[发明专利]一种提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构

说明书

技术领域

本发明涉及人工关节植入器械和生物摩擦学领域，特别是一种提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构的设计方法。

背景技术

硬/硬人工关节（Co-Cr-Mo/ Co-Cr-Mo、Al₂O₃/Al₂O₃）具有优异的耐磨性能，是长寿命人工关节的发展方向。但由于体内润滑不良，金属与体液的润湿性差，金属对金属在滑动速度较低情况下难以形成流体动压润滑，在体内常处于混合润滑状态，摩擦系数较高。因此，其使用过程中仍然会产生大量金属磨屑，金属磨屑会渗入血液，造成软组织感染甚至会使患者全身中毒，严重影响其可靠性和使用寿命。而全陶瓷关节对应力集中和过载非常敏感，在冲击载荷作用下易发生关节头颈连接处的断裂。因此，迫切需要改善硬/硬人工关节的润滑状态以提高耐磨性和使用寿命。近年来的研究表明，摩擦表面织构化能够有效改善润滑。Zhao和Sadeghi研究了表面织构化对启动时线弹性流体动压润滑的影响，结果显示储有润滑液的凹坑表面的起步时时间远远小于光滑面，证实织构化在启动过程中的减摩作用（见Trans ASME J Tribol, 2004, 126: 672–680）。马晨波等考察了4种织构密度（0%、7%、11%和20%）在不同速度下对摩擦系数的影响规律，表明表面织构使摩擦副在较低的速度下进入流体润滑区域,扩大了流体润滑区域的范围（见中国矿业大学学报, 2010, 39(2): 244-248）。Hiroshi Sawano采用带有碳化硅磨粒的水射流在CoCrMo金属板表面制备深度为1μm的凹坑织构，与UHMWPE销配副的销-板往复摩擦实验表明，摩擦系数和UHMWPE的磨损量都显著降低（见Precision Engineering, 2009, 33: 492-498）。而针对硬/硬人工关节配副的承载表面，包括关节头表面、关节臼杯表面以及关节头和关节臼杯两者表面的微孔织构设计，并未给出合理的优化参数范围，以起到减摩降磨，提高润滑和耐磨性能的作用。

发明内容

本发明的目的在于克服硬/硬人工关节因磨损产生的磨屑积聚，引发机体细胞产生不良的生物学反应，从而导致假体周围骨质溶解、假体松动等问题，本发明提供了一种提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构的设计方法，大大增强人工关节摩擦副接触表面的流体动压效应，捕获磨屑作用以及有效承载能力，使得摩擦力降低，磨损减少，延长使用寿命。

本发明的工作原理是：

摩擦表面上均匀分布微孔，将两接触表面间的液膜厚度转变为凹凸起伏的分布，使润滑液在接触表面产生不均匀的流体动压力分布，从而形成流体动压效应，在关节摩擦副接触表面形成有效的挤压液膜厚度，减少承载表面直接接触面积，有效降低摩擦磨损。

摩擦表面上排布不同直径或不同深度的大小微孔，在微孔密度变化的交界处，较高滑动速度下有利于产生油压从而提高承载能力，并可增加对润滑液的吸纳和存储能力。较大直径或深度的微孔可以产生流体动压效应，也可捕获较大颗粒的磨屑，较小直径或深度的微孔除了捕获较小颗粒的磨屑，最重要的是能够为较大直径或深度微孔提供充足的润滑液以产生有效的流体动压效应，确保人工关节在润滑液不足的情况下仍然能够产生有效的液膜厚度，提供良好的润滑。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种提高润滑和耐磨性能的人工关节承载表面微孔织构，包括人工关节的关节头和关节臼杯，所述关节头和关节臼杯的材质为硬质金属、合金、涂层或陶瓷；所述关节头与关节臼杯的对磨表面中至少有一个摩擦表面，即关节头上、关节臼杯上或关节头上与关节臼杯上的摩擦表面，所述摩擦表面上分布有微孔阵列。

    其中微孔阵列中微孔沿承载摩擦表面周向或径向交错分布，微孔阵列中微孔的形状为圆形或矩形，所述的摩擦表面上均匀分布大小相等或不等的微孔阵列。

    所述摩擦表面上均匀分布大小相等的微孔阵列，所述微孔阵列中微孔为等直径或等边长微孔，微孔的直径或边长的范围为50～400um，深径比或深度边长的比值范围为0.04～0.2，微孔的面积密度范围为1%～30%，所述的微孔的面积密度为微孔的总表面积与关节承载摩擦表面积之比值。