金属对聚乙烯型人工髋关节摩擦学性能研究进展*

邵一伦 崔 文 张小刚 张亚丽 靳忠民

(西南交通大学机械工程学院,摩擦学研究所 四川成都 610036)

人工关节植入术用于治疗关节疾病和创伤，是骨科领域最成功的治疗手段之一。据统计，我国每年约有20万例人工关节置换术，但需求量超过200万[1]。随着生活质量提高、医疗水平提升、医疗报销政策改善和民众治疗意识增强等原因，人工关节的置换需求进一步加剧，年增长率为25%～30%[2]。目前，人工髋关节的寿命为10～15年，远低于人工髋关节的预期寿命，显然不能满足现代生活节奏和老龄化的社会需求，其功能远远达不到临床要求，约有超过20%的患者尚不满意。长期以来，磨损一直是限制人工关节假体服役性能与寿命的瓶颈，由磨屑导致的无菌性松动是人工关节失效的重要原因。因此，研究人工髋关节假体的摩擦学性能十分重要。

人工髋关节摩擦学评价方法一般分为计算机仿真模拟、动物实验、临床试验及体外试验等。计算机仿真模拟分析是生物力学仿真分析的主要手段,但结果需要通过试验进行验证。动物实验在一定程度上可替代患者在动物体内进行试验，但其解剖结构与人类存在很大区别，并且实验费用高，标本收集困难，同时受实验对象、实验方法和仪器设备等影响，可重复性也很低。临床试验一般作为髋关节假体的最终评价方式，时间成本高且伦理方面存在一定争议。体外试验是髋关节假体材料筛选、设计评价的最主要手段，一般分为关节材料筛选试验和髋关节模拟试验两部分。20世纪60年代以来，研究者采用销-盘磨损试验、环-盘磨损试验、四球磨损试验及块-环磨损试验等评价了髋关节植入物材料的磨损性能[3]。虽然筛选试验设计经济有效，但却无法进行全尺寸关节模拟试验，而且其运动形式及载荷性质都与关节的实际工况相距甚远[4]。髋关节模拟机试验能够再现人体中的运动方式，以更接近生理环境的条件下进行髋关节模拟试验，是人工髋关节中、长期摩擦学性能评价的核心[5]。

本文作者以金属对聚乙烯型人工髋关节假体为研究对象，对基于髋关节模拟机研究的人工髋关节摩擦学性能的国内外研究成果进行综述，重点介绍髋关节磨损试验标准、髋关节模拟机试验方法和影响人工髋关节摩擦学性能的关键因素，以期为新一代髋关节的优化设计及临床研究提供一定的参考和指导。

1 髋关节模拟试验标准

制定测试标准能够更真实地模拟体内环境，从而更准确地测试和评估关节假体的磨损结果和损伤模式；同时，制定标准可使研究人员根据不同的材料、植入体系统、关节模拟试验机得到可比较的试验结果，有利于建立关节材料数据库，帮助研发性能更加优异的关节替代材料。2000年以来，国际标准化组织(ISO)相继推出了一系列涉及髋关节假体磨损试验标准，编号为：ISO 14242。其中，第一部分和第三部分分别规定了磨损试验机[6]和轨道式髋关节模拟试验机[7]的载荷和位移参数及相应的试验环境条件，第二部分规定了磨损试验后通过体积法和质量法来计算髋臼部件磨损的方法[8]。为了减小植入假体异位状态对髋关节假体寿命带来的影响，ISO补充了标准的第四部分[9]，规定了髋关节假体在异位状态下的磨损疲劳试验要求：当髋臼部件极轴与加载轴的夹角为55°时，股骨头中心与髋臼杯之间的内侧偏位/错配距离为4 mm，动态分离条件下的边缘载荷为70 N，弹性弹簧常数为100 N/mm[10]。

为了能更真实地模拟体内的环境条件，近几年ISO对14242做出了不少修订、更新及补充，如根据2002年版本的ISO标准(14242-1：2002和14243-1：2002)推荐的小牛血清体积分数为25%(±2%)，使得推荐的蛋白浓度不小于17 g/L。但实际上，不同牛血清类型对应的初始蛋白浓度不同，如胎牛血清的蛋白浓度为30～50 g/L，新生小牛血清的蛋白浓度为55～80 g/L，牛血清蛋白浓度为63～83 g/L[11]，按照标准推荐的固定百分比配制润滑液就会出现问题。自2012年起，ISO 14242-1规定应用去离子水将小牛血清蛋白浓度稀释至(30±2) g/L。2016年国际标准化组织对ISO 14242-1：2014做出了修订，修订版为ISO 14242-1：2014/DAM1：2016，在股骨部件角运动的基础上增加了髋臼部件的角运动形式。这些试验标准规范了髋关节模拟试验的测试参数和环境条件，以便在实验室之间取得可比较的磨损测试结果。表1列出了2种标准规定的频率、力及相对角运动范围3种技术参数。其中FE为伸展/屈曲运动角度，IE为内/外旋运动角度，AA为外展/内收运动角度。

