[發(fā)明專利]一種提高潤滑和耐磨性能的人工關(guān)節(jié)承載表面微孔織構(gòu)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310147123.3
• 申請日: 2013-04-25
• 公開（公告）號: CN103211666A
• 公開（公告）日: 2013-07-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 熊黨生;王琨;鄧亞玲
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: A61F2/30
• 分類號: A61F2/30
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及人工關(guān)節(jié)植入器械和生物摩擦學(xué)領(lǐng)域，特別是一種提高潤滑和耐磨性能的人工關(guān)節(jié)承載表面微孔織構(gòu)的設(shè)計方法。

背景技術(shù)

硬/硬人工關(guān)節(jié)（Co-Cr-Mo/?Co-Cr-Mo、Al₂O₃/Al₂O₃）具有優(yōu)異的耐磨性能，是長壽命人工關(guān)節(jié)的發(fā)展方向。但由于體內(nèi)潤滑不良，金屬與體液的潤濕性差，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(nèi)常處于混合潤滑狀態(tài)，摩擦系數(shù)較高。因此，其使用過程中仍然會產(chǎn)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?xí)够颊呷碇卸荆瑖乐赜绊懫淇煽啃院褪褂脡勖６沾申P(guān)節(jié)對應(yīng)力集中和過載非常敏感，在沖擊載荷作用下易發(fā)生關(guān)節(jié)頭頸連接處的斷裂。因此，迫切需要改善硬/硬人工關(guān)節(jié)的潤滑狀態(tài)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(gòu)化能夠有效改善潤滑。Zhao和Sadeghi研究了表面織構(gòu)化對啟動時線彈性流體動壓潤滑的影響，結(jié)果顯示儲有潤滑液的凹坑表面的起步時時間遠遠小于光滑面，證實織構(gòu)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(gòu)密度（0%、7%、11%和20%）在不同速度下對摩擦系數(shù)的影響規(guī)律，表明表面織構(gòu)使摩擦副在較低的速度下進入流體潤滑區(qū)域,擴大了流體潤滑區(qū)域的范圍（見中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,?2010,?39(2):?244-248）。Hiroshi?Sawano采用帶有碳化硅磨粒的水射流在CoCrMo金屬板表面制備深度為1μm的凹坑織構(gòu)，與UHMWPE銷配副的銷-板往復(fù)摩擦實驗表明，摩擦系數(shù)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(guān)節(jié)配副的承載表面，包括關(guān)節(jié)頭表面、關(guān)節(jié)臼杯表面以及關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)臼杯兩者表面的微孔織構(gòu)設(shè)計，并未給出合理的優(yōu)化參數(shù)范圍，以起到減摩降磨，提高潤滑和耐磨性能的作用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服硬/硬人工關(guān)節(jié)因磨損產(chǎn)生的磨屑積聚，引發(fā)機體細胞產(chǎn)生不良的生物學(xué)反應(yīng)，從而導(dǎo)致假體周圍骨質(zhì)溶解、假體松動等問題，本發(fā)明提供了一種提高潤滑和耐磨性能的人工關(guān)節(jié)承載表面微孔織構(gòu)的設(shè)計方法，大大增強人工關(guān)節(jié)摩擦副接觸表面的流體動壓效應(yīng)，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(fā)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(zhuǎn)變?yōu)榘纪蛊鸱姆植迹節(jié)櫥涸诮佑|表面產(chǎn)生不均勻的流體動壓力分布，從而形成流體動壓效應(yīng)，在關(guān)節(jié)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于產(chǎn)生油壓從而提高承載能力，并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(chǎn)生流體動壓效應(yīng)，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(chǎn)生有效的流體動壓效應(yīng)，確保人工關(guān)節(jié)在潤滑液不足的情況下仍然能夠產(chǎn)生有效的液膜厚度，提供良好的潤滑。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：

一種提高潤滑和耐磨性能的人工關(guān)節(jié)承載表面微孔織構(gòu)，包括人工關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)臼杯，所述關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)臼杯的材質(zhì)為硬質(zhì)金屬、合金、涂層或陶瓷；所述關(guān)節(jié)頭與關(guān)節(jié)臼杯的對磨表面中至少有一個摩擦表面，即關(guān)節(jié)頭上、關(guān)節(jié)臼杯上或關(guān)節(jié)頭上與關(guān)節(jié)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范圍為50～400um，深徑比或深度邊長的比值范圍為0.04～0.2，微孔的面積密度范圍為1%～30%，所述的微孔的面積密度為微孔的總表面積與關(guān)節(jié)承載摩擦表面積之比值。