表面处理技术对人工关节摩擦磨损性能的影响
发布时间：2021-10-08
摘要背景：表面处理技术在生物医学领域有着广泛的应用，可以有效提高人工关节材料的摩擦磨损性能。目的：以人工关节的摩擦磨损性能为研究对象，总结近些年表面纹理技术和表面涂层技术在人工关节摩擦磨损性能方面的应用。方法：应用计算机在ScienceDirect、SpringerLink、EBSCO、WebofScience等数据库检索表面处理技术与人工关节摩擦磨损性能的相关研究，检索词为“artificialjoints，friction，wear，surfacetreatment/surfacemodification”，检索时间设置为2000年3月至2020年6月。结果与结论：表面处理技术主要分为表面纹理技术和表面涂层技术。表面纹理技术会对人工关节微观结构产生影响，从而优化人工关节的使用性能，但并不是所有的纹理结构均可以改善人工关节的摩擦磨损性能，当表面纹理结构存在初始粗糙度值过大时会抑制纹理结构的水动力效应，减弱摩擦润滑性能。表面涂层技术会对人工关节表面性能产生影响，从而提高人工关节的使用寿命。
关键词：人工关节;摩擦;磨损;润滑;表面性能;使用寿命;表面纹理;表面涂层;综述
0引言Introduction
随着社会老龄化的进展和交通事故的发生，关节损伤问题严重影响了患者的生活质量。全关节置换术是目前关节损伤问题最有效的治疗方法[1]，它可以改善关节性能、缓解患者病痛、提高患者生活质量。由于人工关节是用来替代病变或者损伤关节的植入体，所以人工关节材料不仅需要具有优异的生物相容性，还需要具有适当的弹性模量、较强的抗腐蚀性能、良好的摩擦磨损性能等[2]。目前大多数人工关节的有效使用寿命为10-15年，研究发现导致人工关节失效的主要原因是植入体与自体骨之间的摩擦磨损问题。MATTEI等[3]指出植入体成功的重要因素是植入体与自体骨之间的相互作用，主要包括植入体的固定与松动，以及接触表面的摩擦磨损程度。VOUTAT等[4]采用不锈钢、钛合金和纯钛材料制作了植入体模型，研究了在不同接触条件下植入体的摩擦特性。WANG等[5]研究了Ti6Al4V合金平板在无润滑条件下和有生物添加剂条件下滑动对牛皮质骨的摩擦特性。表1为近年来植入体与自体骨间摩擦磨损性能的研究进展，并列出了每项研究的实验材料、实验条件和实验结果。
随着骨植入体研究领域的快速发展，研发一种高性能的人工关节材料具有重要的意义。目前常用于人工关节的材料主要有金属材料、陶瓷材料、高分子材料等。其中钛和钛合金材料不仅弹性模量与自体骨接近，而且具有优异的机械性能和生物相容性，在骨植入体领域得到了广泛应用，如人工支架、人工关节、义齿[13-14]，但钛合金表面硬度较低、耐磨性较差，在体内会释放金属离子(如Al离子和V离子)，易引起骨溶解和无菌性松动，这在一定程度上限制了钛合金材料在骨植入体领域的应用。有研究表明，通过表面处理技术在钛合金表面制备的硬质涂层，可以有效提高钛合金表面的摩擦学性能。POPOOLA等[15]通过激光熔覆技术在钛合金表面制备了生物陶瓷涂层，发现该生物陶瓷涂层显著减少了钛合金材料中V离子和Al离子的释放量，并显著改善了钛合金材料的硬度、耐蚀性和耐磨性。通过对人工关节材料进行表面处理可以有效改善人工关节材料的生物相容性、耐腐蚀性、耐磨性等性能[16]。对锆铌合金进行表面陶瓷化处理可以获取一种兼有金属与陶瓷材料优点的黑晶材料，该材料具有高硬度、超强耐磨性、无脆性的特点，在人工关节的使用中可以显著减少对骨水泥的磨损。有研究表明，采用表面处理技术对钴基合金进行处理不仅可以有效减少CoCrMo合金中离子的毒性，而且可以显著提高表面硬度和耐磨性。KURUP等[17]总结了近年来应用于钛植入体中的表面处理技术，指出酸腐蚀、磨削、氧化、氮化等表面处理技术具有一定的发展前景。HATAMLEH等[18]研究了机械抛光、70%酸蚀刻、喷砂等不同表面处理技术对钛合金样品的摩擦磨损性能的影响。表面处理技术在生物医学领域有着广泛的应用，通过制备表面纹理和添加表面涂层可以有效提高人工关节材料的摩擦磨损性能[19]，但现有文献中有关表面处理技术对人工关节摩擦磨损性能影响的综述较少。该文主要从表面纹理技术和表面涂层技术两个方面总结表面处理技术在人工关节摩擦磨损性能方面的应用及发展。