表1 全髋关节假体磨损标准相关技术参数

虽然ISO 14242已经成为髋关节模拟试验的操作指南，但其仍存在一定局限性。现行ISO标准都只有模拟步态这一最常见的运动形式，而患者日常活动包括静坐(占时间的44.3%)、站立(占24.5%)、步行(占10.2%)、躺卧(占5.8%)和上下楼梯(占0.4%)[12]。未来需要加入对跑步、深蹲、骑行和上下楼梯等日常运动形式的模拟。2015年美国材料与试验协会推出的ASTM F3047M-15[13]指导标准建议了5种可能的极端磨损要求，包括髋臼倾角、添加第三体颗粒、增加轴向载荷、停止驻留启动循环和微位移异位，这为现行髋关节模拟试验标准的改进和完善提供了参考。

我国医药行业关于《外科植入物——全髋关节假体的磨损》的标准为YY/T 0651，其技术参数基本为ISO 14242指导标准的等同采用，但对第三和第四部分未有跟进且时间上存在滞后。2016年更新的YY/T 0651.1—2016标准要求模拟试验机的运动控制系统能够提供股骨部件的角运动输入。规定运动形式为三维角运动且变换顺序为：外展/内收-屈曲/伸展-内旋/外旋。与2008年版本相比，2016年版本在内/外旋单一运动形式基础上增加了外展/内收及屈曲/伸展2种运动，同时加入了试验的载荷及运动曲线内容；将润滑液蛋白浓度由不小于17 g/L调整为(30±2) g/L。2016年版本考虑了温度环境对试验结果的影响，规定可定期停止试验或可用循环冷却装置冷却关节面和润滑。由于国际标准主要是针对欧洲人群，而我国现行的国内标准基本为对国际标准的等同采用，目前还没有涉及针对国人日常生活特点的运动模式。

2 髋关节模拟机试验方法

髋关节模拟试验机是在控制条件下模拟人体髋关节的生物力学试验设备，能够确定关节材料的磨损率以及它对载荷、速度、温度和关节滑动部件的空间配置等测试条件的依赖程度。模拟试验机获得的磨损数据可用作关节假体材料评估和假体结构优化的参考，为临床应用提供重要数据。为了获得接近体内磨损的试验数据，需要在模拟体内环境和人体运动状态条件下进行磨损试验。因此，为了保证体外模拟和体内环境的相似性，相关研发人员不断优化设计了多种关节模拟器设备。

髋关节假体需要在临床使用前通过髋关节磨损试验机进行人体实际工况的模拟，以检验假体材料的强度、摩擦磨损和蠕变等重要性能是否达到要求，是人工髋关节设计中必不可少的环节。髋关节模拟试验机的设计需要同时考虑2个因素：一方面是关节面之间的相对运动周期，二是行走周期中方向和大小不断改变的接触力。对于模拟测试机的控制方式，一般如果实现关节假体自由度的数量和种类不同，控制方式不同。随着自由度的增加，实现的运动方式越多，同时控制系统越复杂，最终成本也将提高。例如，ISO 14242-1及3要求的磨损试验机在伸展/屈曲运动(FE)、内/外旋运动(IE)、外展/内收运动(AA)角度及施加方式上会有所不同。模拟试验机除了模拟以上的机械特性之外，也需额外模拟人体内生理液体所提供的热化学环境。

目前，国内外已经设计成功了多款不同髋关节模拟试验机。TONG等[14]利用仿人体髋臼假体替换了髋臼模型相对简化的磨损试验机；中国矿业大学摩擦学与可靠性工程研究所设计了可模拟全髋关节假体的磨损试验机[15]；SAIKKO[16]设计了关节头做三轴式往复运动的磨损试验机。但以上试验机大多仅处于实验室阶段，没有大量投入市场。一些之前面世的设备如HUT-4、Mark II、MATCO由于各种原因也逐渐退出市场。

