一種提高潤滑和耐磨性能的人工關節承載表面微孔織構的製作方法
2023-04-29 23:45:46
專利名稱：一種提高潤滑和耐磨性能的人工關節承載表面微孔織構的製作方法
技術領域：
本發明涉及人工關節植入器械和生物摩擦學領域，特別是一種提高潤滑和耐磨性能的人工關節承載表面微孔織構的設計方法。
背景技術：
硬/硬人工關節(Co-Cr-Mo/ Co-Cr-Mo, Al2O3Al2O3)具有優異的耐磨性能，是長壽命人工關節的發展方向。但由於體內潤滑不良，金屬與體液的潤溼性差，金屬對金屬在滑動速度較低情況下難以形成流體動壓潤滑，在體內常處於混合潤滑狀態，摩擦係數較高。因此，其使用過程中仍然會產生大量金屬磨屑，金屬磨屑會滲入血液，造成軟組織感染甚至會使患者全身中毒，嚴重影響其可靠性和使用壽命。而全陶瓷關節對應力集中和過載非常敏感，在衝擊載荷作用下易發生關節頭頸連接處的斷裂。因此，迫切需要改善硬/硬人工關節的潤滑狀態以提高耐磨性和使用壽命。近年來的研究表明，摩擦表面織構化能夠有效改善潤滑。Zhao和Sadeghi研究了表面織構化對啟動時線彈性流體動壓潤滑的影響，結果顯示儲有潤滑液的凹坑表面的起步時時間遠遠小於光滑面，證實織構化在啟動過程中的減摩作用(見Trans ASME J Tribol, 2004，126: 672 - 680)。馬晨波等考察了 4種織構密度(0%、7%、11%和20%)在不同速度下對摩擦係數的影響規律，表明表面織構使摩擦副在較低的速度下進入流體 潤滑區域，擴大了流體潤滑區域的範圍(見中國礦業大學學報，2010，39(2): 244-248)ο Hiroshi Sawano採用帶有碳化娃磨粒的水射流在CoCrMo金屬板表面製備深度為IMffl的凹坑織構，與UHMWPE銷配副的銷-板往復摩擦實驗表明，摩擦係數和UHMWPE 的磨損量都顯著降低(見Precision Engineering, 2009, 33: 492-498)。而針對硬/硬人工關節配副的承載表面，包括關節頭表面、關節白杯表面以及關節頭和關節白杯兩者表面的微孔織構設計，並未給出合理的優化參數範圍，以起到減摩降磨，提高潤滑和耐磨性能的作用。
發明內容
本發明的目的在於克服硬/硬人工關節因磨損產生的磨屑積聚，引發機體細胞產生不良的生物學反應，從而導致假體周圍骨質溶解、假體鬆動等問題，本發明提供了一種提高潤滑和耐磨性能的人工關節承載表面微孔織構的設計方法，大大增強人工關節摩擦副接觸表面的流體動壓效應，捕獲磨屑作用以及有效承載能力，使得摩擦力降低，磨損減少，延長使用壽命。本發明的工作原理是:
摩擦表面上均勻分布微孔，將兩接觸表面間的液膜厚度轉變為凹凸起伏的分布，使潤滑液在接觸表面產生不均勻的流體動壓力分布，從而形成流體動壓效應，在關節摩擦副接觸表面形成有效的擠壓液膜厚度，減少承載表面直接接觸面積，有效降低摩擦磨損。摩擦表面上排布不同直徑或不同深度的大小微孔，在微孔密度變化的交界處，較高滑動速度下有利於產生油壓從而提高承載能力，並可增加對潤滑液的吸納和存儲能力。較大直徑或深度的微孔可以產生流體動壓效應，也可捕獲較大顆粒的磨屑，較小直徑或深度的微孔除了捕獲較小顆粒的磨屑，最重要的是能夠為較大直徑或深度微孔提供充足的潤滑液以產生有效的流體動壓效應，確保人工關節在潤滑液不足的情況下仍然能夠產生有效的液膜厚度，提供良好的潤滑。實現本發明目的的技術解決方案為:
一種提聞潤滑和耐磨性能的人工關節承載表面微孔織構，包括人工關節的關節頭和關節臼杯，所述關節頭和關節白杯的材質為硬質金屬、合金、塗層或陶瓷；所述關節頭與關節臼杯的對磨表面中至少有一個摩擦表面，即關節頭上、關節白杯上或關節頭上與關節臼杯上的摩擦表面，所述摩擦表面上分布有微孔陣列。其中微孔陣列中微孔沿承載摩擦表面周向或徑向交錯分布，微孔陣列中微孔的形狀為圓形或矩形，所述的摩擦表面上均勻分布大小相等或不等的微孔陣列。所述摩擦表面上均勻分布大小相等的微孔陣列，所述微孔陣列中微孔為等直徑或等邊長微孔，微孔的直徑或邊長的範圍為50 400um，深徑比或深度邊長的比值範圍為0.04 0.2，微孔的 面積密度範圍為1% 30%，所述的微孔的面積密度為微孔的總表面積與關節承載摩擦表面積之比值。所述摩擦表面上均勻分布大小不等的微孔陣列，所述微孔陣列中微孔包括最大微孔與最小微孔，所述最大微孔的直徑或邊長範圍為100 400um，深徑比或深度邊長的比值範圍為0.04 0.2，微孔的面積密度為1% 30%。所述最小微孔的直徑或邊長範圍為50 IOOum且不包括lOOum，深徑比或深度邊長的比值範圍為0.05 0.18，微孔的面積密度為1% 30%。所述摩擦表面上微孔陣列中的微孔深度為相同或不同。所述的不同深度的微孔，微孔沿關節頭或關節白杯周向的分布深度是相同的，所述微孔沿關節頭或關節白杯徑向方向的分布深淺交錯。本發明推薦關節頭或關節白杯中只有一個承載表面上分布微孔陣列，並優選關節頭表面。本發明所述的人工關節承載表面微孔織構的有益效果主要體現在:1、關節配副接觸表面的微孔結構能夠在液膜潤滑條件下為摩擦副承載表面提供流體動壓潤滑；2、微孔結構能夠在邊界潤滑或幹摩擦的條件下存儲及提供潤滑液，捕獲磨損顆粒，降低摩擦。提高可靠性，延長壽命。
圖1是本發明實施例一、實施例二和實施例六中關節頭的結構示意 圖2是本發明實施例二中關節臼杯的結構示意 圖3是本發明實施例三和實施例七中關節頭的結構示意 圖4是本發明實施例四中關節頭的結構示意 圖5是本發明實施例五中關節臼杯的結構示意 圖6是本發明實施例六承載表面橫截面的結構示意 圖7是本發明實施例七承載表面橫截面的結構示意圖。
具體實施例方式下面的實施例可以使本專業技術人員更全面地理解本發明。實施例1
參見圖1:一種人工關節承載表面微孔織構，包括人工關節的關節頭和關節白杯，所述關節頭和關節白杯的材質為鈷鉻鑰合金，所述關節頭的摩擦表面上均勻分布微孔陣列，所述微孔陣列中微孔的形狀為圓形，所述微孔大小相等，深度相同。所述微孔的直徑為300um，深徑比為0.12，微孔的面積密度為17%。所述的表面織構化關節頭與未處理關節臼杯配副，在載荷為50MPa，小牛血清為潤滑劑的條件下，使用膝關節模擬器進行摩擦磨損測試。測得所述關節配副的摩擦係數為
0.05，低於光滑表面全金屬人工關節配副(0.07)，年磨損量約為光滑表面全金屬人工關節的67%。表明表面織構化能夠改善全金屬人工關節表面摩擦學性能。實施例2
參見圖1、圖2:—種人工關節承載表面微孔織構，包括人工關節的關節頭和關節臼杯，所述關節頭和關節白杯的材質為鈷鉻鑰合金，所述關節頭和關節白杯的對磨表面上均分布微孔陣列，所述微孔陣列中微孔的形狀為圓形，所述微孔大小相等，深度相同。所述微孔的直徑為120um，深徑比為0.1，微孔的面積密度為10%。所述的表面 織構化關節頭與表面織構化關節臼杯配副，在載荷為50MPa，小牛血清為潤滑劑的條件下，使用膝關節模擬器進行摩擦磨損測試。測得所述關節配副的摩擦係數為0.06,低於光滑表面全金屬人工關節配副(0.07),年磨損量約為光滑表面全金屬人工關節的77%。表明表面織構化能夠改善全金屬人工關節表面摩擦學性能。實施例3
