王俊元 段晨曦 杜文华 董 磊

(中北大学机械工程学院， 太原 030051)

引言

随着科学技术的快速发展，人工关节的市场需求量也不断增加，全关节置换逐渐成为治疗一系列关节疾病的有效手段。当前，人工关节配副材料多选用超高分子量聚乙烯(ultra high molecular weight polyethylene，UHMWPE)与金属或陶瓷的组合。而目前的研究发现，UHMWPE磨损产生的磨屑会出现聚集，并诱发机体细胞产生一系列不良反应，导致假体周围溶解，使固定良好的假体出现松动，这一现象会使得假体的使用寿命大大缩短。另外，UHMWPE材料的硬度偏低，抗蠕变性能较差，晚期磨损较为严重。为了提高人工关节的使用寿命，开发新一代的高耐磨损人工关节材料势在必行[1]。

目前，聚醚醚酮(polyetheretherketone，PEEK)和碳纤维增强聚醚醚酮(carbon fiber reinforced polyetheretherketone，CFR-PEEK)已经在脊柱笼和骨固定装置中有所应用[2]。PEEK是一种全芳香族半结晶性的热塑性特种工程塑料，与其他的特种工程塑料相比具有诸多显著的优势，如具有良好的热稳定性、化学稳定性、自润滑性以及很好的生物相容性等[3-4]。与UHMWPE类似，PEEK也属于半结晶体，这就意味着它具有结晶和非结晶区域。目前的研究表明，PEEK能够抗辐射损伤，因而相比其他材料更便于消毒。

国内外已经进行了许多依托于新型材料PEEK和CFR-PEEK的人工关节方面的研究。多年来，一直通过销盘模型进行材料的筛选和研究，在此过程中探索了诸如润滑剂、滑动距离、接触压力和交叉剪切比等不同参数对人工关节材料磨损的影响[4-8]。研究表明，在PEEK和CFR-PEEK与金属板或陶瓷板的销盘型磨损实验中，CFR-PEEK与UHMWPE相比具有同等或更优的磨损性能[9-10]。另外，有迹象表明，碳纤维的磨蚀性会导致聚乙烯材料磨损增加，因此UHMWPE不宜与CFR-PEEK作为关节配副材料[11]。

迄今为止，众多研究已表明，PEEK和CFR-PEEK在人工关节置换材料领域具有很好的发展潜力。但与此同时，仍需要更加深入地了解影响PEEK和CFR-PEKK磨损性能的因素，为今后PEEK和CFR-PEEK在人工关节置换领域更好的发展提供支持。交叉剪切的运动形式与人体关节的实际运动形式更为相近，因此，交叉剪切条件作为衡量人工关节材料磨损性能的重要参数条件，对于PEEK及CFR-PEEK材料在人工关节应用中磨损性能的评定具有重要的意义。本项研究的目的是为了研究PEEK和CFR-PEEK在一系列交叉剪切条件下与CoCrMo接触面的磨损性能，以探索PEEK和CFR-PEEK在全关节置换中的潜在应用。

1 方法

1.1 实验材料

PEEK(棒状)选取德国恩欣格公司生产的PEEK-1000，CFR-PEEK(棒状)选取美国杜邦公司生产的PEEK-CA30，CoCrMo(板状)选取医用级钴铬钼合金。

将PEEK与CFR-PEEK加工成接触面直径为8 mm、外径为12 mm、长度为28 mm的圆柱棒(见图1(a))。将CoCrMo加工成60 mm×52 mm×8 mm的薄板，同时对CoCrMo板进行抛光和研磨，直至其具有光滑的表面光洁度(Ra≤0.01 μm)。

1.2 磨损实验

实验采用美国Rtec仪器有限公司生产的多功能摩擦磨损试验机。该试验机属于销盘型摩擦磨损试验机(见图1(b))，在本实验中，上试样为PEEK、CFR-PEEK以及UHMWPE棒，下试样为CoCrMo板。

1.2.1前期准备

在实验开始之前，需要将各组实验材料在无菌水中浸泡至少250 h，以稳定其含水量。为了确定基准点，使用70%异丙醇/水溶液超声清洗试样10 min，然后干燥并称重。同时，用新生小牛血清配置润滑剂。将新生小牛血清用去离子水稀释至25 %，并辅以0.03%(体积/体积)叠氮化钠以延缓细菌的生长[12]。

1.2.2实验过程

通过使用销盘型磨损试验机进行多向磨损实验，操作试验机的频率为(1.0±0.1)Hz。每组实验均是由来回往复运动的CoCrMo板和绕其轴线转动的PEEK(或CFR-PEEK)所组成的(见图1(c))。在整个实验过程中，对销施加160 N的恒定压力载荷，使8 mm直径的销接触表面产生3.18 MPa的公称接触压力，满足人类关节接触压力的生理范围。交叉剪切对PEEK和CFR-PEEK磨损的影响，通过调整每次实验的行程长度和旋转条件来实现(见表1)。所研究的交叉剪切比条件的范围从0(单向运动)～0.254(多向运动)进行变化，符合全关节置换中发生在轴承界面处的条件。在各个实验条件下，不同材料都进行了3次以上的重复实验[13]。

图1 实验试件及运动示意。(a)上试件销的尺寸；(b)销盘型磨损实验机；(c)实验运动示意Fig.1 The experimental specimen and the schematic diagram of movement. (a) Size of upper test pin; (b) The actual figure of pin-on-plate type wear test machine; (c) Sketch of experimental motion