目前市面上常见的髋关节模拟试验机一般可分为2种类型：一种是根据ISO 14242-1设计的模拟试验机；另一种是根据ISO 14242-3设计的轨道轴承型模拟试验机。符合ISO标准设计的模拟试验机不仅能够满足医疗研究机构的需求，而且根据标准测得的材料磨损数据也有一定的通用性，在一定程度上还能降低设备的开发成本。关节材料的磨损率依赖于髋关节模拟机技术参数，包括载荷、频率、相对角运动范围等。表2列出了几款主流髋关节模拟机的相关技术参数。

表2 不同髋关节模拟机技术参数[10]

3 摩擦学性能的影响因素

金属对聚乙烯(MOP)型人工髋关节假体是最常用的组合方式之一，是人工髋关节假体的“黄金标准”[17]。由于髋关节模拟试验结果受众多因素影响，为了减少材料配副变量对试验结果的影响，调研文献中聚乙烯材料均为常规超高分子量聚乙烯(CPE)，辐照剂量在40 kGy以下，股骨头材料均为最常见的钴铬钼(CoCrMo)合金。本节将从球头直径、臼杯外展角度、球头表面粗糙度、载荷大小、润滑条件、材料改性6个方面对基于髋关节模拟试验的金属对聚乙烯型人工髋关节假体摩擦学性能的研究成果进行综述讨论。

3.1 球头直径对UHMWPE磨损率的影响

大多数接受全髋关节置换术(THR)患者的自然股骨头直径大小在40～52 mm之间[18-21]。临床常用的人工全髋关节股骨头球头直径一般为22～32 mm，此范围称为“标准头”，大于32 mm的称为大直径球头。研究表明，在髋关节置换术中，球头直径每增加1 mm，聚乙烯磨损碎片的体积就会增加7%[22]。但是，从生物力学的角度来看，在全髋关节置换术中使用大直径股骨头的优势包括获得更大的运动范围和更大的植入物内在稳定性[23]。但与此同时，大直径球头会带来更大的力臂，使得摩擦力矩增大[23]。1962年，CHARNLEY将人工髋关节假体设计从低摩擦关节置换概念转变为低摩擦力矩关节置换概念，提倡使用更小的22.2 mm股骨头直径。临床研究发现较小的球头直径能够有效减小聚乙烯的磨损，从而降低无菌松动的风险[24]。然而，球头直径过小会对髋关节假体的稳定性带来负面影响，增加假体脱位的风险[25]。不少研究者通过髋关节模拟试验机研究了不同球头直径对聚乙烯磨损性能的影响。MURATOGLU等[26]研究了22、28、32 mm 3种球头直径下常规聚乙烯的磨损率，发现随着球头直径的增大，聚乙烯的磨损率随之增大。GOOD[27]发现当球头直径从22 mm增加到42 mm，磨损率会随之增大。HAIDER等[28]研究了2种大直径球头对应的聚乙烯磨损率，发现当球头直径从40 mm增加到44 mm时，磨损率增加了0.3倍。PRITCHETT[29]发现当球头直径超过50 mm时，聚乙烯的磨损率远远大于常用的28和32 mm 2种球头直径对应的聚乙烯磨损率。这些研究发现球头直径的增大会带来磨损率的增大，这与之前临床上得到的规律一致[24]。图1反映了CoCrMo球头表面粗糙度Ra在50 nm以下，润滑液为25%体积分数小牛血清溶液，频率为1 Hz条件下，球头直径从28 mm增大到32 mm时聚乙烯磨损率的变化，对应磨损率从每百万循环(Mc)33.9 mm3增大到39.5 mm3。球头直径增加了14.3%，而磨损率增大了16.5%。

综上所述，球头直径的增大会导致滑动距离的增大，同时也会导致接触面积增大，这两点都会加速聚乙烯的磨损，增加骨溶解的风险。而球头直径过小会影响假体稳定性，增加假体脱位的风险。随着对聚乙烯改性研究的增多，研究表明聚乙烯交联的有益效果大于大直径球头的负面效果[30],这给大直径金属对聚乙烯型髋关节假体带来了希望。

