生物摩擦计能成为联合模拟器的先驱吗?
发布时间 : 2021/08/19 阅读次数 : 30 推荐产品 : {pboot:content id=}[content:title]{/pboot:content}

生物摩擦计能成为联合模拟器的先驱吗?

 


使用关节模拟器测试植入物非常复杂、耗时且昂贵。Ducom 生物摩擦磨损试验机是关节种植模拟器的先驱,主要用于骨科和牙科中替代生物界面的生物材料的基础研究。

生物摩擦试验机由一个或多达六个工作站组成。每个工位都配备了测量摩擦和复合磨损的传感器、一个润滑油杯和一个加热单元(见图1)。常规负载可独立施加在每个工位上,完全自动化。可生成生理步态负荷曲线(符合ISO 14242测试标准),以及固定负荷曲线(符合ASTM F732测试标准)。

 

 

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图1 Ducom生物摩擦试验机一个工作站的原理图。X-Y工作台可以进行线性往复(沿X或Y轴)、椭圆、旋转、方形和8字形磨损。运动的类型需所有工位统一。

 

X-Y工作台能够沿两轴多方向运动,如椭圆、旋转、方形和8字形磨损轮廓。在直线往复运动(沿X或Y轴)的情况下,通过使用销旋转特性高达2Hz或无销旋转的方形运动轮廓可产生交叉剪切。

Ducom摩擦试验机已经对模拟器和回收的植入物进行了基准测试,以建立UHMWPE-CoCrMo髋关节假体材料的体内磨损机制和磨损率,与疲劳磨损机制(步态载荷)相关的波纹不能通过传统的销盘摩擦试验机上再现。

 

表1 采用模拟法、检索法和Ducom生物摩擦试验机对超高分子量聚乙烯的磨损率和磨损机理进行了比较。

 

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生物摩擦试验机模拟ISO 14242步态负荷剖面


如图2B所示,我们能够以接近ISO 14242的间隔重现步态负荷曲线。一个周期的总持续时间小于8秒。此外,生物摩擦计的每个工作站都有一对测压元件,以获得在整个试验期间沿着X和Y轴的摩擦力。摩擦系数在WinDucom软件和MOOHA平台上自动计算并显示。

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图2.(A)符合ISO 14242测试标准的荷载分布图(B) ISO 14242步态负荷曲线使用Ducom生物摩擦试验机获得。

 

 

耐磨UHMWPE等级,使植入物寿命加倍

 

对两种不同等级的超高分子聚乙烯(UHMWPE)销进行了钴铬钼(CoCrMo)盘的测试。在50万次循环(MC)内,负载曲线为88至186N的正弦波。摩擦方式为线性往复运动,销旋转频率为1 Hz,试验样品在37°C下浸入小牛血清中。在持续数天的试验过程中,获得了现场摩擦曲线。每0.25 MC测量一次重量损失分析或磨损。

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图3 (A) UHMWPE(交联)和UHMWPE(非交联)的磨损率。(B) 50万次循环后UHMWPE(未交联)销钉和CoCrMo盘的磨损图像。

 

如图3A所示,交联UHMWPE (0.64 mm3 / MC)的磨损率几乎比未交联UHMWPE (5.19 mm3 / MC)低一个数量级。事实上,聚乙烯的交联通过加强相邻碳碳链的键来降低其流动性,从而使聚乙烯更耐磨损。此外,在未交联的UHMPWE及其对位体CoCrMo盘上均观察到严重划痕(见图3B)。

 

Kantesh Balani教授和他的研究团队(印度理工学院材料科学与工程系坎普尔),最近发表了一篇有趣的文章,介绍SS 304和Ti6Al4V的摩擦学性能,使用四种往复几何。他们使用ducom生物摩擦试验机(六工位)对两个摩擦学架在四种不同往复几何形状下的摩擦和磨损程度进行分类——线性、圆形、方形和八蝶形。

 

Ti6Al4V和CoCrMo之间的摩擦和磨损比较。

 

