文獻(xiàn)閱讀報(bào)告

1、生物體內(nèi)聚合物的潤(rùn)滑研究摘 要：在生物體內(nèi)存在著最為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，經(jīng)歷了成千上萬(wàn)年的衍化。其主體由大量的聚合物、大分子以及超分子組裝來(lái)組成。因此，為了治療關(guān)節(jié)炎或者風(fēng)濕病，減少假體置換引起的摩擦與磨損，人們開展了很多關(guān)于生物體內(nèi)的潤(rùn)滑研究，包括關(guān)節(jié)滑液、關(guān)節(jié)滑膜以及關(guān)節(jié)滑夜的各種成分的研究。以此為基礎(chǔ)，人們也研究了仿生生物體內(nèi)的聚合物，或者生物兼容性的聚合物作為潤(rùn)滑劑，提高假體或者關(guān)節(jié)置換時(shí)的潤(rùn)滑效果，降低摩擦系數(shù)。本文簡(jiǎn)單介紹了水合潤(rùn)滑的機(jī)理，關(guān)節(jié)滑液的潤(rùn)滑劑以及仿生聚合物降低關(guān)節(jié)置換時(shí)摩擦系數(shù)的相關(guān)知識(shí)。關(guān)鍵詞：水潤(rùn)滑 聚合物刷 邊界潤(rùn)滑前 言： 關(guān)節(jié)炎，或者風(fēng)濕病，嚴(yán)重影響著人們的日常生活

2、，成為殘疾的一個(gè)主要誘因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)關(guān)節(jié)炎的總發(fā)病率約為13%，即約有1億人，且有年輕化的趨勢(shì)。而在治療關(guān)節(jié)疾病的眾多的方法中，人工關(guān)節(jié)置換治療關(guān)節(jié)炎、風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎和其他關(guān)節(jié)疾病的效果不斷得到人們的肯定。但是，隨著置換手術(shù)研究的深入，病例的大量增加，人工關(guān)節(jié)置換的一些問(wèn)題也開始暴露出來(lái)。比如術(shù)后感染及后期出現(xiàn)的人工關(guān)節(jié)無(wú)菌性松動(dòng)等嚴(yán)重影響人工關(guān)節(jié)的使用壽命，造成手術(shù)之后在進(jìn)行二次手術(shù)。人工關(guān)節(jié)作為人體的異物，在使用過(guò)程中如果產(chǎn)生了一些磨損顆粒，就會(huì)誘導(dǎo)骨質(zhì)溶解，繼而引發(fā)無(wú)菌性松動(dòng)。這是限制人工關(guān)節(jié)置換以及其持久性應(yīng)用的一個(gè)重要原因?；诖?，如何降低體內(nèi)人工關(guān)節(jié)的摩擦系數(shù)，減少磨損粒子的產(chǎn)生以

3、及發(fā)展生物兼容性的仿生物體內(nèi)關(guān)節(jié)滑液的潤(rùn)滑劑得到了持續(xù)的關(guān)注。在主要的滑膜關(guān)節(jié)中，像臀部或者膝蓋等關(guān)節(jié)軟骨表面的潤(rùn)滑，其滑動(dòng)摩擦系數(shù)在100大氣壓、剪切速率在106sec-1條件下可以低至0.001。只有在這樣低的摩擦系數(shù)下，對(duì)于正常的關(guān)節(jié)功能才能表現(xiàn)出來(lái)。本文主要介紹了生物體內(nèi)水合潤(rùn)滑的機(jī)理，關(guān)節(jié)滑液各種成分的作用情況以及在關(guān)節(jié)置換中仿生物體內(nèi)的潤(rùn)滑劑的研究進(jìn)展。1. 生物體內(nèi)的邊界潤(rùn)滑 1.1水中的邊界潤(rùn)滑早在2006年，以色列的Jacob Klein教授就水中的邊界潤(rùn)滑進(jìn)行了研究1。由兩親性的表面活性劑組成的單分子層被他們的極性基團(tuán)固定，當(dāng)發(fā)生層間的界面滑動(dòng)時(shí)，可以顯著的減低摩擦，這個(gè)過(guò)

