文章信息
- 崔晓彤, 刘金龙, 张德坤, 陈凯, 亓健伟
- CUI Xiao-tong, LIU Jin-long, ZHANG De-kun, CHEN Kai, QI Jian-wei
- 不同接触尺度下PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦行为
- Sliding Friction Behavior of PVA/HA Composite Hydrogels Under Different Contacting Scales
- 材料工程, 2016, 44(5): 59-64
- Journal of Materials Engineering, 2016, 44(5): 59-64.
- http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2016.05.010
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文章历史
- 收稿日期: 2015-08-14
- 修订日期: 2016-03-15
随着社会的发展、老年人口的增多,因关节软骨磨损而导致的骨关节病、关节炎已逐渐成为影响人们健康的主要原因之一[1],目前临床上一般采用人工关节置换来治疗骨关节疾病[2],以重建关节功能。然而,目前所采用的人工关节置换材料多为金属、陶瓷和超高分子聚乙烯等硬质材料,而传统的人工关节置换材料由于缺乏润滑易导致较大的磨损,从而造成无菌性松动[3, 4];因此,近年来,人们开始仿照人体关节的软骨结构,将目前使用的人工硬质关节改进为带有软垫支撑的新型人工关节以实现有效润滑,即在人工关节表面引入一层薄薄的软骨,这一领域研究最多的材料是水凝胶。
聚乙烯醇(PVA)水凝胶具有与天然关节软骨类似的物理特性和良好的生物相容性,因此PVA水凝胶被认为是一种较理想的人工软骨植入材料[5, 6, 7]。Gonzalez等[8]采用冷冻/解冻法制得聚乙烯醇(PVA)/羟基磷灰石(HA)复合水凝胶,研究发现HA的添加改进了水凝胶的物理化学特性,并提高了水凝胶的力学性能。Maiolo等[9]利用冷冻/解冻法制备了PVA/HA复合水凝胶,研究了HA含量(0%,3%,7.5%,质量分数,下同)对水凝胶摩擦性能的影响,结果表明HA含量为3%时PVA/HA复合水凝胶具有最低的摩擦因数。张德坤等[10]研究发现PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦因数随着冷冻解冻次数和HA含量的增加而逐渐降低。Chan等[11]研究了关节软骨不同接触区域(包括承载和非承载区域)的纳米摩擦和黏着性能,发现承载软骨的黏着性能明显低于非承载软骨,结果表明在接触条件下,关节缺乏液体润滑,承载软骨位置的边界润滑剂含量更高,从而通过将粗糙接触下的黏着和磨损最小化来保护关节功能。虽然很多学者[12, 13, 14, 15]对于PVA水凝胶的制备及力学性能研究方面开展了大量工作,但是人体的关节多种多样,如肩关节、膝关节、髋关节等,不同关节之间的接触状况各不相同,并且针对PVA水凝胶液体承载特性的研究也较少。本工作基于人体中各关节之间接触尺度的差异,探讨了在不同接触尺度(接触压头直径、接触载荷)下,PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦行为及接触状况,并结合有限元模拟方法分析了PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦机理。
1 实验材料与方法 1.1 原材料和试剂聚乙烯醇(PVA),型号为20-99,聚合度2050±70,醇解度99.9%,纳米羟基磷灰石的平均粒径小于20nm。
1.2 试样制备按一定比例将称重好的PVA溶于去离子水中,在恒温水浴箱中于90℃以上加热4~6h,配制成一定浓度的PVA水溶液,加入一定含量的纳米羟基磷灰石粉末强力搅拌,待混合均匀后放置在空气中静置脱泡;然后将复合溶液倒入模具中,在低温冷冻储存箱中于-20℃左右冷冻6~12h成型,之后取出试样于室温下解冻2~4h,重复9次制得PVA/HA复合水凝胶。实验选用PVA的含量为15%,HA的含量为3.0%。图 1所示为制备的PVA/HA复合水凝胶试样。
1.3 水凝胶滑动摩擦实验在UMT-II型多功能摩擦磨损试验机上进行PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦实验,试样的厚度为2mm。为研究不同接触压头直径尺度下PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦行为,实验选用球头直径分别为1,2,4,8mm和28mm的金属接触压头,接触载荷为6N,滑动速率为1mm/s;为研究不同接触载荷对PVA/HA复合水凝胶滑动摩擦行为的影响,实验选用载荷为5,6,7N,采用直径为4,28mm的接触压头,滑动速率为1mm/s,图 2所示为不同接触压头直径下PVA/HA复合水凝胶的滑动摩擦测试示意图。
1.4 水凝胶滑动摩擦有限元模型根据水凝胶与接触压头的尺寸,建立压头与水凝胶的有限元滑动摩擦模型,水凝胶的厚度为2mm,超高分子量聚乙烯的厚度为3mm,压头尺寸如1.3节所示。将压头设为分析钢体,采用均匀网格划分方法对水凝胶划分网格,水凝胶划分为800(8×100)个4节点双线性位移、双线性孔隙压力缩减积分轴对称实体单元(CAX4RP),水凝胶基体划分为400(4×100)个4节点双线性位移缩减积分轴对称实体单元(CAX4R),得到压头与水凝胶的有限元滑行模型。水凝胶滑动摩擦模型的边界条件:水凝胶底面的水平位移、竖直位移、转动位移为0,压头转动位移为0,水凝胶层周边区域的孔隙压力被设为0[16, 17],选用的载荷、滑动摩擦距离、滑动速率均与实验条件相同,材料属性如表 1所示。