图1 28和32 mm球头直径对应的常规聚乙烯磨损率

3.2 臼杯外展角度对UHMWPE磨损率的影响

臼杯外展角度是影响假体稳定性、假体磨损、脱位以及人工髋关节长期使用寿命的重要因素之一[31-32]。大多数学者认为髋臼杯外展角在(40±10)°为臼杯植入的安全范围[33-34]，当外展角超过50°时，人工髋关节假体失效率会明显上升。髋臼外展角的增大会导致体积磨损率的增大[35-37]，从而引发假体松动，造成假体失效。LITTLE等[38]通过临床分析发现臼杯外展角超过45°时，对应的磨损率从每年0.12 mm增大到0.18 mm，磨损率增加了50%。然而也有不少学者认为髋臼倾角的增加与磨损率增大并不相关，髋关节假体的失效率升高可能与其他因素有关。DEL SCHUTTE等[39]临床分析了不同髋臼倾角对超高分子量聚乙烯磨损率的影响，当外展角从0°增加到85°时，聚乙烯磨损率并无显著影响。SAIKKO[30]认为造成这一分歧的主要原因是髋臼杯的镶嵌式设计，当髋臼倾角过高时可能会出现边缘断裂、脱臼和撞击等影响假体系统稳定性的现象。HALMA等[40]、WILLIAMS等[41]通过髋关节模拟试验研究了在45°和80° 2种外展角下的聚乙烯磨损率，发现髋臼倾角的提高使得聚乙烯磨损率减少了16%，且磨损机制不会因为倾角的改变而改变，他们将磨损的减少归因于：髋关节假体在微分离状态下增加了瞬态弹流动力挤压润滑膜的潜力，从而导致股骨头假体在复位后，站立阶段对应的聚乙烯磨损率的减少。KORDUBA等[42]在髋关节模拟试验中发现，当髋臼外展角从0°增加到70°，聚乙烯的磨损率线性降低，髋臼倾角为70°时对应的CPE磨损率仅为在0°时对应磨损率的1/2。目前，髋臼外展角对CoCr/CPE配副假体磨损率的影响规律仍存在分歧，结果仍需进一步讨论和探索。

3.3 金属表面粗糙度对UHMWPE磨损率的影响

钴铬钼球头在体内服役时可能由于骨质颗粒或骨水泥颗粒带来的三体颗粒使球头表面粗糙化，从而加速UHMWPE髋臼杯的磨损[43-44]。许多学者通过在牛血清溶液中加入聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)颗粒来探索骨水泥颗粒对聚乙烯磨损性能的影响。KUBO等[45]加入5 mg/mL PMMA颗粒后，发现部分PMMA颗粒会嵌进钴铬钼球头表面，使得球头表面粗糙度提高了5.6倍，而聚乙烯磨损率提高了2.2倍。SORIMACHI等[46]加入10 mg/mL PMMA颗粒后发现，虽然算术平均高度值(Sa)只增加了25%，但是钴铬钼球头表面嵌入大量PMMA颗粒，使得常规聚乙烯磨损率提高了5.1倍，交联聚乙烯磨损率提高了7倍。TADDEI等[47]在牛血清溶液中加入5 mg/L PMMA颗粒后，发现聚乙烯磨损率提高了1.9倍。可见，三体颗粒的加入会增大球头表面粗糙度，加速了聚乙烯的磨损。除此之外，许多学者通过在髋关节模拟试验前刮伤CoCrMo球头表面来研究球头表面粗糙度对常规聚乙烯磨损性能的影响。WANG等[48]发现聚乙烯的磨损因子(K)与球头表面粗糙度Ra值呈线性关系，关系式为K=8.68×10-6Ra+1.51×10-6。当球头表面粗糙度从0.01 μm增加到0.7 μm时，对应的磨损因子增长了2～3倍。JEDENMALM等[49]、SAIKKO等[50]、ITO等[43]均发现钴铬钼球头表面粗糙度Ra值升高，对应的聚乙烯体积磨损率增加。SAIKKO等[50]将粗糙度提升15倍(0.151 μm)，聚乙烯的磨损率提升了近6倍，得到的粗糙球头对应的聚乙烯磨损率与临床CHARNLEY式假体的磨损率非常接近。因此，球头表面粗糙度的增加会增大聚乙烯臼杯内表面的磨损。

