球形摩擦副下天然关节软骨摩擦行为的试验研究

Experimental Investigation of Friction Behaviour of NaturalArticular Cartilage Based on Ball Friction PairsQian Shanhua Ni Zifeng Ge Shirong(1.School of Mechanical Engineering，Jiangnan University，Wuxi Jiangsu 214122，China；2.Institute of Tribologyand Reliability Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou Jiangsu 221116，China)Abstract：Based on the investigation of the friction behavior of the bal pairs between a ceramic ball and natural carti·lage，the efect on the cartilage friction WaS described by the surface profile.Contact displacement and coefficient of frictionabout two kinds of the cartilage pairs were measured between the bal and the cartilage using UMT-2 Multi2 specimen testsystem.These results show that contact displacement is made up of cartilage deformation and wavy displacement.Cartilagedeformation functions as a nonlinear relation with time while wavy displacement as a nonlinearly periodic relation withtime.The higher friction coeficient of start-up OCCULTS on the ball pairs.Surface profile plays a significant role on the con-tact and friction behavior of the ball friction pairs，and friction coefficient of the cartilage sample including the subchondralbone is more than that of pure cartilage layer sample。

Keywords：articular cartilage；ball friction pair；friction coefficient of start-up；surface profile 。

关节软骨是位于骨骼与骨骼之间的多孔黏弹性材料，组织间隙为液体所充满，在负荷的传导和吸收上发挥着独特而重要的作用。关节软骨在滑动和滚动时承受了复杂的接触应力，这与关节软骨表面的几何特性有关 。 ，同时也表现出卓越的润滑性能。为探索人类天然关节的润滑机制，国内外学者先后曾提出过许多理论模型，但都基于 软骨的摩擦因数随载荷、时间和速率的变化而变化，而几乎与流体黏度无基金项目：国家自然科学基金项目 (50535050)。

收稿 日期 ：2012-12-05作者简介：钱善华 (198O-)，男，博士，讲师，从事生物摩擦学、润滑 材料 与技术 等方 面 的研究 .E-mail：qianjnwx###l26.co/n。

关”的假设，较著名的有流体动力润滑理论 、边界润滑理论 。 、弹性流体动力润滑理论 、挤压膜润滑理论 和提升润滑理论 。在过去-段时间内，研究人员对关节软骨开展-系列的摩擦行为研究，取得许多研究成果 ，但绝大部分研究集中在软骨 (含天然软骨或合成软骨，下同)与软骨和软骨对单相硬体材料 (如玻璃、医用不锈钢等)，而对关节软骨在球形摩擦副下摩擦行为的研究较少，这正是解读人体关节摩擦副摩擦磨损机制的不可缺少基础性工作之-。本文作者采用陶瓷球和软骨的球形摩擦副，在UMT-2型微观多功能测试系统上研究表面轮廓对球形摩擦副下关节软骨的摩擦行为影响，其结果有助于进-步认识天然关节摩擦副的摩擦磨损机制。

32 润滑与密封 第 38卷1 试验部分试验时，采用陶瓷球和软骨矩形试样组成的球形摩擦副。陶瓷球为氧化铝陶瓷球，其直径为5 mm。

软骨材料选取新鲜成年牛大腿骨的表面软骨，保留软骨下骨。软骨样本分为含有软骨下骨 (简称软骨试样)和纯软骨层两类试样，软骨试样的尺寸为26 mm×22 mm×3.5 rain，对应的软骨层和软骨下骨的厚度分别是 1.5和2 mm；纯软骨的尺寸为21 mm×17 mm×2 mm。用抛光机将软骨下骨的骨质表面磨平，以保证与软骨表面在同-水平面上。取样后将软骨样本置人生理盐水，保存在-20℃低温冷冻箱。Maroudas等 证实了软骨在低温-20℃保存，不影响软骨的力学特性。试验时，软骨试样在常温下自然解冻，置于牛血清内浸泡至少3 h。试验的牛血清体积分数是50% 。

陶瓷球对软骨试样的摩擦试验在 UMT-2型试验机上进行，图1是试验装置示意图。陶瓷球被固定在金属固体内，通过-销连接到试验机的夹具上，且夹具、销和固定物三者的中心在同-直线上。软骨试样被粘结到试验容器的底部。当球与软骨试验开始接触或者滑动时，试验机的传感器测定了软骨摩擦副在z方向上接触位移、接触载荷和摩擦因数。试验选用的外载荷为9.8 N，滑动速率为2 mm/s，滑动距离为10mm，外载荷和滑动速率均由试验机的程序控制。每组试验重复进行3次。当试验结束后，软骨卸载并在牛血清溶液中浸泡2 h，使得液体重新进入软骨内部，再进行下次试验。

