全同金属摩擦副表面多层次织构接触引导细胞膜的摩擦失活与自修复机制研究

随着人类寿命延长、社会老龄化，骨性关节炎的发病率有逐年上升的趋势，需要更换关节的人群趋于低龄化，因而对长寿命人工关节的需求更为迫切。本项目创造性地提出了面向全同金属人工髋关节，建立主层次织构的流体润滑和摩擦温度场模型，提取细胞的形态特征作为次级层次织构的设计依据；以主织构为骨架嵌入次级微织构，分层次制造主、次级层次织构，构成软骨细胞的接触引导模板。选择特定结构参数的蛋白质作为前驱体桥接细胞和织构化的基体，探明蛋白质空间构型与细胞形态的关系；在生物介质中接触引导软骨细胞生长成膜、增殖，揭示复型了基体织构的细胞膜的摩擦磨损失活机制，实现在体外服役状态下细胞膜的自修复。通过本项目的研究，可望在多层次织构的设计方法及其体外引导细胞膜的生长、失活和自修复方面有所突破，为延长全同金属人工关节服役寿命提供技术保障，为体内引导细胞膜作技术储备，获得有学术意义和工程实用价值的成果。

针对目前全金属型人工髋关节的磨损及腐蚀问题，提出了表面织构化改性方案以提高材料生物相容性从而延缓产生金属磨屑及离子。采用平均流量Reynolds方程优化设计表面凹坑型织构尺度参数（包括织构尺寸及密度）。利用激光环切加工方式制备不同形貌（正方形，三角形和圆形）的凹坑织构，借助标准摩擦试验机探讨了织构尺度对织构化表面摩擦行为的影响，结果表明圆形织构化（间距比p/d=2.5，直径d=100 μm的圆坑）表面具有较好的减摩耐磨性能且织构化表面有助于存储润滑液及捕捉磨屑。在不改变圆形织构外部尺寸的前提下，通过激光脉冲加工方式在凹坑内部制造了微米级别的花瓣状织构形貌，构造了主、次级织构且直径在10~100 μm范围内的多层次尺度。. CoCrMo合金表面DLC薄膜改性能够显著提高材料表面硬度和生物相容性。DLC膜在蛋白水溶液润滑下具有较好的耐磨性能。通过球-盘型摩擦测试表明DLC薄膜在不同水溶液润滑下磨损机制不同。在NaCl溶液和蒸馏水润滑下，证实接触界面存在DLC转移膜，从而改善其润滑性能。. 为了进一步提高材料表面生物相容性，在CoCrMo合金表面制备了壳聚糖生物涂层，考察了涂层处理后不同形貌的织构化表面引导成骨细胞生长的特点。成骨细胞在具有织构化的壳聚糖涂层表面铺展和生长出细长的丝状伪足，细胞之间通过这些伪足相互连接。织构微坑尺度为10~50 μm时利于成骨细胞贴附生长，无织构表面生长的细胞松散、无规则。. 深入探究了圆坑形织构引导细胞膜生长和对摩擦损伤的自修复过程。测定了单个细胞的纳米硬度为0.10 GPa、弹性模量为8.2 GPa。在无菌环境下利用自制的微小力测试仪考察细胞膜在摩擦剪切作用下的损伤。借助染色法揭示了细胞膜的损伤及自修复过程，表明织构能够作为细胞源仓库促进细胞贴附生长及增值，而生物涂层及织构协同处理不仅浙大了细胞成膜的密度，还极大促进细胞与基体材料的粘附。