1资料和方法Dataandmethods
1.1资料来源以“artificialjoints，friction，wear，surfacetreatment/surfacemodification”为关键词在ScienceDirect、SpringerLink、EBSCO、WebofScience等数据库进行检索，检索时间设置为2000年3月至2020年6月，检索结果限于英文文献。
1.2入选标准
纳入标准：涉及人工关节摩擦磨损性能及人工关节表面处理技术的相关研究，以及文献中的引用文献。
排除标准：与研究目的不相关的文献或者研究方法比较陈旧的文献。
1.3文献质量评价共检索到文献465篇，最终纳入文献68篇，其中15篇文章介绍了有关人工关节摩擦磨损性能的研究，9篇文章总结了表面处理技术对改善人工关节摩擦磨损性能的优势，17篇文章介绍了表面纹理技术对人工关节摩擦磨损性能的影响，27篇文章介绍了表面涂层技术对人工关节摩擦磨损性能的影响。文献检索流程图，见图2。
2结果Results
人工关节使用寿命的主要评价指标是摩擦系数和磨损率[20]，减少摩擦磨损是提高人工关节质量和延长使用寿命的最佳途径[21-22]。有研究表明，较低的表面粗糙度可以获得较好的表面润湿性，从而有效提高人工关节的摩擦磨损性能[23]。
2.1表面纹理技术大量研究结果表明，摩擦接触表面并不是越光滑其摩擦磨损性能越好，与光滑表面相比，带有纹理的表面具有更加稳定的摩擦磨损性能。表面纹理技术通过改变人工关节表面微结构改善润滑膜的厚度、减少接触面积，最终实现减少人工关节表面的摩擦磨损[24]。不同的表面纹理结构对人工关节表面的摩擦磨损性能会产生不同的影响，在表面纹理结构中槽纹、脊纹和凹坑是应用最多的结构[25]。CHOUDHURY等[20]以不同材料的人工关节为研究对象，分别探究了不同凹坑结构对人工关节摩擦系数和表面性能的影响。SAWANO等[26]指出，在人工关节表面制备的微凹坑可以降低金属对超高分子量聚乙烯的磨损，延长人工关节的使用寿命。
表面纹理技术主要包括机械加工、离子束纹理、激光处理、喷砂、电抛光和化学腐蚀等，这些技术通过在材料表面形成微结构特征来改变人工关节的表面性能。
2.1.1激光表面纹理技术激光表面纹理技术可以有效提高人工关节的摩擦磨损性能，延长其使用寿命，深受研究者的关注[27]。XU等[28]受鱼鳞和虾的表面重叠结构形态的启发，在Ti6Al4V合金植入体表面通过激光纹理技术制备重叠形态结构，并通过实验验证了该结构可以提高植入体表面的摩擦特性。TIAINEN等[25]比较了不同激光纹理结构对钛合金植入体润湿性能和摩擦性能的影响。脉冲激光微加工已成为目前国内外研究的热点之一，根据单个脉冲持续时间的长短可以将脉冲激光分为纳秒激光、飞秒激光和皮秒激光等。纳秒激光加工具有低成本和较高效率的优点，但成型件存在质量较差、残渣较多、光洁度较低的不足;飞秒激光加工具有加热速度快、热影响区小、成型精度高的优势，但也存在使用成本高的劣势;与纳秒激光加工相比，皮秒激光加工的成型件质量较高、残渣较少、热影响区较小，同时相对于飞秒激光加工而言，皮秒激光加工具有成本效益更高、性能更可靠的优点。AHUIR-TORRES等[29]利用皮秒激光在铝合金表面分别制备了微凹坑和十字槽纹结构，研究激光纹理对铝合金润湿性的影响。ARENAS等[30]采用固态皮秒脉冲激光器在Ti6Al4V合金表面制备不同角度的菱形花纹纹理，利用双向滑动磨损试验进一步研究其摩擦磨损性能。激光表面纹理技术具有适应性强、精度高、效率高等特点，但采用该技术制备的微纹理结构的粗糙度会高于基底的初始粗糙度[31]。