但是，研究成果中球头表面粗化对聚乙烯磨损的影响程度存在不一致[50-51]，产生差异的主要原因有三方面。第一，测量表面粗糙度值的仪器不同，得到的粗糙度值有差异。BRUMMIT等[52]比较了不同粗糙度仪测量粗糙度Ra值的差异，发现通过激光轮廓仪测量得出的Ra值明显高于白光干涉仪和接触式的机械轮廓仪得出的Ra值。虽然ISO 7206-2：1996规定了探针式测量髋关节假体金属部件粗糙度的截取值为0.08 mm，但是由于设计原理不同，如何对比接触式和非接触式仪器测得的粗糙度值还存在问题。第二，粗糙度算术平均(Ra)为取样长度内轮廓偏离平均线的算术平均，是用于测定表面光洁度最常用的粗糙度参数，但是单用Ra值来描述表面粗糙度是不够的。因为2个表面可以有相同的Ra，而波峰和波谷的大小以及划痕的形状和大小也可能不同，因此可能有非常不同的表面形貌。粗糙度最大高度(Rt)是轮廓评价长度内最高峰和最深谷之间的距离，粗糙度歪斜(Rsk)为轮廓高度幅值曲线上相对平均线的不对称的计量，是取样长度内坐标值的平均立方值与均方根值立方的商。AFFATATO等[53]分别在球头表面光滑和粗糙情况下测量了聚乙烯的磨损率，并研究了Ra、Rt、Rsk3种粗糙度参数与聚乙烯磨损质量损失之间的关系，发现Ra值与聚乙烯磨损质量损失的相关性仅为0.56，而Rsk值与聚乙烯磨损质量损失的相关性达到了0.8，表明了Rsk与聚乙烯磨损质量损失之间存在高度线性关系。因此研究粗糙度对聚乙烯磨损性能影响时，应在相同粗糙度测试方法下进行分类讨论，同时关注多个粗糙度参数与磨损率或磨损因子之间的关系。第三，不同灭菌方式以及不同型号的聚乙烯可能带来不同磨损率的差异。文中讨论粗糙度这一参数对聚乙烯磨损性能的影响时针对的是常规超高分子量聚乙烯，辐照交联在40 kGy以下。虽然不同灭菌方式、不同分子量、不同医用级别等因素会对常规超高分子量聚乙烯的磨损率带来一定的影响，但文中重点对比球头表面在不同粗糙程度下对应的聚乙烯磨损性能，因此忽略了不同牌号和灭菌方法所带来的影响。

综上所述，钴铬钼股骨头假体会受到硬质颗粒的刮伤使得球头表面粗糙化，加速了聚乙烯的磨损，增大了骨溶解的风险。许多学者通过表面改性技术来提高球头表面的抗刮伤能力，常见的如碳基涂层[54]和陶瓷涂层[29]，它们具有硬度高、耐磨性好以及优良的生物相容性等优点。这给金属对聚乙烯型髋关节假体带来了希望，是目前的研究热点。

3.4 载荷对UHMWPE磨损率的影响

加载载荷是髋关节模拟试验的重要参数之一，采用不同的载荷曲线可能会带来不同的磨损结果。WANG等[55]在髋关节模拟试验中，在保持其他条件不变的情况下，通过改变半径间隙来改变最大接触应力，发现磨损因子与最大接触应力呈非线性反比关系，与施加载荷成正比关系。这与其他学者的研究结果一致[56-58]。为了研究载荷和运动条件对髋关节模拟结果的影响，SMITH和UNSWORTH[59]在双轴式模拟器下对比了最大值为3 kN的双峰保罗曲线和最大值为2 450 N 的矩形曲线2种加载条件下的磨损结果，发现两者磨损率无明显区别，说明简化载荷对磨损结果影响不明显；然后在保罗双峰曲线加载条件下对比了拥有伸展/屈曲、内/外旋双轴运动条件下和只有伸展/屈曲运动2种运动条件下的磨损结果，发现简化运动会带来磨损率的骤减。因此，髋关节模拟试验必须在符合生理运动的条件下进行。

目前髋关节模拟试验的加载载荷曲线主要有符合人体步态时生理特性的双峰动态曲线[60],以及双轴摇摆运动式模拟器常用的正弦曲线[61]2种，对应最大载荷分别为3 kN和2 kN。图2对比了CoCrMo球头直径为28 mm，球头表面粗糙度Ra小于50 nm，润滑液为25%体积分数小牛血清溶液，频率1 Hz条件下，施加最大载荷为2 kN和3 kN时聚乙烯磨损率的差异。有研究认为加载曲线的简化对双轴模拟器试验下的聚乙烯磨损率无明显影响[59,62-63]，因此文中忽略了2种加载曲线不同所带来的影响。