4、程被認(rèn)為可以通過(guò)磷脂薄膜產(chǎn)生生物潤(rùn)滑，盡管當(dāng)時(shí)還沒(méi)有系統(tǒng)的研究。作者發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于干燥空氣中的值，當(dāng)滑動(dòng)表面涂有兩親性表面活性劑層并將其浸入水中時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其摩擦應(yīng)力會(huì)降低1-2個(gè)數(shù)量級(jí)或者更多。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，首先，預(yù)-粘附的表面在浸入水之前具有很低的摩擦應(yīng)力，這表明表面活性劑-表面活性劑界面的流體化并不能得到較好的潤(rùn)滑效果；其次，在空氣和水中強(qiáng)的粘附滯后表明粘附發(fā)生在不同的界面；最后，使用不同結(jié)構(gòu)的化學(xué)同源的表面活性劑可以得到較高的摩擦應(yīng)力，也就是表面活性劑-基底界面部分水化。因此，對(duì)于剛開始的現(xiàn)象，作者給出的解釋是在滑動(dòng)期間滑移面的轉(zhuǎn)換，即從空氣中的表面活性劑-表面活性劑中性面轉(zhuǎn)換到了潤(rùn)滑效果

5、相對(duì)好的多的水中的表面活性劑-基底界面。后者的潤(rùn)滑界面是通過(guò)流體水化外殼圍繞著在基底的表面活性劑的極性基團(tuán)，類似于潤(rùn)滑效果是由壓縮的滑動(dòng)界面的水合離子提供的。這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于水環(huán)境的應(yīng)用，即生命系統(tǒng)的應(yīng)用，例如骨關(guān)節(jié)炎的治療提供了一個(gè)更為有效。 1.2 關(guān)于離子刷在生物體內(nèi)潤(rùn)滑的研究 1.2.1兩性離子刷 對(duì)于兩性離子刷的研究，以色列科學(xué)家Jacob Klein早在2009年就已經(jīng)取得了不錯(cuò)的效果2，摩擦系數(shù)低至0.0004（壓強(qiáng)為7.5兆帕）。在以前的研究中，中性或者是離子聚合物刷的滑動(dòng)摩擦系數(shù)也可以低至0.001，但是當(dāng)平均壓強(qiáng)大于0.3MPa時(shí)，其摩擦就會(huì)劇烈增加。而這個(gè)壓強(qiáng)遠(yuǎn)低于一些人體等

6、天然骨骼中的5兆帕。為克服這個(gè)應(yīng)用的局限性，具有磷酰膽堿（PC）仿生結(jié)構(gòu)的兩性離子聚合物刷pMPC進(jìn)入了人們的視野。由于其側(cè)鏈的正負(fù)電荷比一般聚合物刷可以結(jié)合更多的水分子，且生物相容性較好，因此對(duì)其進(jìn)行了一系列的研究。在前期對(duì)離子聚合物刷的研究中，將其具有優(yōu)異的摩擦性能解釋為由于構(gòu)象熵的影響導(dǎo)致相反聚合物刷的滲透并引起纏結(jié)，但這只適合較低的壓力或者中度壓力的情況。當(dāng)存在較高的壓力時(shí)，這種滑動(dòng)時(shí)的滲透就會(huì)被界面間的自我調(diào)節(jié)機(jī)理所替代。作者證明了生物兼容性的兩性離子刷pMPC，在7.5MPa的平均壓力下，在水介質(zhì)中出現(xiàn)了超潤(rùn)滑現(xiàn)象，其摩擦系數(shù)低至0.001，這幾乎和人類的滑膜關(guān)節(jié)相媲美。 1.2.