图1 球形摩擦副的试验装置示意图Fig 1 Schematics for a frictional testing experiment fora ball and cartilage而对于陶瓷球对纯软骨的摩擦行为测试，先用手术刀片将软骨试样的软骨表层从软骨剥离，再用 AB胶将软骨层贴到玻璃上。在软骨底层与玻璃表面的固定中，不断地向软骨表面滴加液体，防止软骨表面液体蒸发干，影响软骨层的微观组织结构。其余的测试方法与陶瓷球与软骨试样的测试部分相同∮触点是陶瓷球与软骨的界面作用点，如图2中的A点。当陶瓷球与软骨开始接触时，接触点的空间位置被称为位移参考点∮触位移是指在运动中的界面接触点相对于位移参考点的纵向位移。在二维坐标系中，纵向向下的方向被定义为正方向∮触位移是由软骨变形量和波动位移组成，通过五点滑动平均法 将接触位移分解为两个分量。

图2 球形摩擦副的接触示意图Fig 2 Contact schematics of cartilage frictionconfigurations for a bal and cartilage2 结果与分析图3示出了不同轮廓的软骨接触位移及分量随时间变化的关系曲线∩以看出，接触位移是由软骨变形量和波动位移组成的。软骨变形量与时间呈非线性增加。对于纯软骨层的软骨摩擦副，滑动时间分别达到23.2、1 828.7和3 521.9 s，对应的软骨变形量分别是0.297、0.378和0.388 mm。但软骨下骨对软骨变形量的影响较小，这可能与软骨厚度和表面轮廓等因素有关。当滑动时间达到 1 828.7 s时，软骨试样和纯软骨层的软骨变形量分别是0.364和0.378 mln。

在-个滑动周期内，波动位移均呈现了先增加后降低的状态，但软骨试样的波动幅值显著高于纯软骨层的波动幅值。软骨试样和纯软骨层的波动幅值分别为0.086和0.046 mm。此外，对于软骨试样来讲，距位移参考点9.64 mm处，波动位移出现了-个极大值。

润滑与密封 第38卷接触位移是反映滑动中接触点与位移参考点的二维空间关系，是由软骨变形量和波动位移组成的。软骨变形量的初始值与外载荷、厚度有关。在滑动之前，软骨摩擦副有-个加载的过程。在相同的外载荷下，较厚的软骨产生较高的变形量，即出现了较大的变形量初始值。在滑动之前，软骨试样和纯软骨层的变形量分别为0.242和0.294 nul。波动位移反映了软骨摩擦副的表面轮廓，其变化与软骨材料有关。软骨试样来自于关节表面，具有几何不规则的特征。而纯软骨层是从关节表面剥离下来，其整体厚度有不均匀的特性，也具有相应的几何特征。基于软骨下骨的不均匀特性，纯软骨层表面轮廓的波动性显著低于软骨试样的波动性，这也显示软骨试样的表面轮廓高于纯软骨层的表面轮廓。

接触区域是指球与软骨的接触面积与周边变形区域之和。在滑动之前 ，外载荷、软骨厚度和表面轮廓对接触区域有着显著影响。在相同的载荷作用下，较厚软骨和较低表面轮廓均产生较高的软骨变形量，随之产生较大的接触区域。在滑动初期，软骨摩擦副的接触区域大于软骨对软骨的接触区域 ，球骨摩擦副易产生较大的启动摩擦因数，而在软骨与软骨摩擦副或者软骨与单相材料的摩擦副未曾观察到较高的启动摩擦因数 。极短时间后，摩擦因数将减小，并趋于稳定值∠大接触区域的摩擦副产生较小的启动摩擦因数，从而使得纯软骨层的启动摩擦因数低于软骨试样的启动摩擦因数。在陶瓷球对软骨的往复摩擦中，液体瞬间流人或者流出软骨表面，所以在整个过程中摩擦因数都处于准稳定的状态。但由于软骨试样的表面轮廓要大于软骨层的表面轮廓。在相同的条件下，摩擦副受到的阻力显著高于较平缓的纯软骨层试样。因此，软骨试样的摩擦因数高于纯软骨层试样的摩擦因数。

3 结论(1)接触位移是由软骨变形量和波动位移组成，软骨变形量与时间成非线性增加，波动位移与时间呈周期而非线性变化。

(2)球对软骨的摩擦副具有-个较高的启动摩擦因数；在往复滑动中，软骨表层附近的液体动态流动致使球形摩擦副产生较低的摩擦因数。

(3)表面轮廓影响软骨摩擦副的接触状态和摩擦行为，软骨试样的摩擦因数高于纯软骨层试样的摩擦因数。