骨科植入物的微动摩擦学研究现状及进展

1、骨科植入物的微动摩擦学研究现状及进展摘 要: 骨科植入物在人体中的微动会引起植入物的磨损导致损伤，造成骨科手术的失败 本文介绍了植入物微动摩擦学的类型、研究方法、磨损机理及改善措施，详细阐述了当前国内外关于骨科植入物微动摩擦学的试验及数值模拟研究成果 建立 1 套可准确获得界面微动真实分布的科学方法，将有助于深入研究人体中界面微动，而将骨组织的生长模型与力学特性相结合，建立适于描述人体中植入物 骨组织的界面微动模型，对临床治疗及骨科植入物的优化设计具有非常重要的意义关键词: 骨科植入物; 微动摩擦学; 松动; 磨粒; 生物摩擦学摩擦学( Tribology) 是有关摩擦、磨损和润滑科学的总称，

2、是研究摩擦和磨损过程中 2 个相对运动表面之间相互作用、变化及其有关的理论与实践的1 门学科1，最初仅限于有关理学或工学方面的摩擦问题，还未扩大到生物学领域2 随着摩擦学研究的不断扩展，生物摩擦学( Biotribology) 的概念应运而生 生物摩擦学是研究所有与生物系统相关的摩擦学问题3，分为人体摩擦学和动物仿生摩擦学两类 当前世界上生物摩擦学研究以人体摩擦学研究为主，研究内容包括人工关节的润滑、皮肤的摩擦性能以及移植物假体的磨损等多个方面，其中以对人工关节等骨科植入物的摩擦学行为研究最多 骨科植入物在骨科手术中已得到广泛使用，以人工关节为例，我国骨关节炎患者达3 600 4 000 万，

3、其中100 150 万患者需要实施人工关节置换手术4目前人工关节的主要失效形式是无菌松动，引起早期假体无菌松动的主要原因是应力遮挡现象，而引起晚期假体无菌松动的主要原因是关节假体之间、假体与骨组织之间的微动及其磨损产生的磨屑5 7微动( Fretting) 是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变载荷作用下，接触表面间发生的幅度极小的相对运动( 位移幅度一般为微米量级)8 9 不同于滚动和滑动摩擦副，微动摩擦副的表面通常是相互固定的，无明显的相对位移 与工业领域内提出的微动量级相近，骨科植入物 骨组织界面在外加载荷作用下会发生 200 m 的相对位移，称为动度( Micromotion

4、)10，但不同于机械结构中的微动 影响植入物与人体组织之间发生微动的因素更多更复杂，摩擦面所处的生化环境与机械结构也存在很大不同 本文就骨科植入物，特别是人工关节的微动问题展开了讨论，从骨科植入物的微动类型、研究方法、机理以及改善植入物微动的措施4 个方面，对骨科植入物的微动摩擦学研究现状进行了综述1 骨科植入物的微动类型微动摩擦学中，习惯将微动分为微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀 3 种模式11 按照微动时不同的相对运动方向，可以将微动划分为切向微动、径向微动、滚动微动和扭动微动 4 种基本微动运行模式( 见图 1) ，实际中的微动现象十分复杂，可能是几种基本模式相结合的复合微动12 13 对于

5、植入物 骨组织界面发生的微动，微动磨损产生的影响较大 工程上的微动磨损机理认为，发生微动的界面在外界载荷作用下发生摩擦，导致表面氧化膜破坏，使得金属晶格直接接触从而发生黏着磨损，产生的磨粒停留在微动界面上，进一步形成磨粒磨损及表面疲劳破坏，最终导致构件失效在包含有人体组织在内的微动界面中，由于骨组织的可修复能力及生化特性，使得微动磨损和疲劳的内涵与过程更为复杂 一方面由于微动磨损中产生的磨粒引起生物免疫反应，大量巨噬细胞聚集在界面吞噬磨粒，会刺激骨组织破骨细胞的生成，发生骨溶解，导致微动界面基体发生改变; 另一方面，过大的微动幅度会导致在界面上生成纤维软骨组织，最终在植入物和骨组织间生成纤维软