Material | Elastic modulus/MPa | Poisson’s ratio | Void ratio | Permeability /(m4·N-1·s-1) |
Bionic articular cartilage | 1.07 | 0.011 | 4.56 | 2.8×10-14 |
UHMWPE | 1258 | 0.200 | - | - |
Co-Cr-Mo ball | 210000 | 0.300 | - | - |
图 2(a),(b)分别示出了法向载荷为6N,滑动速率为1mm/s时,不同接触压头直径对PVA/HA复合水凝胶平均摩擦力以及平均摩擦因数的影响,结果表明平均摩擦力和平均摩擦因数均随着接触压头直径的增加呈现下降的趋势,其中,当接触压头直径从1mm增加到28mm时,平均摩擦力从0.381N降至0.031N,减小了91.86%,平均摩擦因数从0.049降至0.011,减小了77.55%。这是由于随着接触压头直径的增加,压头与水凝胶接触面积增大,接触应力减小,从而降低了滑动过程中压头与水凝胶之间的摩擦力,导致摩擦因数减小;图 2(c)为不同接触压头尺度对最大变形深度的影响,结果表明最大变形深度随着接触压头直径的增加而降低,其中,当接触压头直径从1mm增加到28mm时,最大变形深度从0.241mm降至0.045mm,减小了81.33%。这是由于在相同载荷下,接触压头直径愈大,压头与水凝胶接触面积愈大,接触应力减小,从而使水凝胶发生变形能力愈弱,使得变形深度愈小。
2.2 不同接触载荷尺度对水凝胶滑动摩擦行为的影响图 3(a),(b)所示分别为接触压头直径4mm和28mm时相同滑动速率下不同接触载荷对PVA/HA复合水凝胶平均摩擦力以及平均摩擦因数的影响,结果表明平均摩擦力和平均摩擦因数均随着接触载荷的增加呈增大的趋势,其中,当载荷从5N增加到7N时,对于接触压头直径为4mm,平均摩擦力从0.077N增加到0.202N,上升了162.33%,平均摩擦因数从0.015增加到0.043,上升了186.67%;对于压头直径为28mm,平均摩擦力从0.013N增加到0.079N,上升了507.69%,平均摩擦因数从0.011增加到0.027,上升了145.45%。这是由于随着接触载荷的增加,水凝胶表面单位面积承受的载荷增大,接触应力增加,因此摩擦力、摩擦因数增大;图 3(c)所示为接触压头直径4mm和28mm时不同接触载荷对最大变形深度的影响,可以发现最大变形深度随接触载荷的增加而增加,其中,当载荷从5N增加到7N时,对于接触压头直径为4mm,最大变形深度由0.135mm增加到0.151mm,上升了11.85%;对于压头直径为28mm,最大变形深度由0.033mm增加到0.061mm,上升了84.85%。这是由于接触载荷愈大,接触界面的接触应力增大,从而变形深度愈大。
2.3 滑动摩擦机理分析表 2示出了在相同载荷、相同滑动速率及不同接触压头直径作用下,有限元模拟得到的HA含量为3%的PVA/HA复合水凝胶滑动摩擦性能参数。结果表明,随着接触压头直径的增加,变形深度逐渐减小,其中,当接触压头直径从1mm增加到4mm时,剪切应力从0.079000MPa减小到0.008900MPa,减小了88.73%;当接触压头直径从4mm增加到28mm时,剪切应力从0.008900MPa减小到0.000198MPa,减小了97.78%。图 4示出了模拟得到的不同接触压头直径下PVA/HA复合水凝胶的液相流速图,结果表明随着接触压头直径的增加,PVA/HA复合水凝胶的液相流速呈减小的趋势。
Contact diameter/mm | Fluid load support ratio/% | Fluid flow speed/(mm·s-1) | Shear stress/ MPa | Simulated deformation depth/mm |
1 | 21 | 0.01628 | 0.079000 | 0.2880 |
2 | 37 | 0.01331 | 0.021000 | 0.2270 |
4 | 56 | 0.01059 | 0.008900 | 0.1800 |
8 | 59 | 0.00759 | 0.000760 | 0.1420 |
28 | 68 | 0.00396 | 0.000198 | 0.0862 |
图 5示出了不同接触压头直径下PVA/HA复合水凝胶的液体承载比和平均摩擦力。结果表明,液体承载比随着接触压头直径的增加而增大,而平均摩擦力则相反,其中,当接触压头直径从1mm增加到28mm时,液体承载比从21%增至68%,上升了223.81%,而平均摩擦力从0.381N降到0.031N,减小了91.86%。PVA/HA复合水凝胶在相同载荷、相同滑动速率及不同接触压头直径作用下,随着接触压头直径的增大,压头与水凝胶接触面积增大,液相流速减小,液体流失少,从而导致液相的承载力增加,因此平均摩擦力减小。
表 3示出了在相同压头直径、相同滑动速率及不同接触载荷作用下,有限元模拟得到的HA含量为3%的PVA/HA复合水凝胶滑动摩擦性能参数。结果表明,随着接触载荷的增加,变形深度逐渐增加,实验变形深度和模拟变形深度的最大相对误差为26.95%,其中,当载荷从5N增加到7N时,剪切应力从0. 004377MPa增加到0.009272MPa,上升了111.83%。图 6示出了模拟得到的不同接触载荷下PVA/HA复合水凝胶的液相流速图,结果表明随着接触载荷的增加,PVA/HA复合水凝胶的液相流速呈增加的趋势。
Contact load/N | Fluid load support ratio/% | Fluid flow speed/ (mm·s-1) | Shear stress/ MPa | Simulated deformation depth/mm | Experimental deformation depth/mm | Deformation depth error/% |
