任榮杰,董光能

(西安交通大學現(xiàn)代設(shè)計及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點實驗室,710049,西安)

人工關(guān)節(jié)是為了替代人體發(fā)生病變或損毀的關(guān)節(jié)。每年美國有200多萬人關(guān)節(jié)置換術(shù),患者的人工關(guān)節(jié)在10年后的可靠性僅為76%[1]。目前,成功應(yīng)用于臨床的人工關(guān)節(jié)材料主要包括金屬材料、陶瓷材料以及高分子材料3類[2]。陶瓷人工關(guān)節(jié)由于材料特性,在使用過程產(chǎn)生“吱吱”異響,并面臨破裂的風險[3];高分子材料在長期摩擦磨損作用下產(chǎn)生大量磨屑,誘發(fā)骨質(zhì)溶解與免疫反應(yīng),造成人工關(guān)節(jié)無菌松動[4]。因此,由金屬材料作為人工關(guān)節(jié)仍具有不可替代性,是臨床應(yīng)用的主要材料[5]。

鈦合金是人工髖關(guān)節(jié)常見的金屬材料,具有良好的生物相容性、抗腐蝕能力和較高的強度,但耐磨性一般,限制了其在生物摩擦學方面的應(yīng)用[6]。因此,防止磨損和減少摩擦是提高關(guān)節(jié)假體服役壽命的重要措施,其關(guān)鍵在于良好的潤滑[7]。對人工關(guān)節(jié)材料的摩擦性能研究主要集中在潤滑劑研究及潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計兩方面[8],一方面,通過溫敏水凝膠緩釋仿生潤滑液,可以有效降低摩擦副材料的磨損[9];另一方面,可以通過表面微織構(gòu)降低鈦合金摩擦和磨損,延長人工關(guān)節(jié)的使用壽命[10]。表面織構(gòu)化是指采用合適的加工方法在材料表面制備特定形狀、尺寸、分布和排列的微觀結(jié)構(gòu)陣列,從而實現(xiàn)對材料表面性能的調(diào)控[11]。表面織構(gòu)能夠改善潤滑環(huán)境,提供微流體動壓作用,儲存潤滑劑達到二次潤滑;在乏油潤滑中儲存磨屑避免磨粒磨損[12]。

表面織構(gòu)技術(shù)在人工關(guān)節(jié)材料上有著廣泛應(yīng)用[13],Chyr等使用帶有球形織構(gòu)的CoCrMo材料制備的股骨頭與UHMWPE臼杯相配副,該球形織構(gòu)明顯減小了摩擦,增大了材料承載能力[14]。Choud等在人工髖關(guān)節(jié)上制備不同形狀及織構(gòu)率的表面織構(gòu),發(fā)現(xiàn)織構(gòu)可快速形成潤滑膜且膜厚明顯增厚[15]。自然界中普遍存在水分定向傳導現(xiàn)象,如蜘蛛絲方向性集水,蝴蝶翅膀、植物葉子表面水分方向性傳遞等[16],這是因為其微結(jié)構(gòu)在較小尺寸上是連通的,呈現(xiàn)出樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這種樹狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以最大限度減小流阻[17]。Divyansh等使用激光制備不同表面織構(gòu)形貌,并研究了其在不同時間的潤濕狀態(tài)變化情況[18]。

高性能潤滑劑可以有效降低人工關(guān)節(jié)材料配對副的磨損狀況,但需多次注射增大了患者的痛苦。以往學者對富潤滑液狀態(tài)的凹坑型織構(gòu)進行研究,發(fā)現(xiàn)凹坑織構(gòu)可以有效降低摩擦系數(shù),而不連通的陣列織構(gòu)無法引導液體鋪展流動,當潤滑狀態(tài)發(fā)生改變時其減摩性能會發(fā)生明顯變化。

本文受自然界網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)啟發(fā),設(shè)計一種連通的分叉溝槽型織構(gòu),期望在非工況區(qū)域引導體內(nèi)潤滑液向工況區(qū)域鋪展聚集,在工況區(qū)域達到改善摩擦狀態(tài)的性能。根據(jù)樹狀網(wǎng)絡(luò)分支數(shù)與分支角,設(shè)計了3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu),分別制備了織構(gòu)率(結(jié)構(gòu)區(qū)域占試樣表面區(qū)域的比例)為10%、15%、20%的試樣,研究其潤濕性與摩擦學性能并確定較佳的織構(gòu)參數(shù)。