使用步行步态负荷曲线(400N为最大负荷),对与Ti6Al4V和CoCrMo圆盘接触的标准UHMWPE销进行了120万次循环(MC)的测试。试验样品在37°C下浸入小牛血清中。获得重量、摩擦和磨损,并显示高达1.2 MC。

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图4 UHMWPE销与Ti6Al4V和CoCrMo盘接触的摩擦系数(A)和磨损率(B)

 

UHMWPE和Ti6Al4V摩擦副的摩擦系数低于UHMWPE和CoCrMo摩擦副(见图4A)。这可以归因于Ti6Al4V上比CoCrMo上更厚的氧化层。一般而言,UHMWPE的磨损率随着循环次数的增加而线性增加,最高可达1.2 MC(见图4B)。UHMWPE-Ti6Al4V摩擦副和UHMWPE-CoCrMo的累积磨损量分别为8.35 mm3/MC和9 mm3/MC。

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图5 1.2 MC磨损试验后UHMWPE针脚和金属盘的扫描电镜和光学图像。未磨损的UHMWPE图像作为参考显示机器标记(插入)。

 

使用扫描电子显微镜(SEM)进行的定性磨损分析(见图5)表明,超高分子量聚乙烯(相对于Ti6Al4V)具有更高的磨损,因为存在严重的纤维拉拔(或分层)、抛光表面、更深的裂纹和有趣的波纹。与CoCrMo盘相比,Ti6Al4V盘上的划痕也更多。这些表面特征通常在回收的植入物或关节模拟器上观察到。一些临床研究已经证明,夹带的第三体磨损颗粒(包括CoCrMo颗粒)是导致CoCrMo上的划痕与UHMWPE接触的原因。使用Ducom生物摩擦试验机中的摩擦腐蚀装置,需要进一步研究金属表面的氧化层形成和耐腐蚀性。

 

ASTM F732为何过时

步行和爬楼梯等体力活动期间产生的动载荷和热量(高达45°C)会影响UHMPWE的磨损。然而,目前的标准试验方法ASTM F732不包括这些因素。在这里,我们修改了ASTM F732,将固定载荷改为动态载荷(A),并研究了温度对UHMWPE磨损的影响(B)。将试验样品浸入小牛血清中,两种情况下的试验持续时间均为60万个周期。

 

A.动荷载效应

 

行走和爬楼梯的步态负荷循环(见图6)已在Ducom生物摩擦试验机中重现。将与掺杂有维生素E的UHMWPE盘接触的CoCrMo销用作摩擦副。

 

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图6 (A)步行和(B)爬楼梯的步态荷载周期(较长的间隔)的动态荷载剖面。在两个剖面中,最大载荷为400 N,最小载荷为40 N。而步行和爬楼梯的平均载荷分别为172 N和147 N。

 

 

与步行相比,爬楼梯显示出高磨合摩擦(见图7A)、严重的多向划痕、深槽和剥落(见图7B)。试验后,爬楼梯和行走的重量损失分别为3.6 mm3/MC和1.6 mm3/MC。

 

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图7 CoCrMo销和UHMWPE维生素E盘的摩擦系数(A)和光学显微镜视图(B)。

 

B温度效应

 

在步行步态周期中,在37°C和45°C条件下对标准UHMWPE和掺杂有维生素E针的与CoCr盘接触的UHMWPE进行测试。如图8所示,在37°C下掺杂维生素E的UHMWPE的低摩擦磨损行为在45°C下不适用,因为在高温下维生素E变性。

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图8 在(A)37°C和(B)45°C条件下,标准UHMWPE和掺有维生素E销的UHMWPE在CoCrMo盘上的摩擦系数。

 

此外,由于低疲劳耐磨性,在45°C下掺杂维生素E的UHMWPE上观察到大波纹(见图9)。

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图9 在37°C和45°C下进行磨损试验后,(A)掺杂维生素E的UHMWPE销和(B)标准UHMWPE销的扫描电子显微镜(SEM)图像。观察到销边缘分层、微划痕和磨损碎屑粘附。只有在45°C下掺杂了维生素E的UHMWPE才会出现波纹。

 

为什么在静载荷下进行生物摩擦试验是不现实的?