2.1.2机械加工机械加工是通过将基材加工区域的材料去除或提取的方法来制备表面纹理结构，常用的机械加工技术有数控加工、珩磨、磨削、抛光等。不同的制备方法对材料表面的摩擦磨损性能有不同的影响。有研究采用微型数控机械技术制备表面微凹坑结构，当其密度为10%时材料表面的摩擦系数只有光滑表面的1/2。ROY等[32]采用数控微钻床在陶瓷基板上制备了微凹坑结构，并研究了微凹坑结构的摩擦性能，发现当微凹坑的面积密度为15%时，陶瓷基板减少了22%的摩擦和53%的磨损量。CHYR等[33]的研究发现，通过五轴铣床在CoCr合金股骨表面上制备微纹理结构可以明显减少接触表面之间的摩擦发热和摩擦损失。CHOUDHURY等[34]的研究发现，在模拟髋关节运动实验中珩磨法处理的表面平均摩擦系数降低了50%，磨损率下降了38%。
2.1.3其他技术人工关节可以采用不同的表面技术进行处理。电火花加工处理技术也是表面处理技术的一种，该技术可以改善合金的表面硬度和摩擦磨损性能。喷丸强化技术是对疲劳使用寿命有着积极影响的技术，该技术被广泛应用于钛及其合金的最终表面处理技术[35]。虽有文献指出电火花加工技术、化学铣削技术和喷丸强化技术是有益的表面处理技术，但是很少有研究者对这3种技术的结合应用进行探究，于是HAVLIKOVA等[36]提出了新型表面处理方法即将3种技术结合应用，可以降低电火花加工处理对Ti6Al4V合金产生的表面整体粗糙度。
不同的表面处理方法对人工关节摩擦磨损性能有着不同的意义。HE等[37]结合激光表面纹理技术和磁控溅射技术在钛合金表面制备了不同密度的微凹痕和类金刚石涂层，当类金刚石涂层的凹痕面积密度为44%时钛合金基体的耐摩性能显著提高。在摩擦表面上制备凹凸纹理可显著提高人工关节的润滑和耐久性能。ITO等[38]为测定人工髋关节摩擦表面形成的凹痕是否能降低超高分子量聚乙烯磨损，在CoCr合金股骨头上采用放电蚀刻技术制作圆形凹痕，通过实验证明了这些凹痕可以明显降低超高分子质量聚乙烯的摩擦系数。激光喷丸纹理是以激光加工为基础，结合喷丸处理技术的一种新型表面纹理技术，图3为其原理图[39]。电子束纹理是一种很有发展前景的表面处理技术，该技术可以在Ti6Al4V合金表面制备纹理结构图案，用以改善合金表面的摩擦学性能[40]。
在现有研究中，已有很多实验证明了表面纹理技术对提高人工关节摩擦磨损性能有着重要的意义，但是在不同的研究中研究者对实验样品所施加的荷载是不同的，在不同载荷条件下评估表面纹理技术对人工关节摩擦磨损性能的影响具有一定的难度。有研究人员提出，可以将表面纹理技术与表面涂层技术相结合用来提高人工关节表面性能。类金刚石涂层具有良好的摩擦学特性和一些类似金刚石的性能，被广泛应用于人工关节表面。最近的研究表明，在类金刚石涂层表面制备表面纹理可以提高植入材料的耐磨性[21]。CHOUDHURY等[41]指出在纹理表面涂覆类金刚石涂层，一方面可以降低表面摩擦系数，另一方面带有纹理的表面在接触面之间可提供液体流动时的动力流，以此来改善润滑效果。
2.2表面涂层技术表面涂层主要具有保护、装饰和功效作用，可改善人工关节表面性能、提高人工关节的使用寿命[42]。常用的表面涂层技术有：等离子喷涂、阳极氧化、微弧氧化、溶胶-凝胶法、电化学沉积、热喷涂法、离子注入法、物理气相沉积和化学气相沉积等[43]。
2.2.1物理气相沉积物理气相沉积作为表面涂层技术中研究最为普遍的技术，它包含了许多子类，如:磁控溅射、离子束沉积、电子束辅助沉积、脉冲等离子体沉积和电弧气相沉积等方法[44-45]。