1 試 驗

1.1 材料準備

試樣材料為標準的Ti6Al4V合金,試樣元素質(zhì)量分數(shù)如表1所示。選用鈦合金盤模擬股骨頭假體,直徑為30 mm,厚度為5 mm;選用超高相對分子質(zhì)量聚乙烯(UHMWPE,相對分子質(zhì)量為450萬)材料模擬髖臼杯,直徑為6 mm,長度為15 mm。鈦合金試樣盤經(jīng)拋磨后達到表面粗糙度為0.02 μm左右。試驗選用Hank’s溶液作為潤滑介質(zhì),主要成分見表2。

表1 試樣元素的質(zhì)量分數(shù)

表2 試驗?zāi)M體液Hank’s溶液的成分

1.2 試樣制備

圖1為激光器制備仿生樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)示意圖。采用常見的激光加工法制備表面仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu),使用BasiCube 10振鏡激光器,激光波長為1 064 nm,根據(jù)經(jīng)驗在試樣表面加水膜避免產(chǎn)生毛刺,鈦合金試樣表面顯微HV硬度為303.9。

圖1 激光器制備表面織構(gòu)過程示意圖Fig.1 Surface texture fabrication by laser process

仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)是由分叉單元組合而成,如圖2所示。主要參數(shù)包括分支數(shù)、分支角、母微管道與各子微管道的長度、直徑等,其中分支數(shù)為母微管道在分叉口處分支子微管道的數(shù)目,分支角為子微管道與母微管道方向的夾角。本文主要研究分支數(shù)與分支角對樹狀網(wǎng)絡(luò)的影響。根據(jù)分支數(shù)設(shè)計三分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)與二分叉樹狀網(wǎng)絡(luò),在二分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)中,根據(jù)分支角不同,設(shè)計兩種網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)。

圖2 樹狀網(wǎng)絡(luò)分叉單元示意圖Fig.2 Tree-like network bifurcation unit

根據(jù)分支數(shù)、分支角,共設(shè)計制備3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu),分別為三分叉分支角為90°的十字型網(wǎng)絡(luò)、二分叉分支角為90°的T型網(wǎng)絡(luò)、二分叉分支角為60°的Y型網(wǎng)絡(luò)。3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)如圖3所示,每類樹狀網(wǎng)絡(luò)分別制備成織構(gòu)率為10%、15%、20%的試樣,其中設(shè)計溝槽寬度為20 μm,深度為15 μm。最后采用4%HF與10%HNO3按體積1∶1混合,對Ti6Al4V表面進行酸蝕,增大鈦合金表面的親水性能。

(a)十字型

1.3 接觸角試驗

使用型號為JC2000D2A接觸角測量儀,分別測量原始表面、酸蝕表面和3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的表面接觸角,并記錄液體完全鋪展時間。選用表2所配置的模擬體液,每個試樣表面選取5個不同測量位置,分別滴液2 μL。試驗在環(huán)境為(25±5) ℃室溫和40%相對濕度下進行,采取量高法進行接觸角測量。

1.4 摩擦磨損試驗

試驗在CETR UMT-2摩擦磨損試驗機上進行,采用銷盤式摩擦副,進行往復直線摩擦磨損試驗(如圖4所示)。其中使用UHMWPE材料作為銷,直徑為6 mm,表面粗糙度為0.012 μm左右;使用Ti6Al4V材料作為盤,直徑為30 mm,表面粗糙度為0.019 μm。在正常運動情況下,髖關(guān)節(jié)的壓強是3.6 MPa,髖關(guān)節(jié)與臼杯的相對運動速度在25 mm/s左右。因此,設(shè)置試驗條件:初始溫度為(25±5) ℃,法向載荷為100 N,往復滑動頻率為2 Hz,滑移距離為6 mm,試驗時間為15 min。潤滑介質(zhì)為表2的模擬體液,添加量為1 mL。

