 在（A）37°C和（B）45°C條件下，標準UHMWPE和摻有維生素E銷的UHMWPE在CoCrMo盤上的摩擦系數(shù)。

此外，由于低疲勞耐磨性，在45°C下?lián)诫s維生素E的UHMWPE上觀察到大波紋（見圖9）。

圖9 在37°C和45°C下進行磨損試驗后，（A）摻雜維生素E的UHMWPE銷和（B）標準UHMWPE銷的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。觀察到銷邊緣分層、微劃痕和磨損碎屑粘附。只有在45°C下?lián)诫s了維生素E的UHMWPE才會出現(xiàn)波紋。

為什么在靜載荷下進行生物摩擦試驗是不現(xiàn)實的？

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料的摩擦磨損行為通常是在固定載荷下研究的，而不代表可變的生理應力條件。這種差異會對UHMWPE材料的選擇產生不利影響，因為UHMWPE材料用于組件測試，目的是提高關節(jié)種植體的使用壽命。在這里，我們在固定載荷(225 N，根據(jù)ASTM F732)下測試了UHMWPE銷(直徑8毫米)與CoCrMo盤(直徑29毫米)，并使用步行步態(tài)周期(請參閱圖6A)。試驗潤滑劑是用磷酸鹽緩沖鹽水(5 g/l PBS)稀釋的牛血清白蛋白(BSA)。監(jiān)測了126萬次循環(huán)的摩擦磨損行為。

圖10 (A) 225N固定載荷和動態(tài)加載時摩擦副的摩擦系數(shù)。(B) UHMWPE在固定載荷和動態(tài)載荷下的磨損試驗體積損失。

在動荷載作用下，摩擦系數(shù)相對于固定荷載穩(wěn)定。此外，超高分子量聚乙烯在動態(tài)負載下的體積損耗比固定負載下小。

圖11 (A)UHMWPE銷在1.26 x 106循環(huán)下的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。動態(tài)加載后，在銷中觀察到波紋。

結果表明:在固定載荷和動態(tài)載荷下均存在多裂紋磨損，在固定載荷下存在深溝槽，在動態(tài)載荷下存在明顯的疲勞磨損(波紋)。結果表明，UHMWPE在固定載荷下的磨損機理與動態(tài)載荷下的磨損機理有定性和定量的差異。

抗菌涂層是否影響磨損和金屬毒性？

在本研究中，我們研究了兩種不同的抗菌涂層在CoCr上的磨損行為。計數(shù)器主體為標準UHMWPE銷，所用潤滑劑為新生小牛血清（澳大利亞原產），蛋白質濃度為20 g/l。試驗室用氣球覆蓋，以避免血清污染和蒸發(fā)（見圖12）。我們同時測試了5對相同的摩擦副。對這些涂層的摩擦磨損行為進行了100萬次循環(huán)監(jiān)測。一個“蝶形”剖面以及一個從250到400 N的正弦負載曲線被用作測試剖面。試驗室在37°C下加熱。

 圖12 生物摩擦試驗機，試驗區(qū)域由滅菌氣球覆蓋，以防止試驗期間生物潤滑劑蒸發(fā)。

總的來說，UHMWPE的變形率和磨損率與臨床報道的UHMWPE穿杯率和磨損率的順序相同。摩擦系數(shù)在0.04 ~ 0.10之間。生物摩擦計的結果顯示涂層A和B之間的差異。

圖13 (A)超過100萬個周期的UHMPWE的體重損失和(B)每25萬個周期后血清中測量的平均離子釋放。

與涂層B相比，涂層A使UHMWPE的磨損率增加了3倍(圖13A)。此外，測試后的磨損圖像顯示涂層A與涂層B相比有嚴重的劃痕(見圖14)。然而，這些涂層從CoCrMo基體中釋放的Co或Cr離子沒有顯著差異(見圖13B)。本研究表明，Ducom生物摩擦試驗機能夠模擬種植體材料的磨損行為，用于選擇耐磨抗菌涂層，即涂層A。

圖14顯微鏡圖像的盤前(左)和后一百萬次磨損試驗(右)。

小牛vs胎血清-我們應該使用哪種潤滑劑?