6、骨组织层，使植入物与骨组织之间不能紧固连接 另外，由于骨组织材料具有的自我修复功能，微动疲劳导致的裂纹在一定程度内会得到修复，而不会出现类似机械零件中裂纹逐渐累积而破坏的情况按照发生微动的基体不同，可以将人体中骨科植入物的微动分为 3 种类型14: 植入物与人体组织界面间形成的微动摩擦副，如人工关节柄与宿主骨间，固定螺钉与皮质骨间等; 植入物零件之间的微动摩擦副，如组配式人工关节的零件之间、人工关节的涂层与基体之间等; 人体组织之间的微动摩擦副，如在韧带重建术中自体移植物的骨端与韧带附着骨的骨道间等 植入物与人体组织的微动摩擦副主要是由植入物与骨组织之间进行固定时而形成的，目前骨科植入物的固定

7、形式主要有 2 种: 骨水泥固定和生物型( 非骨水泥) 固定 在骨水泥固定中，植入物与人体组织间使用骨水泥进行填充和连接，骨水泥进入松质骨的空隙里，与骨组织进行紧密连接，从而成功地固定植入物，此种形式中存在植入物 骨水泥和骨水泥 骨组织 2 种界面情况 但是骨水泥在 骨科植入物的微动摩擦学研究现状及进展103骨和植入物间只形成表面的黏合，骨水泥中仍可能出现老化、裂缝及形成磨损颗粒等问题，不能彻底保证植入物的长期固定 在生物固定中，植入物与骨组织直接接触，通过松质骨骨小梁结构生长进入植入物表面的微孔中，进而完成植入物的固定，该种固定中仅存在植入物 骨组织 1 种界面 有文献报道，生物固定型具有良

8、好效果，也正在临床中得到更多的应用152 骨科植入物微动的研究方法目前，对骨科植入物微动摩擦学特性的研究主要采用试验测量和数值模拟 2 种方法 其中，试验测量方法主要分为局部微动点测量和全局微动分布测量两类，而数值模拟方法主要通过诸如有限元方法( Finite Element Method，FEM) 等仿真骨 假体界面的微动效果来研究骨科植入物的微动摩擦学特性局部微动点测量主要是通过固定在若干点上的位移测量仪器对试验对象在某载荷下的微动进行测量，获得的是某个或某几个点的微动情况，使用的测量仪器如千分尺16 17、引伸计18 20、线性可变微分位移传感器( Linear variable dif

9、ferential transducer，LVDT)21 26、高 分 辨 率 CCD ( Charge coupleddevices)27等 Markolf 等18使用引伸计对比了几种骨水泥固定型假体的界面微动值 试验前先在股骨上打孔，将金属销通过该孔与假体的端部进行连接引伸计的两端分别固定在金属销和股骨上，可以测量假体 骨界面上某个方向的微动量 Burke 等20改进了引伸计与股骨组织的固定方式，将同心的圆柱钢钉及空心钢圈分别固定在微动界面的假体和股骨基体上，通过改变引伸计的测量方向，可以测量同一点的轴向和环向微动随着研究深入，引伸计的测量精度及范围已不能满足试验的测量要求，许多学者使用更

10、高精度的LVDT 位移传感器开发出可以测量多自由度位移值的界面微动测量装置 Gilbert 等21分别使用 3 个和4 个 LVDT 传感器与假体的近端和远端固定，测量了假体近、远两端界面上微动的 3 个线位移及 1 个相对角位移，用两点位移的平均值表征假体的整体微动位移 在 Berzins 等22设计的六自由度微动位移测量装置中，将假体远端的金属柄与 3 个钢球固定在一起，通过钢球与 LVDT 位移传感器的接触获得样本 6 个自由度下的位移值( 见图 2) Maher等26采用同样的原理搭建了 1 套疲劳载荷下的假体微动测量装置 然而，该种测量方案中假设假体和骨组织均为刚体，传感器的测量值即