圖4 銷盤摩擦副示意圖Fig.4 Pin-disc friction pair

2 結(jié)果及分析

2.1 仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)形貌表征

激光加工使試樣表面產(chǎn)生微凸起毛刺,不利于進行摩擦試驗,課題組根據(jù)經(jīng)驗使用激光進行加工[19],激光平均功率為15 W,速度為600 mm/s,每個織構(gòu)加工4次,覆水膜2 mm。試樣經(jīng)激光加工后再次進行磨拋處理,去除激光沖蝕產(chǎn)生的熔渣,將試樣在無水乙醇中超聲清洗,迅速吹干。分別使用光學顯微鏡和T200粗糙度儀觀測織構(gòu)的表面質(zhì)量,并測量織構(gòu)寬度與深度。圖5為3種樹狀織構(gòu)表面形貌。由圖可見,制備的樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)溝槽寬度在(20±5) μm范圍內(nèi),且織構(gòu)周邊無明顯毛刺現(xiàn)象,織構(gòu)在深度方向為錐狀,深度在15 μm左右,3種網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)截面寬度及深度一致,滿足設(shè)計要求。

(a)十字型網(wǎng)路

使用OSL4000激光共聚焦顯微鏡,對制備的3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)進行觀測,進一步表征網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的三維形狀及溝槽內(nèi)壁輪廓形貌。圖6為3種樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)表面形貌三維掃描圖。試樣表面平整光滑,有利于進行摩擦學試驗。網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)邊緣不平整且內(nèi)壁具有不規(guī)則凸起,這是由于激光刻蝕時燒蝕點的金屬液體飛濺和流動,堆積在激光加工過的低處表面,激光掃過一遍之后,在織構(gòu)周圍形成凹凸不平的粗糙表面。

(a)十字型

2.2 織構(gòu)參數(shù)對材料接觸角的影響

圖7a、7b分別為Ti6Al4V材料在酸蝕前后的接觸角。試驗發(fā)現(xiàn),鈦合金的接觸角在酸蝕后與原始表面相比有所降低,僅減小37.4%,未能形成超親水表面。這是因為,鈦合金在酸蝕后表面形成具有光致親水性的銳鈦型二氧化鈦,改變了試樣表面的親水性能。圖7c為液體在樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)鋪展,并最終達到超親水性能。這是由于,網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)增大了試樣表面的粗糙度,根據(jù)Wenzel模型方程[20],表面粗糙增強了表面的親水性,同時網(wǎng)狀織構(gòu)的微管道為液體提供毛細力,驅(qū)動加速液體快速鋪展,達到超親水效果。

(a)原始接觸角

2.2.1 織構(gòu)類型對材料接觸角的影響 圖8為3種網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)在不同織構(gòu)率下的瞬時接觸角與液體完全鋪展時間。從中可見,樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)瞬時接觸角約為20°,接觸角逐漸接近于0°。與光滑酸蝕表面相比較,仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)均可以明顯降低接觸角,增強材料本征潤濕性,并利于液體鋪展流動。

(a)瞬時接觸角

織構(gòu)類型對瞬時接觸角及液體鋪展快慢的影響在于樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)在分叉時的分叉數(shù)目與分叉角度。試驗發(fā)現(xiàn),三分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的瞬時接觸角均低于二分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu),但液體完全鋪展所需時間長于二分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)。當分叉處的分叉數(shù)目較多時,因毛細力作用,液滴與織構(gòu)接觸瞬間更易吸入溝槽內(nèi),降低初始瞬時接觸角。三分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)在分叉口液體阻力大,削弱了毛細驅(qū)動力,顯著降低樹狀網(wǎng)絡(luò)中液體的運輸性能。在二分叉樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)中,分支角較小的Y型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)比T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)在瞬時接觸角與完全鋪展時間上較優(yōu)。液體流動與分支角相關(guān)[21],液體在Y型網(wǎng)絡(luò)分叉處流動阻力更小,液體在毛細力作用下更易于流入Y型網(wǎng)絡(luò)分叉口內(nèi),使瞬時接觸角減小;微流體在分支角較小的毛細管網(wǎng)絡(luò)中的流動阻力小,可以快速流動,液體完全鋪展時間更短。

