專利名稱：一種提高潤(rùn)滑和耐磨性能的人工關(guān)節(jié)承載表面微孔織構(gòu)的制作方法
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(rùn)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(jì)方法。
背景技術(shù)：
硬/硬人工關(guān)節(jié)(Co-Cr-Mo/ Co-Cr-Mo, Al2O3Al2O3)具有優(yōu)異的耐磨性能，是長(zhǎng)壽命人工關(guān)節(jié)的發(fā)展方向。但由于體內(nèi)潤(rùn)滑不良，金屬與體液的潤(rùn)濕性差，金屬對(duì)金屬在滑動(dòng)速度較低情況下難以形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，在體內(nèi)常處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦系數(shù)較高。因此，其使用過程中仍然會(huì)產(chǎn)生大量金屬磨屑，金屬磨屑會(huì)滲入血液，造成軟組織感染甚至?xí)够颊呷碇卸?，?yán)重影響其可靠性和使用壽命。而全陶瓷關(guān)節(jié)對(duì)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(rùn)滑狀態(tài)以提高耐磨性和使用壽命。近年來(lái)的研究表明，摩擦表面織構(gòu)化能夠有效改善潤(rùn)滑。Zhao和Sadeghi研究了表面織構(gòu)化對(duì)啟動(dòng)時(shí)線彈性流體動(dòng)壓潤(rùn)滑的影響，結(jié)果顯示儲(chǔ)有潤(rùn)滑液的凹坑表面的起步時(shí)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光滑面，證實(shí)織構(gòu)化在啟動(dòng)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(duì)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(jìn)入流體 潤(rùn)滑區(qū)域，擴(kuò)大了流體潤(rùn)滑區(qū)域的范圍(見中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，39(2): 244-248)ο Hiroshi Sawano采用帶有碳化娃磨粒的水射流在CoCrMo金屬板表面制備深度為IMffl的凹坑織構(gòu)，與UHMWPE銷配副的銷-板往復(fù)摩擦實(shí)驗(yàn)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(duì)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)白杯表面以及關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)白杯兩者表面的微孔織構(gòu)設(shè)計(jì)，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(rùn)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(jī)體細(xì)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(dòng)等問題，本發(fā)明提供了一種提高潤(rùn)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(jì)方法，大大增強(qiáng)人工關(guān)節(jié)摩擦副接觸表面的流體動(dòng)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(zhǎng)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?，使?jié)櫥涸诮佑|表面產(chǎn)生不均勻的流體動(dòng)壓力分布，從而形成流體動(dòng)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(dòng)速度下有利于產(chǎn)生油壓從而提高承載能力，并可增加對(duì)潤(rùn)滑液的吸納和存儲(chǔ)能力。較大直徑或深度的微孔可以產(chǎn)生流體動(dòng)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?yàn)檩^大直徑或深度微孔提供充足的潤(rùn)滑液以產(chǎn)生有效的流體動(dòng)壓效應(yīng)，確保人工關(guān)節(jié)在潤(rùn)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(rùn)滑。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:
一種提聞潤(rùn)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)白杯的材質(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(duì)磨表面中至少有一個(gè)摩擦表面，即關(guān)節(jié)頭上、關(guān)節(jié)白杯上或關(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(cuò)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(zhǎng)微孔，微孔的直徑或邊長(zhǎng)的范圍為50 400um，深徑比或深度邊長(zhǎng)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。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(zhǎng)范圍為100 400um，深徑比或深度邊長(zhǎng)的比值范圍為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(zhǎng)范圍為50 IOOum且不包括lOOum，深徑比或深度邊長(zhǎng)的比值范圍為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(guān)節(jié)頭或關(guān)節(jié)白杯周向的分布深度是相同的，所述微孔沿關(guān)節(jié)頭或關(guān)節(jié)白杯徑向方向的分布深淺交錯(cuò)。本發(fā)明推薦關(guān)節(jié)頭或關(guān)節(jié)白杯中只有一個(gè)承載表面上分布微孔陣列，并優(yōu)選關(guān)節(jié)頭表面。