在大多数情况下，金属股骨头与超高分子质量聚乙烯髋臼杯连接在一起使用的状态是良好的，但在一些情况下金属股骨头会导致软股骨头的磨损，造成人工关节无菌松动，最终导致人工关节的失效。针对这种情况，许多研究者提出在金属股骨头上沉积TiN、CrN或类金刚石等硬陶瓷涂层，用来降低超高分子质量聚乙烯的磨损率。
自从1980年来，基于物理气相沉积技术沉积的TiN涂层是在全髋关节置换术中最常用的涂层[46]。物理气相沉积技术制备的涂层具有较好的耐磨性，有实验证明TiN涂层涂覆的Ti6Al4V合金股骨头比老一代髋关节的耐磨性更好[47]。表面涂层的摩擦系数是最受关注的因素之一，许多研究者在涂覆一层或两层涂层之后得到的摩擦系数略低，但仍高于0.1。ZUO等[48]对TiN涂层的摩擦系数进行了深入研究。单独的物理气相沉积技术在低硬度的基底沉积涂层时，其摩擦学性能具有一定的局限性，会导致涂层的断裂和分层，MARIN等[49]提出基于扩散处理的混合工艺，用以提高物理气相沉积涂层的整体耐蚀性。氮化物涂层、碳化物涂层、氧化铝涂层和ZrO2涂层是股骨头常用的生物惰性陶瓷涂层，这些涂层在使用中会分层，易导致超高分子质量聚乙烯磨损加剧。TiCuN涂层的硬度可以通过掺杂少量的铜来提高[50]，有实验结果显示，电弧离子镀技术制备的质量分数5.2%Cu的TiCuN涂层与纯锡和锡/铜纳米复合涂层相比具有更高的硬度、更低的摩擦系数和更强的耐磨性[16]。MULLIGAN等[51]采用电子束辅助电弧离子镀技术制备TiCuN涂层，实验结果表明掺杂的Cu含量对涂层的硬度有重要影响，只有当Cu掺杂量不超过2%-3%时TiCuN涂层才能获得较高的硬度。除了金属元素Cu可以改善涂层的摩擦学特性之外，Ag也可以改善涂层的摩擦磨损性能。KSTENBAUER等[52]用磁控管共溅射技术制备了TiN/Ag复合涂层，证实了银可以降低涂层的摩擦磨损。
相关期刊推荐：《中国组织工程研究》是由中华人民共和国卫生部主管，中国康复医学会。重点出版来自于组织工程领域的生物材料选择与应用、干细胞培养与移植、硬组织植入物的生物相容性、组织构建过程中相关实验动物模型以及相关基础实验研究、临床研究等优秀文章，期刊尤为关注采用新理论、新技术、新方法进行的组织工程研究，体现组织工程研究在体客观量化评价和具有转化医学意义的研究成果。
耐久性被认为是涂层的主要缺点，在没有润滑剂的情况下，物理气相沉积技术制备的涂层会发生剥落或降解情况[28]。电子束辅助沉积已经被实践用于物理气相沉积涂层可获得高致密和高耐磨性的涂层[44]。利用等离子体辅助电子束物理气相沉积技术在Ti6Al4V合金基底上沉积TiN涂层，可以进一步提高涂层的磨损性能和腐蚀性能[53]。
2.2.2溶胶-凝胶法溶胶-凝胶技术是物理沉积技术的一种补充，该技术沉积的涂层具有独特的特征，如柔韧性、形态结构可控制性、机械性能等[44]。溶胶-凝胶技术可以在不同基底材料上沉积不同成分和特性的涂层，当沉积羟磷灰石复合涂层时可以观察到羟磷灰石复合涂层与基底的结合强度显著提高[42]。采用溶胶-凝胶技术制备的含银羟基磷灰石涂层，不仅能够促进人体成骨细胞的增殖与分化，而且能够增强人工关节的抗菌性能。BALLARRE等[54]指出溶胶-凝胶技术制备的生物涂层，可以作为提高316L不锈钢体内性能的一种潜在解决方案。但值得注意的是，采用溶胶-凝胶技术制备涂层时，若干燥过程中凝胶收缩大则易产生大量的裂纹，当裂纹出现在基底上时可以制备多层涂层来修补，但裂纹出现在表面则无法避免。
