超高分子量聚乙烯(UHMWPE)摩擦诱导塑性变形层的微结构演化机制及其在人工关节磨损中的关键作用

本研究针对人工关节置换中UHMWPE磨损颗粒引发骨溶解的关键问题，通过飞铣加工构建微沟槽模型，结合拉曼光谱、划痕/压痕实验和分子动力学(MD)模拟，揭示了摩擦过程中塑性变形层的渐进式发展规律：旋转速度加速层状塑性体堆积，分子链沿摩擦方向有序排列增强界面相互作用。该成果为优化关节假体材料设计提供了微观机制支撑。

　　

在人工关节置换领域，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)作为关键承重材料，其磨损颗粒引发的骨溶解问题长期困扰临床。当这些生物惰性颗粒在关节界面堆积时，会触发炎症级联反应，与材料老化过程形成恶性循环，最终导致假体无菌性松动。尽管已知UHMWPE的结晶度与耐磨性正相关，但摩擦过程中微观结构的动态演变机制仍是未解之谜。

北京某高校的研究团队在《Surface Science》发表的研究，创新性地通过飞铣加工在UHMWPE表面预制交叉沟槽，结合多尺度表征技术揭示了塑性变形层的时空演化规律。研究发现，沟槽边缘的层状塑性体随摩擦时间呈渐进式堆积，300 r/min转速下30分钟内完成从萌生到稳定的全过程。拉曼光谱显示变形区结晶度提升12%，分子动力学模拟首次捕捉到聚乙烯(PE)链沿摩擦方向的"流动-剥离"现象：当初始分子链平行排列时，其与铁板线性运动产生的协同效应可使界面结合能提升40%。

关键技术方法包括：1) 飞铣加工构建标准化沟槽模型；2) 拉曼光谱定量分析磨损面结晶度分布；3) 纳米划痕仪测定变形层力学各向异性；4) LAMMPS软件进行PE/Fe界面摩擦的分子动力学模拟。

【Plastic deformation layers protruded at groove edges】
通过时间序列观测发现，10 N载荷下塑性层发展呈现三阶段特征：0-10分钟为快速生长期，10-20分钟进入平台期，20分钟后达到动态平衡。高速摄像机捕捉到层状结构以约2 μm/min速率向沟槽外侧延伸。

【Conclusions】
研究证实UHMWPE磨损本质是塑性变形层的累积-剥离过程：摩擦诱导的分子链重排形成致密化过渡层，当应变能超过临界值时发生界面解离。该发现为开发高结晶度(>60%)、强链缠结的新型医用聚乙烯材料提供了理论依据，对延长人工关节服役寿命具有重要指导价值。