7、2 聚電解質(zhì)刷 Motoyasu Kobayashi考察了聚電解質(zhì)刷在水環(huán)境中相對(duì)穩(wěn)定的潤(rùn)滑7。在已經(jīng)報(bào)道的文獻(xiàn)中，我們知道聚電解質(zhì)刷在水環(huán)境中可以作為非常優(yōu)異的潤(rùn)滑劑，即使其接枝密度并不是很大。但是從理論上來(lái)講，聚電解質(zhì)刷的摩擦性質(zhì)與電荷密度、鏈長(zhǎng)度、接枝密度、離子強(qiáng)度、溶劑性質(zhì)以及聚電解質(zhì)刷的結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。聚電解質(zhì)刷之間存在相互的排斥和吸引作用，這是由離子帶電的不同造成的。一般來(lái)說(shuō)，聚合物刷都是表面自由基聚合引發(fā)來(lái)形成，然后通過(guò)共價(jià)鍵固定在基體表面或者摩擦表面。因此，聚合物刷鏈的強(qiáng)度很大，很難從基體上分離開來(lái)。當(dāng)聚合物刷承受一個(gè)高載荷時(shí)，宏觀上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)由于其暴露在裸露的基體上，會(huì)導(dǎo)致

8、摩擦系數(shù)很快升高。通過(guò)制備交聯(lián)的離子聚合物刷可以有效的提高磨損的抵抗能力，而且沒(méi)有潤(rùn)滑性能的損失。為研究在潮濕環(huán)境中聚電解質(zhì)刷的性能，在硅晶片上制備了甲基丙烯酸二甲胺乙酯（DMAEMA）、2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸膽堿（MPC）、2-甲基丙烯酰氧基乙基氯化銨（MTAC）和3-磺酸丙基甲基丙烯酸鉀鹽（SPMK）。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，聚MPC刷在室溫，潮濕環(huán)境和一定載荷下的摩擦系數(shù)是最小的。這是因?yàn)槠湓诔睗癍h(huán)境中可以吸收水分，形成一個(gè)優(yōu)良的潤(rùn)滑層。其摩擦系數(shù)約為0.08，比其他幾組都要小。除此之外，交聯(lián)聚MPC的相對(duì)來(lái)說(shuō)較為穩(wěn)定，這表明交聯(lián)結(jié)構(gòu)可以有效的提高刷類聚合物的抗磨損，因?yàn)樵谶@種聚合物下，摩擦下

9、的剪切壓力分布在其網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)中。對(duì)于聚SPMK刷可以獲得一個(gè)更低的摩擦系數(shù)，即在多次的往復(fù)摩擦循環(huán)下其摩擦系數(shù)為0.01。這是由于聚SPMK刷有較強(qiáng)的親水能力，可以形成一個(gè)水的潤(rùn)滑層，而且在聚合物刷的磺酸基團(tuán)之間存在彈性排斥作用。當(dāng)SPMK和MTAC結(jié)合,即形成交聯(lián)的聚(SPMK-co-MTAC)刷時(shí)，由于交聯(lián)結(jié)構(gòu)可以提高聚合物刷薄膜的剪切強(qiáng)度來(lái)阻止磨損，維持很強(qiáng)的親水性來(lái)輔助潤(rùn)滑，因此其在更高的壓力和摩擦循環(huán)次數(shù)下，在水中依然擁有超低的摩擦系數(shù)。 1.2.3 濃縮聚合物刷與“亞濃聚合物刷”（SDPB）相對(duì)應(yīng)，Yoshiobu Tsujii提出了“濃縮聚合物刷”（CPB）15。由于SDPB相對(duì)較

10、低的接枝密度，不能夠制備較厚的刷層，限制了其在更寬范圍的壓力和剪切速率的實(shí)際應(yīng)用。而對(duì)于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的CPBs，其在良溶劑（甲苯）中的膨脹展現(xiàn)出了均衡的薄膜厚度，高達(dá)整個(gè)接枝鏈長(zhǎng)度的80%-90%。更有趣的的是，使用AFM進(jìn)行微觀分析，發(fā)現(xiàn)其在良溶劑中，PMMA的CPBs對(duì)于任何的應(yīng)用負(fù)載，展現(xiàn)出了超潤(rùn)滑的性質(zhì)，具有超低的摩擦系數(shù)（µ10-4)。為獲得CPBs的潤(rùn)滑機(jī)理，作者對(duì)此展開了研究。首先研究了聚苯乙烯（PS）在甲苯/2-丙醇混合溶劑的CPBs的摩擦/潤(rùn)滑性質(zhì)。PS刷通過(guò)表面引發(fā)ATRP制備，且其接枝密度遠(yuǎn)高于CPB的臨界值，接枝鏈高度拉伸，幾乎達(dá)到了在良溶劑（