本發(fā)明所述的人工關(guān)節(jié)承載表面微孔織構(gòu)的有益效果主要體現(xiàn)在:1、關(guān)節(jié)配副接觸表面的微孔結(jié)構(gòu)能夠在液膜潤(rùn)滑條件下為摩擦副承載表面提供流體動(dòng)壓潤(rùn)滑；2、微孔結(jié)構(gòu)能夠在邊界潤(rùn)滑或干摩擦的條件下存儲(chǔ)及提供潤(rùn)滑液，捕獲磨損顆粒，降低摩擦。提高可靠性，延長(zhǎng)壽命。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例一、實(shí)施例二和實(shí)施例六中關(guān)節(jié)頭的結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明實(shí)施例二中關(guān)節(jié)臼杯的結(jié)構(gòu)示意 圖3是本發(fā)明實(shí)施例三和實(shí)施例七中關(guān)節(jié)頭的結(jié)構(gòu)示意 圖4是本發(fā)明實(shí)施例四中關(guān)節(jié)頭的結(jié)構(gòu)示意 圖5是本發(fā)明實(shí)施例五中關(guān)節(jié)臼杯的結(jié)構(gòu)示意 圖6是本發(fā)明實(shí)施例六承載表面橫截面的結(jié)構(gòu)示意 圖7是本發(fā)明實(shí)施例七承載表面橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面的實(shí)施例可以使本專業(yè)技術(shù)人員更全面地理解本發(fā)明。實(shí)施例1
參見圖1:一種人工關(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)白杯，所述關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)白杯的材質(zhì)為鈷鉻鑰合金，所述關(guān)節(jié)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(gòu)化關(guān)節(jié)頭與未處理關(guān)節(jié)臼杯配副，在載荷為50MPa，小牛血清為潤(rùn)滑劑的條件下，使用膝關(guān)節(jié)模擬器進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試。測(cè)得所述關(guān)節(jié)配副的摩擦系數(shù)為
0.05，低于光滑表面全金屬人工關(guān)節(jié)配副(0.07)，年磨損量約為光滑表面全金屬人工關(guān)節(jié)的67%。表明表面織構(gòu)化能夠改善全金屬人工關(guān)節(jié)表面摩擦學(xué)性能。實(shí)施例2
參見圖1、圖2:—種人工關(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)白杯的材質(zhì)為鈷鉻鑰合金，所述關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)白杯的對(duì)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(gòu)化關(guān)節(jié)頭與表面織構(gòu)化關(guān)節(jié)臼杯配副，在載荷為50MPa，小牛血清為潤(rùn)滑劑的條件下，使用膝關(guān)節(jié)模擬器進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試。測(cè)得所述關(guān)節(jié)配副的摩擦系數(shù)為0.06,低于光滑表面全金屬人工關(guān)節(jié)配副(0.07),年磨損量約為光滑表面全金屬人工關(guān)節(jié)的77%。表明表面織構(gòu)化能夠改善全金屬人工關(guān)節(jié)表面摩擦學(xué)性能。實(shí)施例3
參見圖3:—種人工關(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)白杯，所述關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)白杯的材質(zhì)為鈷鉻鑰合金，所述關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)頭摩擦表面徑向交錯(cuò)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(gòu)化關(guān)節(jié)頭與未處理關(guān)節(jié)臼杯配副，在載荷為50MPa，小牛血清為潤(rùn)滑劑的條件下，使用膝關(guān)節(jié)模擬器進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試。測(cè)得所述關(guān)節(jié)配副的摩擦系數(shù)為
0.04，低于光滑表面全金屬人工關(guān)節(jié)配副(0.07)，年磨損量約為光滑表面全金屬人工關(guān)節(jié)的61%。表明表面織構(gòu)化能夠改善全金屬人工關(guān)節(jié)表面摩擦學(xué)性能。實(shí)施例4
參見圖4:一種人工關(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)白杯，所述關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)白杯的材質(zhì)為Al2O3陶瓷，所述關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)頭摩擦表面周向交錯(cuò)分布。本實(shí)施例其余結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方式與實(shí)施例三相同。所述的表面織構(gòu)化關(guān)節(jié)頭與未處理關(guān)節(jié)臼杯配副，在載荷為50MPa，小牛血清為潤(rùn)滑劑的條件下，使用膝關(guān)節(jié)模擬器進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試。測(cè)得所述關(guān)節(jié)配副的摩擦系數(shù)為0.03，低于光滑表面全陶瓷人工關(guān)節(jié)配副(0.06)。年磨損量約為光滑表面全陶瓷人工關(guān)節(jié)的63%。表明表面織構(gòu)化能夠改善全陶瓷人工關(guān)節(jié)表面摩擦學(xué)性能。實(shí)施例5
參見圖5:—種人工關(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)白杯，所述關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)白杯的材質(zhì)為Al2O3陶瓷，所述關(guān)節(jié)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(zhǎng)分別為IOOum和150um，深度邊長(zhǎng)的比值為0.16，微孔的面積密度為 23%。所述的未處理關(guān)節(jié)頭與表面織構(gòu)化關(guān)節(jié)臼杯配副，在載荷為50MPa，小牛血清為潤(rùn)滑劑的條件下，使用膝關(guān)節(jié)模擬器進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試。測(cè)得所述關(guān)節(jié)配副的摩擦系數(shù)為0.05，低于光滑表面全陶瓷人工關(guān)節(jié)配副(0.06)，年磨損量約為光滑表面全陶瓷人工關(guān)節(jié)的74%。表明表面織構(gòu)化能夠改善全陶瓷人工關(guān)節(jié)表面摩擦學(xué)性能。實(shí)施例6
