电化学腐蚀与机械摩擦磨损在仿生环境中的交互作用机制
2022-05-12 16:36:17 作者:岩雨 来源:北京科技大学 新材料技术研究院 分享至:

21世纪,世界各国先后步入老龄化社会,到2050年中国将有近5亿老年人口。骨关节炎作为常见老年病给患者晚年带来极大的痛苦,目前依旧是医学界的一大难题。已有大量的案例证明关节置换术能有效解决骨关节炎问题,因此关节置换术极大提升患者的生活质量[1]。常用的人工关节材料主要有金属材料,聚四氟乙烯与陶瓷材料。

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人工关节与植入前后模型图


腐蚀是指材料与所处环境介质发生化学或者电化学作用,金属遇见H+,Cl-等腐蚀性离子容易会丢失电子继而变为游离的金属离子(溶液环境)。钝化金属在其自身表面形成一层屏障(氧化膜,如不锈钢表面的Cr2O3),这层屏障减少了腐蚀产生的金属离子。由于人体关节部位的受力与相对运动,关节组件摩擦磨损在所难免。在机械摩擦磨损与电化学腐蚀的交互作用下,人工关节材料降解更加剧烈[2],过量金属离子的释放对人体有害。人工关节服役过程中,金属表面产生钝化膜在磨损过程中破碎,暴露的新鲜金属被腐蚀为金属离子。在腐蚀过程中,又会产生新的氧化膜来减弱腐蚀性离子的进攻。此外磨损产生的磨屑经过腐蚀后也会产生大量的金属离子。这种破坏-重塑的循环,就是人工关节材料服役过程中释放金属离子的主要过程[3-4]。


值得注意的是,人体体液中的生物大分子如蛋白质、细胞等同样对金属的腐蚀产生重要的作用。由于金属表面的疏水性,人体内白蛋白会在金属表面吸附,磨蚀过程将不断吸附的蛋白质挤压、分解、夯实,最终在金属表面形成一层混合金属与有机物的膜结构,称为金属生物膜。这层金属生物膜在摩擦过程起到了润滑作用,降低了摩擦系数,减少了磨屑的产生,同时也可作为金属表面的物理屏障,降低电化学腐蚀速率[5],而蛋白质本身在静态腐蚀下会加速材料降解[6]。

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蛋白质在金属表面形成摩擦膜过程


目前有许多学者通过许多表面改性的方法,如磁控溅射涂层,水凝胶涂层,等离子氮化等手段,对表面的耐磨蚀性能进行强化,这些手段可有效降低金属离子释放。新的材料与表面改性技术在不断研发中,人工关节材料未来可期。


参考文献


[1] M.J. Griffith et al. Socket wear in Charnley low friction arthroplasty of the hip[J]. Journal of Clinical Orthopaedics, 137 (1978), pp. 37-47


[2] Yu. Yan et al. Biotribocorrosion-an appraisal of the time dependence of wear and corrosion interactions-part I: the role of corrosion[J]. Journal of Physics D: Applied Physics, 39 (2006), pp. 3200-3205


[3] Yu Yan et al. Real-time corrosion measurements to assess biotribocorrosion mechanisms with a hip simulator[J]. Tribology International, 2013, 63 : 115-122.


[4] Yu Yan et al. In-situ electrochemical study of interaction of tribology and corrosion in artificial hip prosthesis simulators[J]. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 2013, 18 : 191-199.


[5] Zhongwei Wang et al. Lifecycle of cobalt-based alloy for artificial joints: From bulk material to nanoparticles and ions due to bio-tribocorrosion[J]. Journal of Materials Science & Technology,2020,46(11):98-106.


[6] Fei Yu et al. A synergistic effect of albumin and H2O2 accelerates corrosion of Ti6Al4V[J]. Acta Biomaterialia,2015,26.

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