2.2.2 織構(gòu)率對材料接觸角的影響 圖9為3種織構(gòu)分別在織構(gòu)率為10%、15%、20%的瞬時接觸角及液體完全鋪展時間。隨著織構(gòu)率從10%增加到20%,3種樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的瞬時接觸角均減小了4°左右,瞬時接觸角隨織構(gòu)率的增加呈減小趨勢,液體完全鋪展時間隨織構(gòu)率的增加而增長。

(a)瞬時接觸角

試樣表面不同織構(gòu)率的仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的瞬時接觸角均明顯減小,這是因為,織構(gòu)增大了試樣表面的粗糙度,表面微結(jié)構(gòu)增強了材料的本征潤濕性,使親水表面更加親液。隨著織構(gòu)率的增大,織構(gòu)更加密集,進一步增加了材料表面粗糙度使瞬時接觸角減小。隨著織構(gòu)率的增大,液體完全鋪展所需時間明顯變長,這是由于微織構(gòu)更密集,液滴難以進入到織構(gòu)溝槽內(nèi)部,在材料表面易形成較多的氣穴,使得氣體比例增大,難以形成毛細力驅(qū)動液體鋪展。除此之外,織構(gòu)率的增大導致單位長度上分叉口增多,不易形成穩(wěn)定的液體流動狀態(tài),降低了液體的流動性能。液體在織構(gòu)表面的鋪展是液體流入織構(gòu)填滿溝槽的過程[22]。液體可以在低織構(gòu)率的樹狀網(wǎng)絡(luò)中快速鋪展,這是由于,微流體被吸入到溝槽內(nèi)表面,在微管道內(nèi)發(fā)生毛細運動不斷擴散,液體不斷被吸入織構(gòu),直至流體填滿溝槽或流體達到平衡高度,流體流動才停止,并達到超親水表面。高織構(gòu)率網(wǎng)絡(luò)不易形成穩(wěn)定毛細力驅(qū)動,液體難以進入織構(gòu)且液體運動緩慢,使液體完全鋪展所用時間更久。

2.3 織構(gòu)參數(shù)對摩擦系數(shù)的影響

2.3.1 織構(gòu)類型對摩擦系數(shù)的影響 圖10所示為摩擦試驗中滑動方向與3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的夾角示意圖,其中運動方向與各分叉單元中液體自母微管道流向子微管道的方向一致。

(a)十字型

將每個試樣在相同條件下進行兩次試驗,記錄摩擦系數(shù)變化趨勢,并對平均摩擦系數(shù)進行分析,將兩次試驗結(jié)果進行整理,獲得平均摩擦系數(shù)值。圖11為原始表面與3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)在不同織構(gòu)率下的摩擦系數(shù)曲線,潤滑環(huán)境為模擬體液。由圖11可知,拋光盤及織構(gòu)盤試樣在前200 s處于磨合狀態(tài),摩擦系數(shù)快速下降,之后摩擦系數(shù)緩慢變化并趨向穩(wěn)定?？棙?gòu)率在10%至20%的范圍內(nèi),3種仿生樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)摩擦系數(shù)均低于無織構(gòu)盤摩擦系數(shù),說明有利于改善潤滑狀態(tài)。

圖11 不同表面情況下的摩擦系數(shù)比較Fig.11 Friction coefficient of three textures with different rates and non-textured

圖12為3種織構(gòu)在不同織構(gòu)率下的摩擦系數(shù)。T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的摩擦系數(shù)明顯低于其他兩種織構(gòu)表面的摩擦系數(shù),Y型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的摩擦系數(shù)最高?？棙?gòu)的形狀和運動方向改變了摩擦副承載力,對摩擦學性能有顯著影響。實驗過程中,銷盤運動方向與T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)相垂直,潤滑介質(zhì)由母微管道流向子微管道的過程中受到較大阻力,分叉處的流動阻力作為摩擦副間的承載壓力,避免摩擦副表面直接接觸,表現(xiàn)出較低的摩擦系數(shù)。潤滑液在Y型網(wǎng)絡(luò)溝槽中更易于流動且受到阻力較小,產(chǎn)生較弱的承載力,潤滑性能較差,摩擦系數(shù)較高。十字型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的摩擦系數(shù)介于T型網(wǎng)絡(luò)與Y型網(wǎng)絡(luò)之間,這是因為其在垂直于運動方向上有較多的微管道,具有一定的承載能力。