 

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)材料的摩擦磨损行为通常是在固定载荷下研究的,而不代表可变的生理应力条件。这种差异会对UHMWPE材料的选择产生不利影响,因为UHMWPE材料用于组件测试,目的是提高关节种植体的使用寿命。在这里,我们在固定载荷(225 N,根据ASTM F732)下测试了UHMWPE销(直径8毫米)与CoCrMo盘(直径29毫米),并使用步行步态周期(请参阅图6A)。试验润滑剂是用磷酸盐缓冲盐水(5 g/l PBS)稀释的牛血清白蛋白(BSA)。监测了126万次循环的摩擦磨损行为。

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图10 (A) 225N固定载荷和动态加载时摩擦副的摩擦系数。(B) UHMWPE在固定载荷和动态载荷下的磨损试验体积损失。

 

在动荷载作用下,摩擦系数相对于固定荷载稳定。此外,超高分子量聚乙烯在动态负载下的体积损耗比固定负载下小。

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图11 (A)UHMWPE销在1.26 x 106循环下的扫描电子显微镜(SEM)图像。动态加载后,在销中观察到波纹。


结果表明:在固定载荷和动态载荷下均存在多裂纹磨损,在固定载荷下存在深沟槽,在动态载荷下存在明显的疲劳磨损(波纹)。结果表明,UHMWPE在固定载荷下的磨损机理与动态载荷下的磨损机理有定性和定量的差异。

 

抗菌涂层是否影响磨损和金属毒性?

在本研究中,我们研究了两种不同的抗菌涂层在CoCr上的磨损行为。计数器主体为标准UHMWPE销,所用润滑剂为新生小牛血清(澳大利亚原产),蛋白质浓度为20 g/l。试验室用气球覆盖,以避免血清污染和蒸发(见图12)。我们同时测试了5对相同的摩擦副。对这些涂层的摩擦磨损行为进行了100万次循环监测。一个“蝶形”剖面以及一个从250到400 N的正弦负载曲线被用作测试剖面。试验室在37°C下加热。

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 12 生物摩擦试验机,试验区域由灭菌气球覆盖,以防止试验期间生物润滑剂蒸发。

 

总的来说,UHMWPE的变形率和磨损率与临床报道的UHMWPE穿杯率和磨损率的顺序相同。摩擦系数在0.04 ~ 0.10之间。生物摩擦计的结果显示涂层A和B之间的差异。

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图13 (A)超过100万个周期的UHMPWE的体重损失和(B)每25万个周期后血清中测量的平均离子释放。

 

与涂层B相比,涂层A使UHMWPE的磨损率增加了3倍(图13A)。此外,测试后的磨损图像显示涂层A与涂层B相比有严重的划痕(见图14)。然而,这些涂层从CoCrMo基体中释放的Co或Cr离子没有显著差异(见图13B)。本研究表明,Ducom生物摩擦试验机能够模拟种植体材料的磨损行为,用于选择耐磨抗菌涂层,即涂层A。

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图14显微镜图像的盘前(左)和后一百万次磨损试验(右)。

 

小牛vs胎血清-我们应该使用哪种润滑剂?

在本研究中,我们研究了润滑对UHMWPE磨损和摩擦的影响。计数器体为钢合金盘,润滑剂为新生牛血清(澳大利亚产)和胎牛血清,蛋白浓度均为30 g/l。监测了100万次的摩擦磨损行为。在650 N的固定载荷下,采用“蝶形”剖面作为测试剖面。测试室在37℃下加热。我们遵循ASTM F732中提到的周期间隔(即50000,200000,500000,1000000)。

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图15。(A)新生儿小牛血清和胎牛血清中UHMPWE针的磨损率超过100万次循环试验。(B)在新生牛血清和胎牛血清中检测的摩擦对的平均摩擦系数。

 