11、純甲苯）的長(zhǎng)度的80%。而聚合物刷的膨脹度由甲苯和2-丙醇的混合物的成分來(lái)控制。摩擦系數(shù)µ根據(jù)剪切速率和溶劑成分（也就是膨脹度）分為兩個(gè)區(qū)域，以此對(duì)應(yīng)不同的潤(rùn)滑機(jī)理。一種機(jī)理是邊界潤(rùn)滑，在這種情況下，其最外層表面的化學(xué)和物理性質(zhì)決定摩擦力。在甲苯占優(yōu)的溶劑中，低剪切速率下，邊界潤(rùn)滑機(jī)理使得µ值不那么依賴于剪切速率。這是由于聚合物刷之間對(duì)滲透的有效抑制。另外一種機(jī)理是流體動(dòng)力潤(rùn)滑，在這種情況下，粘性阻力是由溶劑-膨脹聚合物刷主導(dǎo)的摩擦。這在除了呈透明態(tài)的各種溶劑成分中都可以觀察到。在這個(gè)區(qū)域的摩擦系數(shù)可以用µ=.這個(gè)關(guān)系式來(lái)描述。 幾乎是一個(gè)為0.7的常數(shù)，依賴于溶

12、劑成分和膨脹度。由于具有較高的滲透壓，溶劑中的CPB將會(huì)是一個(gè)有效潤(rùn)滑層。 1.3卵磷脂脂質(zhì)體的邊界潤(rùn)滑脂質(zhì)體被廣泛應(yīng)用于藥物應(yīng)用，特別是藥物傳輸中 。Jacob Klein對(duì)其具有超低摩擦系數(shù)的邊界潤(rùn)滑進(jìn)行了研究。對(duì)于特定的卵磷脂脂質(zhì)體，當(dāng)其吸附在二維（2D）緊密堆積排列的滑動(dòng)表面上時(shí)，在水中的生理高壓的條件下，表現(xiàn)出了非常有效的邊界潤(rùn)滑性質(zhì)。作者使用氫化的大豆卵磷脂脂質(zhì)的小型單層脂質(zhì)體，在固體表面上進(jìn)行緊密堆積層的自組裝，以此來(lái)降低他們之間滑動(dòng)摩擦的摩擦系數(shù)。在壓力至少為12MPa的條件下，取得了較低的摩擦系數(shù)（µ10-4-2×10-5）。作者對(duì)此的解釋是，高度水化的卵

13、磷脂端基暴露在脂質(zhì)體壁上，通過(guò)緊密堆積和凝膠相脂質(zhì)體的剛性來(lái)抵抗高壓，以此來(lái)獲得較低的摩擦系數(shù)。 1.4水合潤(rùn)滑如前幾篇文獻(xiàn)所介紹的，在水環(huán)境中的超低的潤(rùn)滑性質(zhì)，我們將其稱為水合潤(rùn)滑。Jacob kelin對(duì)水化層的形成和水合潤(rùn)滑機(jī)理做了一定的闡述4。水分子從整體上來(lái)說(shuō)是電中性的，但是由于氫原子和氧原子存在剩余電荷，水分子擁有一個(gè)強(qiáng)的偶極子，強(qiáng)偶極作用使得水分子與帶電荷基團(tuán)具有強(qiáng)相互作用，可在帶電荷基團(tuán)的周圍形成水化層。如果需要除去這個(gè)水化層，則需要較高的能量。因此，也就在摩擦界面上形成了致密、穩(wěn)定的水化層，以此來(lái)承受巨大的法向載荷。同時(shí)，水化層之間存在的排斥效應(yīng)有效避免了水化層的重疊。除此之