5 | 58 | 0.00959 | 0.004377 | 0.158 | 0.135 | 17.03 |
6 | 48 | 0.01059 | 0.008863 | 0.179 | 0.141 | 26.95 |
7 | 38 | 0.01148 | 0.009272 | 0.199 | 0.151 | 24.12 |
图 7示出了不同接触载荷下PVA/HA复合水凝胶的液体承载比和平均摩擦力。结果表明,液体承载比随着载荷的增加而减小,而平均摩擦力则相反,其中,当载荷从5N增加到7N时,液体承载比从58%降到38%,减小了223.81%,而平均摩擦力从0.077N增加到0.202N,上升了162.33%。PVA/HA复合水凝胶在相同接触压头直径、相同滑动速率及不同接触载荷作用下,随着接触载荷的增加,水凝胶单位面积所承受的载荷增大,液相流速增加,从而导致液相流失增加,液相的承载能力下降,因此平均摩擦力增大。
3 结论(1)随着接触压头直径的增加,滑动过程中PVA/HA复合水凝胶的平均摩擦力、平均摩擦因数及变形深度均呈逐渐减小的变化趋势。
(2)随着接触载荷的增加,滑动过程中PVA/HA复合水凝胶的平均摩擦力、平均摩擦因数逐渐增加,变形深度也呈逐渐增加的趋势。
(3)随着接触压头直径的增加,液相流失减少,液相的承载能力增大,从而平均摩擦力、变形深度减小;随着接触载荷的增加,液相流失增加,液相的承载能力降低,从而平均摩擦力、变形深度增加。
[1] | TAKAO M, UCHIO Y, KAKIMARU H, et al. Arthroscopic drilling with debridement of remaining cartilage for osteochondral lesions of the talar dome in unstable ankles[J]. The American Journal of Sports Medicine,2004, 32 (2) : 332 –336. |
[2] | CARRABBA M, SARZI-PUTTINI P. Introduction: osteoarthritis in the third millennium: a new era for an old disease?[J]. Seminars in Arthritis and Rheumatism,2004, 34 (6) : 1 –2. |
[3] | KOBAYASHI A, BONFIELD W, KADOYA Y, et al. The size and shape of particulate polyethylene wear debris in total joint replacements[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine,1997, 211 (1) : 11 –15. |
[4] | GOODMAN S B, SONG Y, YOO J Y, et al. Local infusion of FGF-2 enhances bone ingrowth in rabbit chambers in the presence of polyethylene particles[J]. Journal of Biomedical Materials Research Part A,2003, 65 (4) : 454 –461. |
[5] | LEONE G, BIDINI A, LAMPONI S, et al. States of water, surface and rheological characterisation of a new biohydrogel as articular cartilage substitute[J]. Polymers for Advanced Technologies,2013, 24 (9) : 824 –833. |
[6] | 范志恒, 周莉, 欧阳君君, 等. 化学-物理法制备聚乙烯醇/壳聚糖/纳米羟基磷灰石复合水凝胶及其性能[J]. 应用化学,2014, 31 (1) : 61 –64. FAN Zhi-heng, ZHOU Li, OUYANG Jun-jun, et al. Preparation and performance of polyvinyl alcohol/chitosan/nano-hydroxyapatite composite hydrogel via a chem-physical method[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry,2014, 31 (1) : 61 –64. |
[7] | ZHE L, LIN Y. Effect of PEO on the network structure of PVA hydrogels prepared by freezing/thawing method[J]. Journal of Applied Polymer Science,2013, 128 (5) : 3325 –3329. |
[8] | GONZALEZ J S, ALVAREZ V A. Mechanical properties of polyvinylalcohol/hydroxyapatite cryogel as potential artificial cartilage[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials,2014, 34 : 47 –56. |