參見圖3:—種人工關節承載表面微孔織構，包括人工關節的關節頭和關節白杯，所述關節頭和關節白杯的材質為鈷鉻鑰合金，所述關節頭的摩擦表面上分布微孔陣列，所述微孔陣列中微孔的形狀為圓形，所述的微孔大小不等，深度相同。所述大小不等的微孔沿關節頭摩擦表面徑向交錯分布。所述較小微孔的直徑為80um，深徑比為0.1，微孔的面積密度為16% ;所述較大微孔的直徑為200um，深徑比為0.04，微孔的面積密度為16%。所述的表面織構化關節頭與未處理關節臼杯配副，在載荷為50MPa，小牛血清為潤滑劑的條件下，使用膝關節模擬器進行摩擦磨損測試。測得所述關節配副的摩擦係數為
0.04，低於光滑表面全金屬人工關節配副(0.07)，年磨損量約為光滑表面全金屬人工關節的61%。表明表面織構化能夠改善全金屬人工關節表面摩擦學性能。實施例4
參見圖4:一種人工關節承載表面微孔織構，包括人工關節的關節頭和關節白杯，所述關節頭和關節白杯的材質為Al2O3陶瓷，所述關節頭的摩擦表面上分布微孔陣列，所述微孔陣列中微孔的形狀為圓形，所述的微孔大小不等，深度相同。所述大小不等的微孔沿關節頭摩擦表面周向交錯分布。本實施例其餘結構與實現方式與實施例三相同。所述的表面織構化關節頭與未處理關節臼杯配副，在載荷為50MPa，小牛血清為潤滑劑的條件下，使用膝關節模擬器進行摩擦磨損測試。測得所述關節配副的摩擦係數為0.03，低於光滑表面全陶瓷人工關節配副(0.06)。年磨損量約為光滑表面全陶瓷人工關節的63%。表明表面織構化能夠改善全陶瓷人工關節表面摩擦學性能。實施例5
參見圖5:—種人工關節承載表面微孔織構，包括人工關節的關節頭和關節白杯，所述關節頭和關節白杯的材質為Al2O3陶瓷，所述關節白杯的摩擦表面上均勻分布微孔陣列，所述微孔陣列中微孔的形狀為矩形，所述微孔大小相等，深度相同。所述微孔的邊長分別為IOOum和150um，深度邊長的比值為0.16，微孔的面積密度為 23%。所述的未處理關節頭與表面織構化關節臼杯配副，在載荷為50MPa，小牛血清為潤滑劑的條件下，使用膝關節模擬器進行摩擦磨損測試。測得所述關節配副的摩擦係數為0.05，低於光滑表面全陶瓷人工關節配副(0.06)，年磨損量約為光滑表面全陶瓷人工關節的74%。表明表面織構化能夠改善全陶瓷人工關節表面摩擦學性能。實施例6
參見圖1、圖6:—種人工關節承載表面微孔織構，包括人工關節的關節頭和關節臼杯，所述關節頭和關節白杯的材質為鈷鉻鑰合金，所述關節頭的摩擦表面上均勻分布微孔陣列，所述微孔陣列中微孔的形狀為圓形，所述的微孔大小相等，深度不同。所述微孔的直徑為400um，面積密度為17%。所述微孔的深度沿關節頭承載表面周向相同，所述微孔沿關節頭承載表面徑向方向的排布深、淺交錯。所述微孔的深度分別為8um和15um。所述的表面織構化關節頭與未處理關節臼杯配副，在載荷為50MPa，小牛血清為潤滑劑的條件下，使用膝關節模擬器進行摩擦磨損測試。測得所述關節配副的摩擦係數為
0.04，低於光滑表面全金屬人工關節配副(0.07)，年磨損量約為光滑表面全金屬人工關節的62%。表明表面織構化能夠改善全金屬人工關節表面摩擦學性能。實施例7