圖12 3種織構(gòu)的摩擦系數(shù)比較Fig.12 Friction coefficient of three textures

因此,在減摩性能上,3種樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)由大到小是T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)、十字型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)、Y型樹狀網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)。

圖13 3種織構(gòu)率下的摩擦系數(shù)比較Fig.13 Friction coefficient in different texture ratios

2.3.2 織構(gòu)率對摩擦系數(shù)的影響 圖13為3種織構(gòu)分別在織構(gòu)率為10%、15%、20%的摩擦系數(shù)變化。由圖13可以看出,十字型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)和T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的摩擦系數(shù)隨織構(gòu)率增加先減小后增大,Y型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)隨織構(gòu)率增大而增大。在織構(gòu)率為15%時,T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)展現(xiàn)出優(yōu)異的減摩性能,摩擦系數(shù)僅為0.077,相比較原始表面摩擦系數(shù)降低了38%。

在設(shè)計的織構(gòu)率范圍內(nèi),3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)均可以降低摩擦系數(shù),其中低織構(gòu)率時的減摩性能更明顯。在織構(gòu)率為10%時,十字型網(wǎng)絡(luò)與Y型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)摩擦系數(shù)約為0.1,T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)摩擦系數(shù)約為0.09,均較無織構(gòu)表面下降了27%。在織構(gòu)率為15%時,十字型網(wǎng)絡(luò)與T型網(wǎng)絡(luò)摩擦系數(shù)繼續(xù)減小,其中T型網(wǎng)絡(luò)摩擦系數(shù)僅為0.077,相較原始表面降低了38%。隨著織構(gòu)率的提高,3種織構(gòu)的摩擦系數(shù)快速上升,雖具有一定的減摩性能但減摩效果不如低織構(gòu)率。摩擦系數(shù)與織構(gòu)密度、潤滑狀態(tài)等多因素相關(guān)[23-24]。本試驗中,低織構(gòu)率的網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)儲存潤滑液為接觸面提供良好的潤滑,同時微管道內(nèi)的流動阻力提供承載壓力,達到明顯的減摩效果,高織構(gòu)率的網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)增大表面粗糙度,導致實際接觸面積減小,接觸壓力增大,減摩效果減弱。

3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)在10%至20%織構(gòu)率范圍內(nèi),相比無織構(gòu)表面均具有一定的減摩性能。在低織構(gòu)率時,網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)減摩性能更明顯,T型網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)在15%織構(gòu)率時達到最低的摩擦系數(shù),在高織構(gòu)率時減摩性能有所削弱,但仍優(yōu)于無織構(gòu)表面。

3 結(jié) 論

根據(jù)不同樹狀網(wǎng)絡(luò)分支數(shù)、分支角參數(shù),使用激光在鈦合金上構(gòu)造出3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu),通過改變仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的織構(gòu)率,進行接觸角試驗和直線往復銷盤摩擦試驗,得出結(jié)論如下。

(1)3種仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)在給定織構(gòu)率范圍內(nèi),均可以促使液體在表面完全鋪展,并具有減摩性能。

(2)低織構(gòu)率的仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu)的潤濕性更明顯。Y型網(wǎng)絡(luò)的更有利于液體完全鋪展,形成超親水表面。

(3)低織構(gòu)率的仿生樹狀分叉網(wǎng)絡(luò)織構(gòu),可以更有效地降低摩擦系數(shù)。T型網(wǎng)絡(luò)的減摩性能最明顯,在15%織構(gòu)率時摩擦系數(shù)僅為0.077,相較無織構(gòu)表面降低了38%。

試驗結(jié)果對于人工關(guān)節(jié)的自潤滑減摩設(shè)計具有重要參考意義。在非工況區(qū)域低織構(gòu)率的Y型網(wǎng)絡(luò)有助于潤滑液向工況區(qū)域的快速鋪展,工況區(qū)域的T型網(wǎng)絡(luò)可以提供高效的性能。