图2 2 kN和3 kN最大载荷力对应的常规聚乙烯磨损率

如图2所示，磨损率随载荷的增大而略微增大。当选用磨损率数据全部为符合ISO 14242-3的双轴运动设计模拟器时，最大载荷增大了50%，而磨损率增大了30%。当加入了内/外旋运动输入后，磨损率下降了60%。这与最近的一项研究结果一致，即加入内/外旋运动使超高分子量聚乙烯磨损率降低了50%[64]，作者将此归因于ISO 14242-1标准中规定的简化运动波形及其相对相位会增加试验中相对运动的线性度。除此之外，一项早期的研究也发现，在球头表面粗糙度情况一致的前提下，采用ISO 14242-1标准中的三轴运动方案产生的球头表面损伤程度明显低于采用ISO 14242-3标准中双轴运动方案[65]。可见，载荷的增大会使得磨损加剧，但其并不是影响聚乙烯磨损率的关键因素。相比较而言，模拟器的运动输入才是影响髋关节模拟试验结果的关键因素。目前，ISO 14242-1所输入的运动曲线是根据正常人的步态所得出的，但符合患者步态、跑步、上下楼梯和深蹲等日常运动的模拟曲线尚未完善。更真实的运动输入有助于得出与临床更接近的磨损结果，未来需要补充病人步态、跑步、上下楼梯和深蹲等日常运动的运动输入曲线。

3.5 不同润滑条件对UHMWPE磨损率的影响

健康人体关节的滑膜液只有0.2～10 mL，而髋关节模拟器一个站位就需要40～600 mL润滑液[66]。因此，必须考虑使用替代的关节液类似物进行试验。用于髋关节测试的液体有两种：非生理性(不含蛋白质)润滑液如水,生理性(含蛋白质)润滑液如牛血清。多年来人们认识到水作为润滑液时，在髋关节模拟器中不能产生足够的边界润滑，也不能模拟体内磨损机制[67]。而牛血清成分类似于人体血清，是髋关节模拟试验中最常用的润滑液。

许多学者通过髋关节模拟试验研究了牛血清溶液中蛋白浓度对聚乙烯磨损率的影响。JOHN[68]研究了17、34、62 mg/mL 3种蛋白浓度下的聚乙烯磨损率，发现随着蛋白浓度的增加，磨损率有线性下降的趋势。LEWIS等[69]发现当牛血清体积分数从25%增加到90%时，聚乙烯磨损因子下降为原来的1/2。WANG等[70]发现当蛋白浓度从5 mg/mL增加到60 mg/mL时，磨损率会出现线性下降。这些学者认为聚乙烯磨损率随蛋白浓度的增加而降低。然而，不同实验团队的研究结果可能不同[71]。GOOD等[72]研究了0～63 mg/mL蛋白浓度下的聚乙烯磨损率，发现蛋白浓度为10 mg/mL时出现磨损率峰值，当蛋白浓度小于10 mg/mL时，磨损率随蛋白浓度的增加先增加后降低，而当蛋白浓度超过10 mg/mL时，磨损率随蛋白浓度的增加而降低。WANG等[73]的研究发现聚乙烯磨损率随蛋白浓度的增加先增加后降低，临界值在10 mg/mL附近，这与BROWN和CLARKE[66]的研究规律一致。这些学者认为聚乙烯磨损率随蛋白浓度的增大先增大后降低。综上所述，虽然蛋白浓度对聚乙烯磨损率的影响规律还没有达成共识，但这些学者们一致认为，高蛋白浓度会促进蛋白质的降解，产生更多的不溶性凝胶状沉淀物，起到了有效的固体润滑作用，这减小了聚乙烯表面与股骨头表面的接触面积，从而减小了聚乙烯的磨损率。2012年起，ISO 14242-1规定了小牛血清溶液蛋白浓度为(30±2) g/L，即髋关节模拟试验最佳蛋白浓度达成一致。

润滑液对聚乙烯磨损率的影响是一个综合复杂的问题，润滑液成分也会对磨损带来影响。TAKADAMA和MIZUNO[74]发现球蛋白对磨损率的影响大于球蛋白，这表明2种蛋白的比例对聚乙烯的磨损会产生影响。WANG等[70]研究了小牛血清基润滑液中白蛋白/球蛋白比值(A/G)对聚乙烯磨损率的影响。发现当蛋白浓度维持在20 mg/mL左右时，聚乙烯的磨损率随A/G比值的增加而下降，当A/G比值从0.8增加到4时，磨损率下降了40%。作者认为A/G最佳比值应该在1～1.5之间。目前ISO尚未规定这一比例参数，需要在未来进一步更新。