交叉剪切比旋转角度/(°)行程/mm00200.039±20200.078±30280.18±45260.254±5538

每次实验进行100万次循环(Mc)，并以0.33 Mc的间隔通过重量分析来评估磨损。同时，在试验过程中，每天更换蒸发液，加入去离子水，每经过0.33 Mc的间隔完全更换一次润滑剂。在每次实验中，取每种条件下的两个未加载的对照试样浸泡在相同的润滑剂中，保持对照试样与实验试样存放于相同的温度和润滑条件下。在每个测量点，将实验试样从试验机上取下，并同对照试样一起，通过称重法进行磨损情况的研究。

在每次称重之前，对销轴进行清洗，然后在受控温度和湿度的环境中放置48 h，以稳定聚合物。之后将试样在(13.3±0.13)Pa的真空中进一步干燥至少30 min，并在从真空中取出的90 min内，将试样通过旋转一定的角度在天平上称重两次。如果每个样品的两个读数在0.1 mg内不相同，则继续旋转、读数，直到每个样品的至少两个读数在0.1 mg内相同。称重时，需要将试样存放在密封的无尘容器中[14]。样品的密度分别为：1.42 g/cm3的CFR-PEEK，1.32 g/cm3的PEEK，0.94 g/cm3的UHMWPE[15]。将重量转化为磨损体积，并计算磨损系数k，有

(1)

式中：k是磨损系数，mm3/Nm；V是体积磨损量，mm3；P是施加载荷，N，X是滑动距离，m[16]。

1.2.3实验后处理

在每次实验开始和结束后，需要将上下试样以及对照试样置于异丙醇中超声清洗10 min。然后，使用表面轮廓仪(Taylor Hobson，Leicester，UK)测量下试样的表面轮廓，并使用带宽为100∶1和取样截止波长为0.8 mm高斯滤波器，对试样的表面形貌进行测量。

2 结果

通过改变销盘型磨损机中的滑动距离和旋转角度，实现从单向运动(CS比率为0，20 mm/0°)到多向运动(CS比率为0.254，38 mm/±55°)的变化。在单向运动的研究中，PEEK与CFR-PEEK的磨损系数均为最低值；在多向运动的研究中，PEEK表现出与交叉剪切条件相关的磨损行为。PEEK在单向运动时，磨损系数最低为(1.63±1.08)×10-6mm3/N·m；而在交叉剪切比为0.254的多向运动中，磨损系数增加到最大值(8.02±2.03)×10-6mm3/N·m。但是，CFR-PEEK材料并没有表现出与交叉剪切条件有较大关联的磨损行为。在不同的交叉剪切条件下，CFR-PEEK的平均磨损系数并没有太大的差异。交叉剪切对于PEEK和CFK-PEEK磨损的影响如图2所示。

图2 交叉剪切对于PEEK和CFR-PEEK磨损的影响(均与CoCrMo合金组成摩擦副)Fig.2 Influence of cross shear on the wear of PEEK and CFR-PEEK (both with the CoCrMo alloy as a friction pair)

3 讨论

图3 交叉剪切对于PEEK，CFR-PEEK以及UHMWPE磨损系数影响的比较Fig.3 Comparison of the effects of cross shear on the wear coefficient of PEEK, CFR-PEEK and UHMWPE

对于新材料性能的探索，加速了人工关节的研究进程。通过位移和旋转的几种不同组合来创建不同的交叉剪切比条件，由此来探索交叉剪切条件对于PEEK以及CFR-PEEK磨损性能的影响。在与传统关节材料UHMWPE磨损性能的对比(见图3)中，PEEK与UHMWPE材料都表现出与交叉剪切条件相关的磨损行为，而改变交叉剪切条件对CFR-PEEK材料的磨损系数几乎没有影响[17]。从材料内部性能来看，未填充的PEEK材料可能在主要运动方向上经历分子取向(应变硬化)，这在增加该方向上的磨损性能的同时，降低了垂直平面内的耐磨性，因此在较高交叉剪切的条件下磨损系数出现增加[18]。相反，CFR-PEEK材料中存在随机取向的碳纤维，防止了这种重新取向，因此该材料的磨损性能没有表现出与交叉剪切条件相关的依赖性。在更高强度的运动需求下，也就是更为不利的磨损条件下，这种独立性可能表现出有利的一面。这些研究表明，CFR-PEEK在人工关节的未来应用上具有很大的发展潜力，这也为新一代高寿命人工关节的研发带来了新希望。

4 结论

本研究讨论了在一系列交叉剪切条件下，PEEK和CFR-PEEK材料作为人工关节潜在材料的磨损性能。在与金属组成的摩擦副的磨损研究中，PEEK与CFR-PEEK及UHMWPE这两种材料相比，均表现出较高的磨损。因此，在当前的人工关节置换中，PEEK并不是UHMWPE理想的替代材料。而CFR-PEEK材料在实验中表现出优异的磨损性能，与PEEK和UHMWPE相比具有较大优势，且其磨损不受交叉剪切条件的影响。这就说明，CFR-PEEK材料在人工关节应用方面具有巨大的潜力。通过未来更深入全面的研究，CFR-PEEK有望成为UHMWPE材料良好的替代品。