类碳复合陶瓷薄膜对金属-金属人工关节摩擦界面调控机理研究

The quantity of metal-on-metal (MoM) bearings used in clinical application is up to 35% of the primary total hip replacement procedures performed in the U.S. But the wear and metal ion release still are the main drawbacks of the MoM hip joint at clinical application. The graphitic carbon tribological layer, which may be formed by biological molecules degradation, is found in retrieved metal on metal (MoM) hip replacements from patients. And this graphitic carbon tribological layer is a solid lubricant and can decrease the MoM hip joint wear. But the compactness and adherence of this layer are not enough to prohibit metal corrosion and wear. In this project, in order to further decrease the wear and corrision of the MoM joint, the diamond like carbon duplex ceramic film, whose surface can transform to graphitic carbon lubricant layer in physiological environment, is used to adjust and control the friction behavior of the MoM bearing joint friction interface. The relationship between the composition, microstructure and physicochemistry properties of the diamond like carbon duplex ceramic film and its bio-friction property on MoM joint is studied. The wear mechanism of the film, the biological molecules chemical behavior on friction interface and the debris biosafety are discussed. The diamond like carbon duplex ceramic film with excellent adherence, compact, stability, good corrosion-resistant and wear-resistant will be fabricated on MoM joint to decrease the debris and metal ion. The service life of the MoM joint will be improved by this film. This project will lay the foundation for the development of independent intellectual property rights, high wear resistance and long life MoM joint.

金属-金属(MoM)髋关节美国使用量达到髋关节总量的35%，但是，磨损和金属离子释放仍然是MoM关节存在的主要问题。研究发现，人体内MoM关节摩擦界面有一层由生物分子分解形成的石墨润滑层，可以减轻MoM关节的磨损，但该石墨层不致密、与金属结合不牢，不能完全抑制磨损及离子的释放。为了减轻MoM关节的磨损及离子的释放，本项目利用能够在生理环境形成石墨润滑层的类碳复合陶瓷薄膜调控MoM关节摩擦界面，建立类碳复合陶瓷薄膜成分、组织结构及物理化学性能和类碳复合陶瓷薄膜表面改性关节摩擦界面生物摩擦学性能的关系；揭示影响类碳薄膜磨损机制、生物分子摩擦界面化学行为及磨屑生物安全性的关键因素;优化制备出能够在人体内形成石墨润滑层、与MoM关节结合牢固、稳定、致密、耐腐蚀、耐磨损的类碳复合陶瓷薄膜，应用于MoM关节摩擦界面表面改性，降低磨屑的产生及金属离子的释放，发展出耐磨损、耐腐蚀、长寿命的MOM关节。

金属-金属(MoM)髋关节具有活动度大、耐磨性好的优点，特别适合于活动量大的年轻患者，但是，磨损和金属离子释放仍然是MoM关节存在的主要问题。为了减轻MoM关节的磨损及离子的释放，本项目利用金属弧源沉积技术及化学气相沉积技术制备具有优异生物相容性和耐磨性的类碳薄膜，调控人工关节摩擦界面类碳薄膜的成分、结构及磨损机制，提高人工关节材料的耐磨性及耐腐蚀性。本项目研究了不同结构、成分及物理化学性质的类碳薄膜在水溶液、蛋白溶液等模拟生理介质环境中的磨损机制，探讨了白蛋白、球蛋白、透明质酸等在类碳薄膜表面的吸附行为及摩擦界面服役行为，同时研究了生物分子和类碳薄膜的相互作用机制、类碳磨屑的生物安全性，探讨了类碳复合陶瓷薄膜在人工关节表面改性中的应用。建立了类碳薄膜成分、组织结构及物理化学性能和类碳薄膜生物摩擦学性能的关系，优化合成出在生理环境中具有优异耐磨性的类碳薄膜；揭示了在生理环境中影响类碳薄膜摩擦学行为的材料学因素，探讨了影响生物分子摩擦界面化学行为及磨屑生物安全性的关键材料学因素。研究结果表明，含氢DLC薄膜在水溶液中磨损量小于空气中的磨损量，但是，含氢类碳薄膜在水中容易发生结合失效；不含氢DLC薄膜在水中磨损量大于空气中的磨损量。不含氢元素的类碳薄膜的生物相容性优于含氢元素的类碳薄膜，不含氢的类碳薄膜样品表面带负电荷，白蛋白（BSA）在DLC表面吸附形式以平躺式为主，球蛋白在DLC表面以单层直立式吸附型式存在，透明质酸在类碳薄膜表面吸附较少，球蛋白 HGG的吸附能够阻碍白蛋白BSA的吸附，且HGG分子能够置换已经吸附的BSA分子。与钴合金磨屑相比，不同结构、成分的类碳磨屑具有良好的生物相容性，不含氢元素、sp3键含量高的类碳磨屑生物相容性优于含氢元素的类碳磨屑。本项目研制的类碳复合陶瓷薄膜具有优异的耐磨损性能和生物相容性，可以降低关节摩擦界面的磨损量，进一步进行产业化研究可以研制新型耐磨损金属人工关节。