由于牛血清溶液作为润滑液时存在蛋白质降解、黏度与人体滑液不匹配、不同牛血清对应的起始蛋白浓度和起始蛋白成分尚未统一等问题，许多学者研究了非牛血清的人工滑液。BELL等[75]合成了一种称为Gelofusine的明胶基蛋白质溶液来替代牛血清溶液，这种人工滑液的卵磷脂含量明显高于牛血清溶液，但由于得到的聚乙烯磨屑粒径与临床研究不匹配，并不是一种合适的人工滑液。TAKADAMA和MIZUNO[74]在加入乙二胺四乙酸和叠氮化钠的磷酸盐缓冲液中加入单成分的白蛋白或球蛋白制备了润滑液，通过髋关节模拟试验后发现聚乙烯磨损率和磨屑粒径均与牛血清溶液非常接近，为制备符合髋关节磨损特性的新型润滑液提供了指导。SCHOLES等[76]加入0.5%水凝胶与99.5%水合成的润滑液在销-板磨损试验后没有出现聚乙烯转移现象，得到聚乙烯磨损因子为2.5×10-7mm3/(N·m)，明显低于临床公布的CHARNLEY式髋关节假体磨损因子[77]。BORTEL等[11]在林格溶液中加入透明质酸、白蛋白、球蛋白、卵磷脂等合成了一种成本合理、黏度与体内滑液相匹配的人工滑液，在销-盘磨损试验后能得到与临床十分接近的磨损因子和磨屑粒径分布，但尚未在髋关节模拟器中进行验证。

综上所述，牛血清蛋白浓度对常规聚乙烯磨损率的影响规律尚不能达成共识，即使在同一个实验室内，结果也存在矛盾。未来有必要在这一领域进行更多的研究和协调多中心共同完成测试。除此之外，虽然出现了许多有潜力替代牛血清的合成生物润滑液，但相关验证性研究较少，需要未来作进一步研究。

3.6 材料改性对UHMWPE磨损率的影响

为减小磨损产生的聚乙烯颗粒对人工髋关节假体带来的不良影响，许多学者希望通过材料改性方法，在现有材料的基础上，通过交联技术、表面改性和填充改性技术等，提高人工关节材料的耐磨性或者降低材料磨损带来的不良生物反应。目前超高分子量聚乙烯交联改性已经较为成熟，并且临床应用也最为广泛。常见的聚乙烯交联技术有辐照交联、过氧化物交联和偶联剂交联等，其中最常用的是辐照交联，即通过电子射线或γ射线切断UHMWPE材料中部分分子链的C-C键产生大量自由基，这些在无定型区的自由基会相互结合形成交联网状结构。大量的髋关节磨损试验发现，交联技术显著提高了UHMWPE的耐磨性。SAIKKO等[50]通过双轴摇摆式髋关节模拟机研究了内径为28 mm的CPE和HXLPE(95kGy)臼杯的磨损率，结果显示当CoCr球头粗糙时，CPE和HXLPE臼杯的磨损率分别为每百万循环(64.4±10.1)mg和(2.4±0.3)mg；当CoCr球头表面光滑时，CPE臼杯磨损率为每百万循环(11.6±0.07)mg，而HXLPE臼杯未有明显磨损质量损失。ESSNER等[78]通过MTS髋关节模拟机研究了CPE和HXLPE(75kGy)臼杯的磨损率，对比发现内径为32和36 mm的HXLPE臼杯的磨损率比内径为28 mm的CPE臼杯的磨损率低了87%，且内径为32和36 mm的HXLPE臼杯的磨损率无显著性差异。MCKELLOP等[79]发现UHMWPE的磨损率会随辐照剂量的增大而减小。然而，相关研究表明HXLPE材料结晶区的自由基会与氧气接触发生反应，引起材料的氧化和脆化问题[80]。虽然研究人员通过重熔热处理消除了残余自由基[81]，但这会引起材料相关机械性能的下降[82]，限制了髋关节假体的使用环境。随后，研究人员通过结合辐照交联和扩散维他命E的方式研发出抗氧化高交联聚乙烯(VE-XLPE)，解决了材料氧化和机械性能下降等问题，并通过髋关节模拟试验进一步证明了其高耐磨性。AFFATATO等[83]通过Shore Western髋关节模拟机研究了内径为28 mm的CPE、HXLPE(70kGy)和VE-XLPE(70kGy)3种臼杯与CoCrMo球头配副的磨损率，对比发现HXLPE和VE-XLPE臼杯分别比CPE臼杯磨损率低58%和21%。AFFATATO等[84]之后又通过 IORSynthe髋关节模拟机研究了内径为32 mm的CPE、HXLPE(75kGy)和VE-XLPE(75kGy)3种臼杯在与CoCrMo球头配副下的磨损率，对比发现HXLPE和VE-XLPE臼杯分别比CPE臼杯磨损率低81%和55%。这些研究表明聚乙烯交联技术能有效改善常规聚乙烯材料耐磨性不足的问题，并且它带来的有益效果大于大直径球头的负面效果，这给大直径金属对聚乙烯型髋关节假体带来了希望，是目前研究的重点。