14、外，水化層中的水分子可以自由流動(dòng)，而流動(dòng)的水能更好的適應(yīng)外部剪切力的作用?；诖耍蠞?rùn)滑產(chǎn)生了優(yōu)異的摩擦學(xué)性能。2. 關(guān)節(jié)滑夜中的生物潤(rùn)滑劑 2.1 關(guān)節(jié)軟骨蛋白聚糖的邊界潤(rùn)滑行為盡管我們已經(jīng)知道，哺乳動(dòng)物的滑膜關(guān)節(jié)是非常高效的的潤(rùn)滑系統(tǒng)，其摩擦系數(shù)在高壓（100atm）和高剪切速率（106-107Hz）低至0.001。然而，這種高效潤(rùn)滑的精確機(jī)理仍不可知。Jacob Klein通過(guò)對(duì)關(guān)節(jié)軟骨表面區(qū)域結(jié)構(gòu)的分析，進(jìn)而研究滑膜關(guān)節(jié)潤(rùn)滑的分子機(jī)理14。首先，作者將聚集蛋白聚糖分子從?？企y關(guān)節(jié)中分離出來(lái)，將其附著在平滑、帶負(fù)電荷的固體基底上。邊界層的作用表面力平衡不完全相同，但是裸露的固體表面表現(xiàn)

15、出了遠(yuǎn)程排斥現(xiàn)象，這歸因于雙層靜電效應(yīng)。然而由排除體積和抗衡離子束縛在聚集蛋白聚糖層所引起的短程表面分離（D<ca.60nm），空間效應(yīng)占主導(dǎo)作用。而且，作者發(fā)現(xiàn)聚集蛋白聚糖-透明質(zhì)酸層相對(duì)于單獨(dú)的透明質(zhì)酸（HA）會(huì)有更好的邊界潤(rùn)滑，這種情況很大程度上要?dú)w因于流體水合殼層強(qiáng)烈的束縛著聚集蛋白聚糖的糖胺聚糖片段。在作者的實(shí)驗(yàn)中，在壓力為16到17atm時(shí)其摩擦系數(shù)可低至0.01，但在更高的壓力下，將會(huì)有很多被覆蓋的HA鏈暴露在對(duì)面的固體表面上，因此導(dǎo)致滑動(dòng)摩擦系數(shù)的增加。最近的研究同樣揭示了蛋白聚糖-HA聚集體在關(guān)節(jié)軟骨處潤(rùn)滑的作用（比單獨(dú)的HA具有更高的效率），這同樣表明這種聚集體在高壓

16、（100atm）下不會(huì)提供超低的摩擦系數(shù)（µ0.001）。 2.2 滑液蛋白質(zhì)和糖蛋白的潤(rùn)滑行為對(duì)于關(guān)節(jié)滑夜如何在生物體內(nèi)發(fā)揮超潤(rùn)滑的作用，Marcella Roba也做了類似的工作16，研究了在滑夜中哪種精確、少量的生物分子能夠影響人工關(guān)節(jié)材料的潤(rùn)滑性能。我們知道，滑夜，富含蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和透明質(zhì)酸的電解質(zhì)水溶液組成了關(guān)節(jié)軟骨，以此獲得髖關(guān)節(jié)的低摩擦系數(shù)。作者通過(guò)研究滑夜蛋白質(zhì)在超高分子量的聚乙烯（UHMWPE）和Al2O3的吸收選擇性，特別是糖蛋白在其他所有滑液蛋白質(zhì)都存在的條件下的吸附能力，發(fā)現(xiàn)滑夜中的蛋白質(zhì)在UHMWPE和Al2O3上的吸附并不明確，不僅含量豐富的蛋白質(zhì)像白蛋白

