體內(nèi)磨損自潤滑有望進一步延長薄膜在體內(nèi)的服役壽命

磨損和腐蝕是人工關(guān)節(jié)金屬組件在服役過程中產(chǎn)生臨床并發(fā)癥（過敏、疼痛、假瘤等）的兩個主要原因。研究者們通常在金屬關(guān)節(jié)摩擦副表面沉積薄膜以提高人工關(guān)節(jié)金屬組件的耐磨性和耐腐蝕性，比如在金屬關(guān)節(jié)頭表面沉積類金剛石薄膜（DLC）、氮化物陶瓷薄膜（TiN）等。實驗結(jié)果表明，通過表面沉積耐磨涂層可以顯著改善金屬關(guān)節(jié)假體的耐磨性以及耐腐蝕性。

通過TiN薄膜改性的人工膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)已經(jīng)成功應(yīng)用于臨床。但是，該類型人工關(guān)節(jié)在體內(nèi)服役時，仍然會面臨磨損的風險，一旦金屬關(guān)節(jié)表面改性層被磨損完畢，金屬基體便會失去保護，產(chǎn)生金屬磨屑以及金屬離子，進而誘發(fā)一系列副作用。

西南交通大學冷永祥教授、海南大學文峰教授團隊通過對自然觀察得到啟發(fā)，提出“體內(nèi)磨損自潤滑”概念，有望進一步延長薄膜在體內(nèi)的服役壽命。通過在金屬人工關(guān)節(jié)摩擦副表面沉積具有“主動減磨及磨損修復(fù)”功能的薄膜（本研究以TiNX-Cu為例），促使金屬關(guān)節(jié)摩擦界面盡快形成類石墨碳潤滑層，對關(guān)節(jié)假體起到良好的潤滑作用，其摩擦磨損機理圖如圖1所示：當TiNX-Cu薄膜改性的關(guān)節(jié)在具有蛋白質(zhì)的環(huán)境中服役時，通過摩擦磨損釋放的金屬Cu離子可以和周圍的蛋白質(zhì)分子結(jié)合并促使周圍的蛋白質(zhì)吸附到摩擦界面形成一層蛋白膜；形成的蛋白膜能在摩擦副剪切力和Cu元素催化的共同作用下轉(zhuǎn)化成類石墨碳潤滑層對摩擦副進行潤滑作用。

論文研究成果可應(yīng)用于體內(nèi)運動部件的材料學設(shè)計，研究工作得到了國家自然科學基金（52072312）以及海南省自然科學基金（520QN225）的支持。相關(guān)成果以“Metal-driven autoantifriction function of artificial hip joint”為題發(fā)表于《Advanced Science》。文章第一作者為西南交通大學醫(yī)學院（生物醫(yī)學工程研究院）博士、海南大學材料學院鄧喬元副研究員。

圖1類石墨碳潤滑層形成示意圖

圖2摩擦磨損完畢后磨斑和磨痕拉曼檢測（a）磨斑和磨痕產(chǎn)生的示意圖；（b）氧化鋁球頭磨斑處拉曼檢測結(jié)果；（c）磨痕內(nèi)部拉曼檢測結(jié)果

圖3氨基酸分子在Cu表面共價結(jié)合及分解

研究團隊首次提出“體內(nèi)磨損自潤滑”概念，為新型關(guān)節(jié)表面耐磨涂層的設(shè)計和制備提出了新的思路。

審核編輯：劉清