參見圖3、圖7:—種人工關節承載表面微孔織構，包括人工關節的關節頭和關節臼杯，所述關節頭和關節白杯的材質為鈷鉻鑰合金，所述關節頭的摩擦表面上均勻分布微孔陣列，所述微孔陣列中微孔的形狀為圓形，所述的微孔大小不等，深度不同。所述較小微孔的直徑為80um，微孔的面積密度為15% ;所述較大微孔的直徑為200um，微孔的面積密度為15%。本實施例其餘結構與實現方式與實施例六相同。所述的表面織構化關節頭與未處理關節臼杯配副，在載荷為50MPa，小牛血清為潤滑劑的條件下，使用膝關節模擬器進行摩擦磨損測試。測得所述關節配副的摩擦係數為
0.04，低於光滑表面全金屬人工關節配副(0.07)，年磨損量約為光滑表面金屬人工關節的59%。表明表面織構化能夠改善全金屬人工關節表面摩擦學性能。
權利要求
1.一種提高潤滑和耐磨性能的人工關節承載表面微孔織構，包括人工關節的關節頭和關節白杯，其特徵在於:所述關節頭和關節白杯的材質為硬質金屬、合金、塗層或陶瓷；所述關節頭與關節白杯的對磨表面中至少有一個摩擦表面，即關節頭上、關節白杯上或關節頭上與關節白杯上的摩擦表面，所述摩擦表面上分布有微孔陣列。
2.如權利要求1所述的提高潤滑和耐磨性能的人工關節承載表面微孔織構，其特徵在於，微孔陣列中微孔沿承載摩擦表面周向或徑向交錯分布，微孔陣列中微孔的形狀為圓形或矩形。
3.如權利要求1所述的提高潤滑和耐磨性能的人工關節承載表面微孔織構，其特徵在於，所述摩擦表面上均勻分布大小相等的微孔陣列，所述微孔陣列中微孔為等直徑或等邊長微孔，微孔的直徑或邊長的範圍為50 400um，深徑比或深度邊長的比值範圍為0.04 0.2，微孔的面積密度範圍為1% 30%，所述的微孔的面積密度為微孔的總表面積與關節承載摩擦表面積之比值。
4.如權利要求1所述的提高潤滑和耐磨性能的人工關節承載表面微孔織構，其特徵在於，所述摩擦表面上均勻分布大小不等的微孔陣列，所述微孔陣列中微孔包括最大微孔與最小微孔，所述最大微孔的直徑或邊長範圍為100 400um，深徑比或深度邊長的比值範圍為0.04 0.2，微孔的面積密度為1% 30% ;所述最小微孔的直徑或邊長範圍為50 IOOum且不包括lOOum，深徑比或深度邊長的比值範圍為0.05 0.18，微孔的面積密度為1% 30%。
5.如權利要求1所述的提高潤滑和耐磨性能的人 工關節承載表面微孔織構，其特徵在於，所述的微孔陣列中微孔深度相同。
6.如權利要求1所述的提高潤滑和耐磨性能的人工關節承載表面微孔織構，其特徵在於，所述的微孔陣列中微孔深度不同。
7.如權利要求6所述的提高潤滑和耐磨性能的人工關節承載表面微孔織構，其特徵在於，所述的不同深度的微孔，微孔沿關節頭或關節白杯周向的分布深度是相同的，所述微孔沿關節頭或關節白杯徑向方向的分布深淺交錯。
全文摘要
本發明涉及一種提高潤滑和耐磨性能的人工關節承載表面微孔織構的設計方法，包括人工關節的關節頭和關節臼杯，所述關節頭和關節臼杯的材質為硬質金屬、合金、塗層或陶瓷；所述關節頭與關節臼杯的對摩表面中至少有一個摩擦表面，即關節頭上、關節臼杯上或關節頭上與關節臼杯上的摩擦表面，所述摩擦表面上分布有微孔陣列。本發明的有益效果微孔織構能使相互接觸的摩擦表面產生流體動壓潤滑，在摩擦副接觸表面形成一定厚度的擠壓液膜，減輕接觸表面的直接粗糙接觸，減小摩擦係數，從而降低摩擦力，提高承載能力；作為儲油槽，為邊界潤滑或剛啟動的摩擦表面提供潤滑，捕獲磨屑，減少磨損，延長使用壽命。
文檔編號A61F2/30GK103211666SQ20131014712
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月25日 優先權日2013年4月25日
發明者熊黨生, 王琨, 鄧亞玲 申請人:南京理工大學