Page 34 - 《精细化工》2020年第7期
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·1316·                            精细化工   FINE CHEMICALS                                 第 37 卷

                                                 表 1    传统人造关节对比     [2,4]
                                         Table 1    Comparison of traditional artificial joints
             人造关节              常用材质                               优点                            缺点
               MOP   奥氏体不锈钢、钴-铬或钛-铝合金            聚乙烯线磨损率为每年 0.1 mm；较好的组织相容性  较低摩擦系数
               COP   氧化铝                         优异的生物相容性和耐磨性；与 MOP 相比，线磨损 韧性低
                     氧化锆                         率降低 50%
               COC   氧化铝                         无金属离子过敏反应；线磨损率为每年 0.001 mm             陶瓷碎裂，关机异响，假体
                                                                                        脱位
               MOM   钴铬合金                        线磨损率为每年 0.005 mm；关节脱位率降低               金属离子浓度高

            金属-金属（表面镀覆 DLC）摩擦副（M-DLC/M）                        销-盘式磨损实验测试时从 DLC 到 UHMWPE 表面
            以及 DLC/M-DLC/P 摩擦副和 DLC/M-DLC/M 摩擦                 会形成一转移膜       [62,67] 。而在含有蛋白质的润滑液以
            副，即关节头和关节臼双表面均镀覆 DLC 的摩擦副                          及真实的载荷（在髋关节模拟机上可达到 3 kN                   [68] ）
            （两者都可简称为 DLC-DLC）。                                 条件下，这种转移膜的形成明显受到抑制。
            4.1    M-DLC/P 人工关节                                    DORNER-REISEL 等    [69] 发现，在人造膝关节方
                 与 UHMWPE 配合的承重植入体，由于 UHMWPE                   面， DLC 镀层钴基合金（Co-28Cr-6Mo）股骨与
            抗磨损性能差且易老化，使得大量的大片或絮状的                             UHMWPE 在牛血清溶液中对磨时，金属离子的释放
            聚乙烯颗粒进入关节和周围组织中，导致骨溶解和                             有所减少，并且 UHMWPE 的磨损随着 DLC 镀层厚
            假体松动，影响了假体的寿命。                                     度的增加而增加，而对其生物相容性并未研究。2017
                 对聚合物基体采用离子轰击的方法沉积 DLC                         年，研究者模拟人工关节采用自制式多自由度的摩
            薄膜使其表面改性，可以使其致密化，并且 DLC 可                          擦设备在胎牛血清润滑条件下，研究钛合金表面镀
            达到大约 300  nm 厚，硬度和密度都可以实现梯度                        覆 DLC 薄膜与 UHMWPE 的摩擦性能，发现磨损系
            化 [27-28,59] 。另一个优势是易于植入金属纳米颗粒从                    数随着轴向载荷和角位移的增加而增加，摆动角位
            而提高其抗菌性        [60] 。导电衬底采用等离子体浸没离                 移对磨损程度的影响最大。DLC 薄膜的磨损机理是
            子注入很容易实现，但需对平面的绝缘聚合物基底                             疲劳磨损和黏着磨损的结合，而 UHMWPE 的主要
            进行表面改性，在其表面或背面增加一阴极。采用                             磨损机理是磨粒磨损和黏着磨损               [70] 。
            高聚物金属化方法在 UHMWPE 表面首先制备一层                          4.3    M-DLC/M 人工关节
            金属膜    [29] 。因假体中作为臼的 UHMWPE 形状复杂，                     M-DLC/M 人工关节与前面所提到的 M-DLC/P
            若想在其表面进行均匀的 DLC 改性，电极需要针对                          人工关节类似，摩擦界面为金属和 DLC。所不同的
            不同形状的衬底进行优化设计。JOCHEN 等提出有                          是，M-DLC/M 人工关节中 DLC 薄膜是针对 MOM
            限元分析模拟与先进的光学方法相结合，对 UHMWPE                         人工关节的改性，且滑动表面只有一方是类金刚石
            植入体的 DLC 改性进行优化，并可用于非平面和绝                          薄膜。尽管研究者在不锈钢上制备 DLC 薄膜极大地
            缘材料如 UHMWPE 关节的 DLC 制备            [25] 。           改善了其在 NaCl 溶液和去离子水中的摩擦系数和
            4.2    DLC/M-P 人工关节                                磨损率   [71-72] 。并且针对 316 医用不锈钢表面沉积
                 关于 UHMWPE 与表面带有 DLC 膜的摩擦副采                    DLC 薄膜的摩擦腐蚀行为，AZZI 等             [73] 对其进行研
            用销-盘式实验装置进行摩擦磨损的研究已经有很                             究发现，采用 SiN x 中间层的 DLC 薄膜在氯化钠溶
            多报道，并在生理盐水或水为润滑液的条件下进行                             液中摩擦至 1800  r，膜层也不失效。但是，无论是
            了体外模拟      [61-63] 。结果表明，DLC 膜能改善人造关               M-DLC/M 人工关节还是 M-DLC/P 人工关节，都很
            节的耐磨性能和耐腐蚀性能。金属表面镀 DLC 薄膜                          难避免金属离子过敏问题。因此，针对 MOM 关节，
            后与 UHMWPE 在质量分数为 1%的 NaCl 水中对磨                     可以考虑对两滑动表面都进行改性，减少金属离子
            时，UHMWPE 的磨损降低 5~6 倍，甚至是 10~100                    的释放。
            倍 [62,64] 。也有研究报道指出，相对于 DLC 膜金属摩                   4.4    DLC-DLC 人工关节
            擦副，UHMWPE 依然属于软体材料，表面沉积 DLC                            关于 DLC 相对 DLC 滑动的研究很少，而这些
            膜的金属关节材料并不能有效降低金属与 UHMWPE                          结果尤其重要。表 2 为不同 DLC 薄膜在 DLC 与 DLC
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            配副中 UHMWPE 的磨损         [65] 。实际载荷和含有血清             对磨时薄膜的氢含量、厚度以及 sp 键含量对其摩擦
            的润滑液条件下进行研究时，结果显示，DLC 膜并                           性能的影响。从表 2 可看出，与 a-C:H 薄膜相比，
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            没有明显改善基体材料的性能              [62,66-67] 。据文献报道，      a-C 薄膜具有高 sp 含量，磨损率低。并且 DLC 薄
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