Page 35 - 《精细化工》2020年第7期

第 7 期 任 瑛，等: 类金刚石薄膜在人工关节摩擦副表面改性进展 ·1317·

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膜的厚度越高，对应的 sp 含量越高，摩擦性能越好。 5 总结与展望

表 2 DLC 薄膜厚度和氢含量对其性能的影响 随着人口年龄比例的变化，65 岁以上的人口占
Table 2 Influence of thickness and hydrogen content on 总人口的比例也逐渐增加，初次全关节置换术的平
the properties of DLC films
均年龄也逐渐降低。因此，对人工关节的需求量每
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DLC 氢含量/% 厚度/μm sp 含量/% 磨损率
年都在快速增长。
a-C:H [74] 30 1 45 0.05 mg/h
关于 DLC 薄膜人造关节的研究，主要有 3 个问
20 2 48 0.11 mg/h
题亟需解决：首先，需采用关节模拟实验机，模拟
①
a-C [74] <1 2 85 0.02 mg/h
人体复杂的生理力学环境，对假体整体进行大量的
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a-C [75] 80 ② 5 × 1 0 –20 m /(N·m)
摩擦磨损腐蚀性能研究；其次，关于 DLC 薄膜人工
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<1 0.2~1.0 70 4.6×10 –19 m /(N·m)
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58 8.1×10 –19 m /(N·m) 关节生物相容性的研究，需形成一套基于结构的综
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–4
a-C [68] – 40~100 80~85 <10 mm /y 合生物学评估系统。通过评估炎症反应，成骨细胞
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① sp 含量高于 80%的 a-C 薄膜也可称为 ta-C 薄膜；② sp 3 生成和纤维繁殖来进行与生物相容性相关的综合评
含量 80%的无氢 DLC 薄膜沉积在钛合金(Ti-6Al-4V 型)上，其磨 估；最后，需研究磨屑形貌、结构以及数量对摩擦
损率可降低 30~600 倍，Ti 含量释放降低 4000 倍。 及腐蚀性能和生物相容性的影响。这三个方面的研
究可为 DLC 膜的体外生物评价建立理论基础，并极
SHEEJA 等 [65] 采用同样的销-盘摩擦设备，在模
大地促进 DLC 膜在生物医学领域的应用，从而提高
拟人体血清的润滑条件下，研究了 DLC 涂层以及厚
人工关节的寿命。
度对 MOP 关节的影响。结果发现：在相同条件下，
DLC-DLC 摩擦副与 M-DLC/P 或 DLC/M-P 摩擦副相 参考文献：
比，磨损降低了 104 倍，可显著提高关节摩擦磨损 [1] TROMMER R M, MARU M M, OLIVEIRA FILHO W L, et al.
性能，并指出厚 DLC（2~6 μm）更有利于提高假体 Multi-scale evaluation of wear in UHMWPE-metal hip implants
寿命。证实了在 MOP 植入体的 2 个滑动表面上使用 tested in a hip joint simulator[J]. Biotribology, 2015, 4: 1-11.
较厚的 DLC 涂层（微米级）可以延长假体的寿命。 [2] XU B G (徐步国),YAN S G (严世贵). Progress of friction interface
of artificial hip joints[J]. Chinese Journal of Bone and Joint Surgery
随后，REUTER 等 [74] 对市面上出售的 5 种 DLC 涂
(中国骨与关节外科), 2013, 6(S1): 66-69.
层（13 μm）进行销-盘摩擦实验研究，其中销和盘 [3] GEETHA M, SINGH A K, ASOKAMANI R A, et al. Ti based
都镀覆了 DLC 涂层。结果发现，高质量的 ta-C 涂 biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants-A
层具有最小的磨损。两种低质量 DLC 涂层（如金属 review[J]. Progress in Materials Science, 2009, 54(3): 397-425.
[4] DONG H S (董汉山), LI X Y (李小英). Surface engineering for joint
掺杂的 a-C 和 a-C:H）磨损也较小。
prosthesis: State-of-the-art and future directions[J]. China Surface
针对 ta-C 与 ta-C 薄膜，同样采用销-盘装置或 Engineering (中国表面工程), 2008, 21(5): 1-14.
髋关节模拟装置进行对磨时，其表现出优异的耐磨 [5] ABU-AMER Y, DARWECH I, CLOHISY J C. Aseptic loosening of
性能 [76] 。REN 等 [11] 采用盘-盘摩擦实验装置，高氮 total joint replacements: Mechanisms underlying osteolysis and
potential therapies[J]. Arthritis Research & Therapy, 2007, 9(1): S6.
奥氏体不锈钢 P2000（德国产）作为盘的材质，两
[6] SUNDFELDT M, VCARLSSON L, B JOHANSSON C, et al.
滑动表面均镀有 470 nm 的 a-C 薄膜，研究了衬底偏 Aseptic loosening, not only a question of wear: A review of different
压对摩擦性能的影响。研究表明，DLC 沉积过程中 theories[J]. Acta Orthopaedica, 2006, 77(2): 177-197.
施加高的负偏压可使磨损率降低 100 倍。然而，最 [7] ROBERTSON J. Diamond-like amorphous carbon[J]. Materials
Science and Engineering: Reports, 2002, 37(4/5/6): 129-281.
好的人造关节材质在长期服役下也必定会发生溶解
[8] BONELLI M, FERRA RI A C, FIORAVANTI A, et al. Structure and
或磨损。如人造髋关节，最好的材料 10 年内也会损 mechanical properties of low stress tetrahedral amorphous carbon
耗 0.02~0.06 mm（平均线性磨损率） [75] 。因此， films prepared by pulsed laser deposition[J]. The European Physical
人造关节寿命的提高首先要有足够的厚度。当 ta-C Journal B-Condensed Matter and Complex Systems, 2002, 25(3):
厚度为 60 μm，采用髋关节模拟装置且牛血清作为 269-280.
[9] CHOWDHURY S, LAUGIER M T, RAHMAN I Z. Characterization
润滑剂时，相比市售医用材料，假体磨损降低 106 of DLC coatings deposited by rf magnetron sputtering[J]. Journal of
倍 [68] 。 Materials Processing Technology, 2004, 153: 804-810.
综合考虑，在 2 个滑动表面上均沉积厚的无氢 [10] MUGURUMA T, IIJIMA M, KAWAGUCHI M, et al. Effects of
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DLC 薄膜（微米级），所组成的 DLC-DLC 人工关节 sp /sp ratio and hydrogen content on in vitro bending and frictional
performance of DLC-coated orthodontic stainless steels[J]. Coatings,
摩擦副减磨耐磨性能最佳，且具有良好的生物相容
2018, 8(6): 199.
性。当然需要在关节模拟器中进行大量的实验，且 [11] REN Y, WANG H K. Tribological properties of diamond-like carbon
要考虑实际载荷和合适的润滑介质。 films deposited by vacuum arc[J]. International Journal of Materials