总的来说,两种血清润滑的UHMWPE在100万次循环后磨损率增加。经过100万次循环后,由新生小牛血清润滑的UHMWPE的磨损率比之前的测量值(即50万次循环时)高出了三倍。小牛血清和胎血清润滑的UHMWPE磨损率分别为18.8 mm3和10.3 mm3。总的来说,摩擦系数随循环次数的增加而减小,说明聚乙烯表面有平滑作用。牛血清和胎血清润滑的摩擦对的平均摩擦系数分别为0.014和0.019。本研究表明,生物摩擦仪可用于筛选不同的生物润滑剂。这项初步研究建议使用新生儿血清与胎儿血清进行加速磨损试验。

 

 

磨擦在种植体磨损中的重要性。


钛合金以基牙和螺钉的形式被广泛应用于牙科生物材料。尽管它们具有生物相容性,但它们对陶瓷的耐磨性较差。硬涂层是提高钛基材料耐磨性的一种解决方案。这种涂层的有效性应在摩擦和磨损试验中进行测试,以重现种植牙的生理条件。在该研究中,使用Ducom 生物摩擦试验机评估了带DLC涂层和不带DLC涂层的Ti6Al4V圆盘在生理咀嚼载荷下的摩擦磨损性能(见图16)。

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图16 (A)Ducom生物摩擦试验机模拟的生理咀嚼循环

 

 

圆盘试样在直径为6mm的钇稳定氧化锆球(3Y-TZP)的作用下沿2 mm行程进行往复运动。测试在37°C的PBS溶液浴中进行,总持续时间为1小时(2610个周期)。用光学显微镜定量分析牙体材料的磨损情况,并进行后摩擦试验。

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图17 (A) Ti6Al4V和DLC圆盘与氧化锆球的摩擦曲线。(B)测试后的圆盘和球的光学显微镜图像

 

DLC保护涂层使Ti-6Al-4V的摩擦降低了80%以上(图17)。结果Ti-6Al-4V的磨损率下降了99%。对于Ti-6Al-4V来说,在生理载荷条件下,摩擦增加意味着磨损增加(图18)。最后,摩擦对牙体材料的磨损有直接影响。DLC涂层由于其低摩擦性能,可保护Ti-6Al-4V免受磨损。

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图18 (A) Ti6Al4V和DLC盘的摩擦系数与体积磨损率的关系。

 

摩擦腐蚀研究。

Ducom生物摩擦磨损仪可以配备一个摩擦腐蚀模块(见图19),以评估材料在摩擦和磨损试验中的电化学行为。

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图19 Ducom生物摩擦试验机的摩擦腐蚀装置原理图。所有支架均由电绝缘材料制成

 

该摩擦腐蚀模块包括一个三电极电化学池设置来测量电位和电流。在这项研究中,我们评估了氧化锆球(直径10毫米)与SS316L(直径60毫米,厚度15毫米)制成的盘的摩擦腐蚀行为。法向载荷为10 N,行程长度为10 mm,滑动速度保持在20 mm/s (1hz频率)。室温下使用的介质为NaCl (3.5 wt%)。在同一样品上进行了多次试验,验证了摩擦腐蚀试验规程(见图20)。

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图20 第一阶段:金属钝化。第二阶段:往复过程中被动层的破坏,摩擦磨损的演变。第三阶段:钝化膜的再形成。

 

在第I阶段(约5分钟),只测量腐蚀电位(稳定/钝化)。在第二阶段,圆盘开始与氧化锆球往复运动,从而破坏了钝化层,扩大了磨损轨迹,增强了腐蚀和磨损。在30分钟的摩擦磨损试验后,相对运动停止,观察到钝化膜的重新形成(第三阶段)。

 

在筛选新生物材料的过程中,必须考虑日常活动的生理负荷分布(如行走、爬楼梯、跑步等)和UHMWPE的交叉剪切效应。Ducom 生物摩擦试验机的动态载荷剖面、多向运动和温度控制特性为模拟体内条件、再现临床研究观察到的磨损机制和磨损率提供了现实的测试平台。

 


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