17、或者-球蛋白發(fā)生吸附，含量較少的蛋白質(zhì)像-1-酸糖蛋白（AGP）和-1抗胰島素（A1AT）也會(huì)發(fā)生吸附。這表明，原則上滑液中出現(xiàn)的任何蛋白質(zhì)在邊界潤(rùn)滑中都會(huì)起一定的作用，無(wú)論是積極的還是消極的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，糖蛋白AGP和A1AT在分子水平上能夠提高PE和Al2O3潤(rùn)滑效果，無(wú)論是他們單獨(dú)出現(xiàn)還是出現(xiàn)在牛血清白蛋白的溶液中。作者對(duì)AGP和A1AT的潤(rùn)滑性質(zhì)的解釋是由于出現(xiàn)了親水的碳?xì)浠衔镦?，可以形成親水的、低剪切強(qiáng)度的流動(dòng)吸附層。3. 生物體內(nèi)的仿生潤(rùn)滑劑 3.1碳納米管（CNTs）作為添加劑提高潤(rùn)滑性能摩擦過(guò)程最重要的性質(zhì)是：1）摩擦力的控制；2）磨損、腐蝕以及生物污染的降低；3）接觸區(qū)域

18、的熱傳遞系數(shù)8。而水具有高的熱熔，使得其成為吸收和傳遞熱的理想物質(zhì)。但是水本身粘度太低，無(wú)法作為潤(rùn)滑劑，因此人們發(fā)展了水基潤(rùn)滑劑，但需要添加劑來(lái)提高摩擦表面的一些性質(zhì)，就像油基潤(rùn)滑劑一樣。但是，對(duì)于一般的添加劑（如球狀顆粒添加劑）來(lái)說(shuō)，粒子表面的吸引力不夠強(qiáng)大以至于經(jīng)常被擠出接觸區(qū)域。即使像使用金屬硫化物這樣的固體潤(rùn)滑劑，其應(yīng)用也很受限，而且壽命較短。因此，碳納米管（CNTs）作為添加劑成為研究的熱點(diǎn)。首先，由于其直徑較大（相對(duì)于C60），可以很好的避免陷入摩擦表面的納米范圍的表面微凸體；而且在研究中人們發(fā)現(xiàn)，使用CNTs作為添加劑，表現(xiàn)出了低摩擦、低磨損的優(yōu)異的潤(rùn)滑性質(zhì)。Israelachv

19、ili等研究者進(jìn)一步研究了CNTs作為添加劑時(shí)摩擦力與滑動(dòng)表面碳納米管層數(shù)之間的關(guān)系。由在CNTs之間和CNT和基體之間的相互作用能入手，可以觀察到摩擦力在純腐殖酸溶液中由“粘附控制”變?yōu)樵贑NTs分散的“載荷控制”，即由阿芒頓定律來(lái)描述，其摩擦系數(shù)在0.30到0.55之間。而且在CNTs加入到水溶液中，沒(méi)有觀察到任何的磨損。在滑動(dòng)表面的接觸區(qū)域，碳納米管會(huì)構(gòu)建一些層狀結(jié)構(gòu)。作者也提出了自己的“鵝卵石模型”，這是因?yàn)檎掣侥苣Ｐ透鶕?jù)范德華力提供了對(duì)理想尺寸的納米粒子的評(píng)估，而鵝卵石模型則解釋了摩擦力在CNTs的影響下作為能量耗散過(guò)程。碳納米管這種納米棒狀粒子可以提供額外的變量來(lái)優(yōu)化摩擦系統(tǒng)，在很

20、大程度上提高潤(rùn)滑（降低摩擦系數(shù)）、降低磨損（增加磨損防護(hù)）。 3.2 表面接枝pMPC提高潤(rùn)滑性能 3.2.1 PE表面接枝pMPC減少磨損粒子的產(chǎn)生 日本科學(xué)家Kawaguchi研究了在假體移植中關(guān)于如何降低磨損顆粒的產(chǎn)生，進(jìn)而防止骨質(zhì)溶解的發(fā)生13。我們已經(jīng)知道，對(duì)于pMPC接枝聚合物具有很好的生物兼容性，因此當(dāng)接觸生物器官時(shí)，MPC接枝在某些醫(yī)療設(shè)備的表面可以表現(xiàn)出抑制生物反應(yīng)的現(xiàn)象。在臨床上，血管內(nèi)支架、血管內(nèi)引導(dǎo)線、隱形眼鏡以及人工肺都已經(jīng)獲得了美國(guó)FDA的認(rèn)證，開始在臨床上的應(yīng)用。作者研究的是，在人工關(guān)節(jié)的PE成分表面接枝MPC所產(chǎn)生的機(jī)械和生物學(xué)的效應(yīng)。作者使用純聚乙烯（PE）、