同时，为减小CoCrMo球头假体在长期服役中磨损表面粗糙度增大所引起的聚乙烯磨损加速问题，许多学者希望通过金属表面改性的方式提高其表面抗刮伤能力。常用的表面改性技术有离子注入、离子渗氮和表面硬质涂层制备。离子注入技术是在高压电场作用下，把选定的离子引入到固体材料中的一种改性方法，其中最常见的是氮离子注入。LIU等[85]通过MTS髋关节模拟机研究了氮离子注入对CoCrMo/UHMWPE髋关节假体带来的影响，结果显示在氮离子注入后球头表面的划痕明显减少，球头表面硬度有所提高。然而注入深度不够的问题限制了其使用范围。离子渗氮是在低真空含氮气氛中，通过高直流电压使在工件表面产生辉光放电并在高温下渗氮的化学热处理工艺，能够显著提升基底材料硬度和耐磨性。WANG等[86]对CoCrMo合金进行离子渗氮后形成了致密的CrN和CrN2相，显著提升了CoCrMo合金的硬度和耐磨损性能。然而，有研究报道离子渗氮会使降低其耐腐蚀性能[87]，加速了Co、Cr等金属离子的释放。硬质涂层凭借其较高的硬度和优异的耐磨性、化学惰性与生物相容性等优点被广泛应用于材料保护，主要分为陶瓷涂层和非晶碳基涂层2种。在CoCrMo球头表面制备的最常见的陶瓷涂层为氮化铬(CrN)涂层。GALVIN等[88]通过物理气相沉积技术在CoCrMo球头表面制备了CrN涂层，在经过500万次髋关节磨损试验后发现球头表面粗糙度无明显变化，表明CrN涂层提高了球头表面抗刮伤能力。而近年欧盟Life Long Joint项目中提到的氮化硅涂层具有巨大的市场潜力，它与传统陶瓷涂层相比最大的特点是其磨粒能溶解于水溶液中[89]，使其生物相容性得到提升，是目前陶瓷涂层的研究热点。对于非晶碳基涂层，目前研究居多的是DLC薄膜涂层。GALVIN等[90]通过Leeds II髋关节模拟机研究发现未镀膜的CoCrMo球头磨损500万次后表面粗糙度明显增大，而DLC薄膜的CoCrMo球头无明显变化。LIU等[85]通过MTS髋关节模拟试验对比了氮离子注入和DLC薄膜对CoCrMo球头的影响，结果显示DLC涂层的CoCrMo球头在磨损试验后无明显损伤，而氮离子注入的CoCrMo球头表面出现了刮擦痕迹。然而，由于DLC薄膜与基体之间结合强度较弱，造成涂层剥落的现象时有发生，限制了DLC薄膜的广泛应用[91]。LI等[54]通过磁控溅射技术在Ti6Al4V球头上制备的新型碳基纳米多层涂层解决了碳基涂层结合强度不够的问题，并在Leeds ProSim髋关节模拟机上进行500万次循环磨损后发现，有涂层的Ti6Al4V球头与聚乙烯对磨时磨损率达到了CoCrMo球头配副级别，减小了聚乙烯的磨损率，展现出了巨大的潜力。这些改性成果给提升金属球头表面抗刮伤能力带来了希望，是目前研究的另一个重点。

4 总结与展望

目前关于球头直径、髋臼外展角、球头表面粗糙度、载荷、润滑条件和材料改性对CoCrMo/UHMWPE型人工髋关节假体磨损性能影响的研究已取得较大进展，但在以下几方面尚未进一步研究：

(1)在试验标准方面，目前国内外标准只规定了模拟步态这一最常见的运动形式，并且简化了步态运动输入曲线，还未涉及跑步、骑行、意外损伤模拟和上下楼梯等日常运动形式的模拟，更没有涉及符合国人日常生活特点的运动模式。

(2)在润滑液方面，虽然ISO标准已经规定了牛血清最佳蛋白浓度为(30±2)g/L，但是对牛血清成分以及蛋白质降解问题的相关研究较少，需要继续研究。另外，目前有许多有潜力的合成润滑剂，由于相关验证性研究较少，还需要作进一步研究。

(3)在假体设计方面，增大球头直径有利于假体系统稳定性的提高，但同时会增大聚乙烯臼杯的磨损率，而聚乙烯交联技术能够有效减小大直径球头带来的负面影响，是目前研究的重点；金属球头在体内长期服役时受刮伤等原因使其表面粗糙度提高，加速了聚乙烯臼杯的磨损，通过表面改性技术能提升球头表面抗刮伤能力，是目前研究的另一个重点。