參見圖1、圖6:—種人工關(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)白杯的材質(zhì)為鈷鉻鑰合金，所述關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)頭承載表面周向相同，所述微孔沿關(guān)節(jié)頭承載表面徑向方向的排布深、淺交錯(cuò)。所述微孔的深度分別為8um和15um。所述的表面織構(gòu)化關(guān)節(jié)頭與未處理關(guān)節(jié)臼杯配副，在載荷為50MPa，小牛血清為潤(rùn)滑劑的條件下，使用膝關(guān)節(jié)模擬器進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試。測(cè)得所述關(guān)節(jié)配副的摩擦系數(shù)為
0.04，低于光滑表面全金屬人工關(guān)節(jié)配副(0.07)，年磨損量約為光滑表面全金屬人工關(guān)節(jié)的62%。表明表面織構(gòu)化能夠改善全金屬人工關(guān)節(jié)表面摩擦學(xué)性能。實(shí)施例7
參見圖3、圖7:—種人工關(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)白杯的材質(zhì)為鈷鉻鑰合金，所述關(guān)節(jié)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(shí)施例其余結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)方式與實(shí)施例六相同。所述的表面織構(gòu)化關(guān)節(jié)頭與未處理關(guān)節(jié)臼杯配副，在載荷為50MPa，小牛血清為潤(rùn)滑劑的條件下，使用膝關(guān)節(jié)模擬器進(jìn)行摩擦磨損測(cè)試。測(cè)得所述關(guān)節(jié)配副的摩擦系數(shù)為
0.04，低于光滑表面全金屬人工關(guān)節(jié)配副(0.07)，年磨損量約為光滑表面金屬人工關(guān)節(jié)的59%。表明表面織構(gòu)化能夠改善全金屬人工關(guān)節(jié)表面摩擦學(xué)性能。
權(quán)利要求
1.一種提高潤(rùn)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)白杯，其特征在于:所述關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)白杯的材質(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)白杯的對(duì)磨表面中至少有一個(gè)摩擦表面，即關(guān)節(jié)頭上、關(guān)節(jié)白杯上或關(guān)節(jié)頭上與關(guān)節(jié)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(quán)利要求1所述的提高潤(rùn)滑和耐磨性能的人工關(guān)節(jié)承載表面微孔織構(gòu)，其特征在于，微孔陣列中微孔沿承載摩擦表面周向或徑向交錯(cuò)分布，微孔陣列中微孔的形狀為圓形或矩形。
3.如權(quán)利要求1所述的提高潤(rùn)滑和耐磨性能的人工關(guān)節(jié)承載表面微孔織構(gòu)，其特征在于，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(zhǎng)微孔，微孔的直徑或邊長(zhǎng)的范圍為50 400um，深徑比或深度邊長(zhǎng)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。
4.如權(quán)利要求1所述的提高潤(rùn)滑和耐磨性能的人工關(guān)節(jié)承載表面微孔織構(gòu)，其特征在于，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(zhǎng)范圍為100 400um，深徑比或深度邊長(zhǎng)的比值范圍為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(zhǎng)范圍為50 IOOum且不包括lOOum，深徑比或深度邊長(zhǎng)的比值范圍為0.05 0.18，微孔的面積密度為1% 30%。
5.如權(quán)利要求1所述的提高潤(rùn)滑和耐磨性能的人 工關(guān)節(jié)承載表面微孔織構(gòu)，其特征在于，所述的微孔陣列中微孔深度相同。
6.如權(quán)利要求1所述的提高潤(rùn)滑和耐磨性能的人工關(guān)節(jié)承載表面微孔織構(gòu)，其特征在于，所述的微孔陣列中微孔深度不同。
7.如權(quán)利要求6所述的提高潤(rùn)滑和耐磨性能的人工關(guān)節(jié)承載表面微孔織構(gòu)，其特征在于，所述的不同深度的微孔，微孔沿關(guān)節(jié)頭或關(guān)節(jié)白杯周向的分布深度是相同的，所述微孔沿關(guān)節(jié)頭或關(guān)節(jié)白杯徑向方向的分布深淺交錯(cuò)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高潤(rùn)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(jì)方法，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(duì)摩表面中至少有一個(gè)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。本發(fā)明的有益效果微孔織構(gòu)能使相互接觸的摩擦表面產(chǎn)生流體動(dòng)壓潤(rùn)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，減小摩擦系數(shù)，從而降低摩擦力，提高承載能力；作為儲(chǔ)油槽，為邊界潤(rùn)滑或剛啟動(dòng)的摩擦表面提供潤(rùn)滑，捕獲磨屑，減少磨損，延長(zhǎng)使用壽命。
文檔編號(hào)A61F2/30GK103211666SQ20131014712
公開日2013年7月24日 申請(qǐng)日期2013年4月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月25日
發(fā)明者熊黨生, 王琨, 鄧亞玲 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)