2.2.3化学气相沉积相对于物理气相沉积技术而言，化学气相沉积技术需要更高的操作温度和更大的步长覆盖。化学气相沉积技术具有灵活的几何纹理特征，可形成致密且均匀的涂层，且与基体的结合牢固，涂层的质量也相对稳定[28，44]，但研究过程中选择沉积材料和基底材料时需要具备丰富的化学知识底蕴。TARNOWSKI等[55]研究发现，碳层对降低聚醚醚酮及其衍生物复合材料与氮化钛合金之间的摩擦系数具有积极的影响。在超高分子质量聚乙烯上采用电子回旋共振微波等离子体化学气相沉积a-C:H涂层，可以显著改善其耐磨性和抗划伤性[56]。等离子增强化学气相沉积技术具有物理气相沉积技术和化学气相沉积技术的优点，采用该技术在金属材料表面制备氮化钛涂层可以显著改善金属材料表面的摩擦性能。采用射频等离子体增强化学气相沉积技术在基材表面制备的类金刚石涂层，不仅具有优异的力学性能，而且随着涂层厚度的增加，涂层的表面粗糙度减小，涂层与基材接触面的结合强度提高。
2.2.4等离子喷涂技术与物理气相沉积技术和化学气相沉积技术相比，等离子喷涂技术所需的温度更高、沉积的涂层更厚[44]。等离子体喷涂技术主要通过提高材料表面硬化程度进而改善材料的疲劳强度、耐磨性和承载能。ŻÓRAWSKI等[57]以等离子喷涂技术中的喷涂参数为研究对象，深入研究了喷涂参数对摩擦系数、硬度和表面粗糙度的影响。研究人员发现，采用等离子喷涂技术制备的Al2O3涂层具有表面硬度较高、粗糙度较低、孔隙率较小、抗磨性更佳的优势。与烧结技术制备的涂层相比，等离子喷涂技术制备的涂层具有更高的硬度和更好的耐磨性。等离子喷涂技术制备的羟磷灰石和羟基磷灰石-碳钠米管涂层表面具有较高的粗糙度、较小的接触面积，减少了在磨损过程中质量和体积的损失量[58]。在Ti6Al4V合金上涂覆的羟磷灰石涂层可以提高Ti6Al4V合金的抗弹塑性变形能力[59]。但等离子喷涂技术存在涂层不均匀、羟磷灰石涂层易出现裂纹、高温下羟磷灰石涂层易分解等不足[60]。为了解决羟磷灰石与基底之间的分层问题，有研究应用等离子涂层技术制备了一种复合涂层，用于改善羟磷灰石涂层与基底之间的连接。
2.2.5离子注入技术离子注入技术对增强涂层的耐磨性、硬度和抗接触疲劳性能具有积极的意义[61]。其中碳离子的注入对CoCrMo合金的硬度、磨损量和摩擦均具有显著影响[62]。氮离子注入后的CoCrMo合金，表面耐磨性和基体硬度会显著提高，经过磨损试验后发现氮离子注入和氮化硼涂覆后的CoCrMo合金与超高分子质量聚乙烯之间的的磨损率显著降低了48%[63]。氮离子注入与氮化硼涂层相结合的方法为延长金属聚合物人工关节寿命提供了新思路。
NAVINSEK等[64]指出在合金表面先注入钛和钽离子再注入氮等离子体，可获得低摩擦和高耐磨的表面性能。在316L不锈钢表面采用等离子浸没离子注入方法沉积锡涂层后，人工关节中超高分子质量聚乙烯磨损的降低具有显著效果。当采用离子注入法对Ti6Al4V合金进行处理后，得到的钛合金与超高分子质量聚乙烯之间的摩擦显著减少。离子注入法对人工关节材料的摩擦磨损性能具有显著的改善效果，但其主要缺点是溶液中金属离子的释放会加剧和表面涂层厚度不足。
2.2.6其他技术表面氧化技术对改善人工关节的表面性能有重要意义，用ZrO2、Al2O3和碳化硅等材料对聚醚醚酮进行填充改性可以使聚醚醚酮人工关节满足更高的制造和性能要求[65]。在人工关节表面涂层的应用中，聚醚醚酮及其复合涂层的应用和摩擦磨损性能研究并不广泛，但有研究表明，当对聚醚醚酮涂层填充质量分数5%的ZrO2时，涂层具有最好的摩擦学性能[66]。Al2O3陶瓷是股骨头常用的生物材料，该材料虽具有较高的耐磨性，但当承受较大负载时人工关节易发生断裂[67]。在钛合金表面通过传统的铝沉积技术无法氧化产生足够厚而致密的氧化铝层，冷喷涂技术和微弧氧化技术的结合实现了在钛合金表面上制备出厚而致密的氧化铝层。微弧氧化技术结合了电化学氧化和高压火花处理技术，可以在铝及其合金表面产生厚而致密且高硬度的氧化铝层[68]，该技术工艺简单，可以制备具有较高耐磨性和耐腐蚀性的涂层，但工艺参数及配套设备的研究还存在一定的不足。——论文作者：刘志强，梁玉瑶，高阁，孟顺，谢仲淇，苏宇