11、为界面微动值，忽略了假体和骨组织的弹性变形影响研究证明，假体和骨组织的弹性形变占所测位移的 10% 25%21，其影响不应被忽略22，24; 当测量循环载荷下的微动时，试验时间小于 1 h 的情况下温度的影响才能被忽略 近几年，一些学者对已有的局部微动点测量方法提出了改进 如采用高分辨率 CCD 观测标定点的方法获得界面微动值27等 Ebramzadeh等28搭建了具有小位移、可控载荷及动态加载特点的销盘式植入物界面微动测量设备，解决了现有试验机加载位移量远大于假体 骨界面实际微动值的弊端 另外，有的学者探索了使用局部点测量与有限元模拟相结合的方法，利用试验测量值验证模型的有效性，通过有限元模

12、拟获得了界面的微动分布情况25Fig 2 Femur prosthesis 6 degree of freedommicromotion measurement apparatus22图 2 股骨假体六自由度微动测量装置22全局微动分布测量主要是通过非接触的测量方式获得试验对象的微动分布情况，如使用 Micro CT29、核磁共振成像30等获得植入物 骨界面的微动分布，有利于对微动的发生、发展机理进行深入研究，为假体细节的优化设计提供力学参考 Conroy等30采用高分辨率核磁共振成像技术对假体 骨界面上松质骨内的渗透液微流动情况进行观测 研究证明，界面发生微动时会导致松质骨内液体的渗出及渗透

13、液界面流动，改变界面的力学环境，对细胞的迁移、分化产生影响31 32 Gortchacow 等29使用Micro CT 获得了假体 骨界面微动的三维分布，精度可达 10 m 以下 但采用图像处理方法对微动进行测量，测量精度会受到灰度提取及图像分割等处理方法的影响; 由于 Micro CT 的重建扫描需要20 min，该过程中需保证载荷变化不大于 1% ，才能1 04摩 擦 学 学 报 第 32 卷使微动的变化值小于 0 1 m，从而达到试验要求的测量精度，但使用这种方法测量黏弹性材料的有效性还未得到验证数值 模 拟 方 法 主 要 包 括 微 动 骨 长 入 模型69，74和有限元模型40 4

14、4两方面 微动 骨长入模型方面主要是研究微动等因素与假体骨长入的耦合关系，构建微动 骨长入数学模型来模拟不同微动条件下的假体骨长入情况69，74 Folgado 等74构建了微动 骨长入( 分化) 数值模型，对全髋关节置换术中生物型固定假体表面的骨长入情况进行了仿真模拟 Lacroix 和 Prendergast68、Liu 等69对骨组织在假体表面的分化长入情况进行了模拟，研究了骨分化及长入与界面微动和应力之间的关系 有限元模型方面主要是建立假体及骨组织的有限元模型，对假体在骨组织中的微动情况及力学分布进行仿真 在有限元模型中，假体与骨组织间的相互作用是通过设定不同的摩擦系数来模拟的71，7

15、6，而对骨组织力学性能的设定，或将其设定为各向同性的均匀材料43，或通过 Micro CT 构建松质骨的骨小梁结构44，或根据灰度值的不同来描述骨组织不同的弹性模量74 Hefzy 和 Singh78在 2 种不同非线性单元对界面微动和应力分布影响的对比研究中发现: 使用不同的单元模拟会对结果产生很大的影响Pettersen 等71也发现: 基于个体构建的有限元模型不能准确地预测出界面微动位移的大小，但可以有效地模拟研究假体的扭转稳定性，用于假体的改进设计及手术前的力学分析3 骨科植入物的微动机理植入物与骨组织界面上产生的微动现象非常复杂，既包括微动疲劳、磨损产生的损伤和磨屑，从而造成界面微动情况的进一步恶化，又包括由人体免疫和修复等生物学反应导致的界面生化环境变化、骨组织的溶解等诸多问题出现 总的来说，植入物 骨组织界面微动的成因可归为力学和生物学两方面的因素，2 种因素之间存在相互影响，形成了非常复杂的耦合关系由于植入物与周围骨组织的弹性模量不同，相同载荷下变形不同，导致行走过程中植入物 骨或骨水泥 骨界面上出现相对微动33 实际情况中，由于行走过程中植入物所受的复杂载荷及植入物的设计、周围骨组织不同的力