[9] | MAIOLO A S, AMADO M N, GONZALEZ J S, et al. Development and characterization of poly (vinyl alcohol) based hydrogels for potential use as an articular cartilage replacement[J]. Materials Science and Engineering: C,2012, 32 (6) : 1490 –1495. |
[10] | 张德坤, 葛世荣, 沈艳秋. 聚乙烯醇/羟基磷灰石复合水凝胶的摩擦磨损机理研究[J]. 中国科学: E 辑,2009, 39 (4) : 713 –719. ZHANG De-kun, GE Shi-rong, SHEN Yan-qiu. Study on the friction and wear mechanism of PVA/HA composite hydrogel[J]. Science in China: E,2009, 39 (4) : 713 –719. |
[11] | CHAN S M T, NEU C P, KOMVOPOULOS K, et al. Dependence of nanoscale friction and adhesion properties of articular cartilage on contact load[J]. Journal of Biomechanics,2011, 44 (7) : 1340 –1345. |
[12] | MORIMOTO K, KIMURA Y, HIROKAWA N, et al. Frictional properties of polyvinyl alcohol hydrogel mixed with water as an artificial articular cartilage[A]. The 15th International Conference on Biomedical Engineering[C]. Singapore:Springer International Publishing, 2014.714-717. |
[13] | 高立军, 高瑾, 李晓刚, 等. PVA 水凝胶在不同人体模拟液中的压缩蠕变行为[J]. 北京科技大学学报,2014, 36 (2) : 213 –217. GAO Li-jun, GAO Jin, LI Xiao-gang, et al. Compressive creep behavior of PVA hydrogel in different simulated body fluids[J]. Journal of University of Science and Technology Beijing,2014, 36 (2) : 213 –217. |
[14] | 刘志明, 吴鹏, 谢成, 等. 聚乙烯醇/纳米纤维素/聚乙烯醇的层层自组装及表征[J]. 材料工程,2013 (1) : 45 –51. LIU Zhi-ming, WU Peng, XIE Cheng, et al. Characterization and layer-by-layer self-assembly of PVA/NCC/PVA[J]. Journal of Materials Engineering,2013 (1) : 45 –51. |
[15] | 舒静, 冯晓荟, 郑丽娜, 等. 壳聚糖基三元智能水凝胶的制备及其敏感性[J]. 材料工程,2013 (3) : 67 –70. SHU Jing, FENG Xiao-hui, ZHENG Li-na, et al. Preparation and sensitivity behaviors of chitosan-based intelligent hydrogels[J]. Journal of Materials Engineering,2013 (3) : 67 –70. |
[16] | SAKAI N, HAGIHARA Y, FURUSAWA T, et al. Analysis of biphasic lubrication of articular cartilage loaded by cylindrical indenter[J]. Tribology International,2012, 46 (1) : 225 –236. |
[17] | GRAINDORGE S, FERRANDEZ W, JIN Z M, et al. Biphasic surface amorphous layer lubrication of articular cartilage[J]. Medical Engineering & Physics,2005, 27 (10) : 836 –844. |
[18] | CHEN K, ZHANG D K, DAI Z M, et al. Research on the interstitial fluid load support characteristics and start-up friction mechanisms of PVA-HA-silk composite hydrogel[J]. Journal of Bionic Engineering,2014, 11 (3) : 378 –388. |
[19] | CHEN K, ZHANG D K, CUI X T, et al. Research on swing friction lubrication mechanisms and the fluid load support characteristics of PVA-HA composite hydrogel[J]. Tribology International,2015, 90 : 412 –419. |