21、交聯(lián)聚乙烯（CL-PE）和接枝MPC的交聯(lián)聚乙烯（MPC-CL-PE）作為研究對(duì)象，分別考察了在經(jīng)過(guò)一定的壓強(qiáng)和固定的往復(fù)循環(huán)摩擦次數(shù)條件下，CL-PE和MPC-CL-PE所產(chǎn)生的磨損量、磨損顆粒的尺寸、力學(xué)性能、金屬粒子的磨料污染情況、生物反應(yīng)情況等方面的效應(yīng)。最后作者認(rèn)為，接枝MPC的聚乙烯可以顯著的降低摩擦力和磨損粒子的量。由于骨膜下粒子的注入，破骨細(xì)胞的骨吸收就會(huì)停止。移植的MPC粒子在對(duì)吞噬細(xì)胞和巨噬細(xì)胞在吸收的細(xì)胞因子分泌物表現(xiàn)出生物惰性，隨后又表現(xiàn)出成骨細(xì)胞中NF-B配體以及骨髓中的破骨細(xì)胞生成的活性接受器。由于其在力學(xué)和生物科學(xué)方面的優(yōu)勢(shì)，在未來(lái)人工關(guān)節(jié)的阻止骨質(zhì)溶解方面的性能

22、相信會(huì)有很大提高。 3.2.2 Co-Cr-Mo表面接枝pMPC提高穩(wěn)定性和潤(rùn)滑性能由于髖臼軟骨的退化所引起的人工股骨頭的遷移已經(jīng)成為一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。而對(duì)Co-Cr-Mo合金的表面修飾對(duì)于提高人工股骨頭的潤(rùn)滑性能和阻止髖臼軟骨的退化是非常有希望的一種方法。Masayuki Kyomoto等系統(tǒng)研究了Co-Cr-Mo合金和生物兼容性pMPC形成的各種表面修飾層的表面性質(zhì)，例如潤(rùn)滑性能、生物兼容性和穩(wěn)定性9。MPSi中間介質(zhì)層和光誘導(dǎo)自由基接枝聚合作用可以用作制備表面修飾層和Co-Cr-Mo基底的共價(jià)鍵中，以此來(lái)保持中間介質(zhì)層聚合物鏈的高密度。Co-Cr-Mo合金接枝pMPC通過(guò)仿天然關(guān)節(jié)，表現(xiàn)出了

23、一個(gè)極其低的摩擦系數(shù)<0.01，已經(jīng)達(dá)到了和天然關(guān)節(jié)界面相媲美的地步。更重要的是，作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了PMPC接枝層在水中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，在磷酸鹽緩沖溶液中浸泡12周沒(méi)有發(fā)現(xiàn)硅氧鍵的水解。 3.2.3 交聯(lián)PE表面的親水層提高潤(rùn)滑性能對(duì)于人工關(guān)節(jié)，最受歡迎的材料有兩種，即交聯(lián)聚乙烯（CLPE）和Co-Cr-Mo合金。對(duì)于PE，其表面的潤(rùn)滑效果較差，容易產(chǎn)生很多的磨損，導(dǎo)致關(guān)節(jié)炎和無(wú)菌性松動(dòng)的產(chǎn)生。基于此，Masayuki Kyomoto等人通過(guò)在人工髖關(guān)節(jié)CLPE表面合成納米級(jí)的親水層來(lái)降低磨損和避免骨吸收10。親水層含有各種離子（非離子、陽(yáng)離子、陰離子和兩性離子），充分模仿了天然滑膜關(guān)節(jié)的