在本研究中，我們研究了潤滑對UHMWPE磨損和摩擦的影響。計數(shù)器體為鋼合金盤，潤滑劑為新生牛血清(澳大利亞產)和胎牛血清，蛋白濃度均為30 g/l。監(jiān)測了100萬次的摩擦磨損行為。在650 N的固定載荷下，采用“蝶形”剖面作為測試剖面。測試室在37℃下加熱。我們遵循ASTM F732中提到的周期間隔(即50000,200000,500000,1000000)。

圖15。(A)新生兒小牛血清和胎牛血清中UHMPWE針的磨損率超過100萬次循環(huán)試驗。(B)在新生牛血清和胎牛血清中檢測的摩擦對的平均摩擦系數(shù)。

總的來說，兩種血清潤滑的UHMWPE在100萬次循環(huán)后磨損率增加。經過100萬次循環(huán)后，由新生小牛血清潤滑的UHMWPE的磨損率比之前的測量值(即50萬次循環(huán)時)高出了三倍。小牛血清和胎血清潤滑的UHMWPE磨損率分別為18.8 mm3和10.3 mm3?？偟膩碚f，摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的增加而減小，說明聚乙烯表面有平滑作用。牛血清和胎血清潤滑的摩擦對的平均摩擦系數(shù)分別為0.014和0.019。本研究表明，生物摩擦儀可用于篩選不同的生物潤滑劑。這項初步研究建議使用新生兒血清與胎兒血清進行加速磨損試驗。

磨擦在種植體磨損中的重要性。

鈦合金以基牙和螺釘?shù)男问奖粡V泛應用于牙科生物材料。盡管它們具有生物相容性，但它們對陶瓷的耐磨性較差。硬涂層是提高鈦基材料耐磨性的一種解決方案。這種涂層的有效性應在摩擦和磨損試驗中進行測試，以重現(xiàn)種植牙的生理條件。在該研究中，使用Ducom 生物摩擦試驗機評估了帶DLC涂層和不帶DLC涂層的Ti6Al4V圓盤在生理咀嚼載荷下的摩擦磨損性能(見圖16)。

圖16 (A)Ducom生物摩擦試驗機模擬的生理咀嚼循環(huán)

圓盤試樣在直徑為6mm的釔穩(wěn)定氧化鋯球(3Y-TZP)的作用下沿2 mm行程進行往復運動。測試在37°C的PBS溶液浴中進行，總持續(xù)時間為1小時(2610個周期)。用光學顯微鏡定量分析牙體材料的磨損情況，并進行后摩擦試驗。

圖17 (A) Ti6Al4V和DLC圓盤與氧化鋯球的摩擦曲線。(B)測試后的圓盤和球的光學顯微鏡圖像

DLC保護涂層使Ti-6Al-4V的摩擦降低了80%以上(圖17)。結果Ti-6Al-4V的磨損率下降了99%。對于Ti-6Al-4V來說，在生理載荷條件下，摩擦增加意味著磨損增加(圖18)。最后，摩擦對牙體材料的磨損有直接影響。DLC涂層由于其低摩擦性能，可保護Ti-6Al-4V免受磨損。

圖18 (A) Ti6Al4V和DLC盤的摩擦系數(shù)與體積磨損率的關系。

摩擦腐蝕研究。

Ducom生物摩擦磨損儀可以配備一個摩擦腐蝕模塊(見圖19)，以評估材料在摩擦和磨損試驗中的電化學行為。

圖19 Ducom生物摩擦試驗機的摩擦腐蝕裝置原理圖。所有支架均由電絕緣材料制成

該摩擦腐蝕模塊包括一個三電極電化學池設置來測量電位和電流。在這項研究中，我們評估了氧化鋯球(直徑10毫米)與SS316L(直徑60毫米，厚度15毫米)制成的盤的摩擦腐蝕行為。法向載荷為10 N，行程長度為10 mm，滑動速度保持在20 mm/s (1hz頻率)。室溫下使用的介質為NaCl (3.5 wt%)。在同一樣品上進行了多次試驗，驗證了摩擦腐蝕試驗規(guī)程(見圖20)。

圖20 第一階段:金屬鈍化。第二階段:往復過程中被動層的破壞，摩擦磨損的演變。第三階段:鈍化膜的再形成。

在第I階段(約5分鐘)，只測量腐蝕電位(穩(wěn)定/鈍化)。在第二階段，圓盤開始與氧化鋯球往復運動，從而破壞了鈍化層，擴大了磨損軌跡，增強了腐蝕和磨損。在30分鐘的摩擦磨損試驗后，相對運動停止，觀察到鈍化膜的重新形成(第三階段)。

在篩選新生物材料的過程中，必須考慮日常活動的生理負荷分布(如行走、爬樓梯、跑步等)和UHMWPE的交叉剪切效應。Ducom 生物摩擦試驗機的動態(tài)載荷剖面、多向運動和溫度控制特性為模擬體內條件、再現(xiàn)臨床研究觀察到的磨損機制和磨損率提供了現(xiàn)實的測試平臺。