24、親水性和潤(rùn)滑性。對(duì)于較低的摩擦和高的抗磨損性能，首先歸因于接枝層的水合程度高，水分子作為非常高效的潤(rùn)滑劑。其次要考慮到蛋白質(zhì)分子和正電荷的無(wú)機(jī)離子通過(guò)在滑液中的聚電解質(zhì)接枝層的排斥作用，這可以降低相反Co-Cr-Mo合金表面間或者Co-Cr-Mo合金吸附的蛋白質(zhì)薄膜間的粘附作用或者滲透作用。最后，在CLPE表面的納米級(jí)的親水聚合物或者聚電解質(zhì)層能夠?qū)θy置換（THA）中的髖臼軸提供優(yōu)異的持久性。 3.2.4 髖關(guān)節(jié)置換中的金屬-金屬摩擦層金屬-金屬（MOM）關(guān)節(jié)置換在假體移植技術(shù)中是非常有吸引力的一種技術(shù)，然而用于關(guān)節(jié)置換的材料持久性不長(zhǎng)，有相當(dāng)一部分發(fā)生了退化，包括磨損、腐蝕和生物反應(yīng)。而金

25、屬-金屬材料對(duì)于金屬-聚乙烯材料中產(chǎn)生的磨損較少。雖然金屬的承重作用很好，但是它在人體內(nèi)也必須有一定的潤(rùn)滑機(jī)理，否則磨損率會(huì)過(guò)高，金屬毒性會(huì)是一種普遍現(xiàn)象。L.D.Marks等人發(fā)現(xiàn)，除了蛋白質(zhì)在金屬表面發(fā)揮重要作用之外，還有一個(gè)不可忽略的摩擦層12。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這個(gè)在金屬-金屬髖關(guān)節(jié)置換中的摩擦層主要是石墨碳。這種材料通過(guò)形成潤(rùn)滑層來(lái)降低摩擦、磨損和腐蝕，這對(duì)于提高假體移植的成功率提供了新的途徑。 最后，Jacob Klein和Nicholas D.Spencer教授分別對(duì)對(duì)生物體內(nèi)的聚合物5和生命系統(tǒng)內(nèi)的聚合物潤(rùn)滑劑11做了綜述。在聚合物的邊界潤(rùn)滑研究中，人們先是研究了聚合物刷，由于其構(gòu)

26、象熵的改變引起的低滲透，因此可以提供一個(gè)很好的邊界潤(rùn)滑。隨著研究的深入發(fā)現(xiàn)，在有機(jī)溶劑（苯）中合成的聚合物（聚苯乙烯）其實(shí)并不適合生物潤(rùn)滑。而水中合成的離子聚合物（聚電解質(zhì)）刷在軟骨的表面可以提供一個(gè)很好的潤(rùn)滑效果（µ<0.001）。但是聚電解質(zhì)也有自己的缺點(diǎn)，即他在基體表面的作用力非常弱，當(dāng)壓力超過(guò)3atm時(shí)，摩擦就會(huì)引起鏈的斷裂。再后來(lái)，M.Chen等人在基體表面上接枝一種聚合物刷，即pMPC鏈。這種物質(zhì)我們前面已經(jīng)做過(guò)介紹，它不電離，在水溶液中具有兩性離子的特性，而且具有很好的生物兼容性。同樣我們也需要明白，pMPC鏈?zhǔn)侨斯ず铣傻?，但在天然生物組織中并不存在。為了更好的理解滑夜?jié)櫥械奶烊怀煞?，研究者將大分子從關(guān)節(jié)軟骨中分離出來(lái)，在基體模型上重新構(gòu)建一個(gè)表面層，進(jìn)而考察了關(guān)節(jié)軟骨上的腐殖酸（HA）、聚集蛋白聚糖和潤(rùn)滑素糖蛋白這三種主要的大分子成分。聚集蛋白聚糖分子的側(cè)鏈含有大量的軟骨素硫酸鹽和角蛋白硫酸鹽成分，是一種瓶刷狀的結(jié)構(gòu)（如下圖所示），線型的HA分子形成更高層次