表面光洁度主导常规及3D打印PEEK髋关节轴承中超高分子量聚乙烯的磨损与颗粒生成

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Surface finish governs HXLPE wear and particle generation in conventional and 3D-printed PEEK hip bearings

　　

摘要
聚醚醚酮（PEEK）已成为全聚合物髋关节置换系统中轴承材料的候选材料。然而，表面处理对增材制造（AM）PEEK摩擦学性能的影响尚不清楚。本研究采用多方向销盘式摩擦试验机进行磨损测试，超高交联聚乙烯（HXLPE）销件分别与机加工（MEP）、砂纸抛光（GP）、桶式抛光（TEP）和桶式抛光增材制造PEEK（T3DP）盘件进行滑动。测试在2 MPa和5 MPa的连续接触压力下进行了200万次循环。通过HXLPE销件的重量法评估磨损，并使用酚-氯仿分离法分离磨损颗粒，进行扫描电子显微镜分析。表面加工方式对磨损行为产生了显著影响。在2 MPa下，HXLPE与MEP滑动的磨损率为0.63 mm3/MC，与CoCr（0.60 mm3/MC）相当，而GP、TEP和T3DP对偶面则分别产生了更高的HXLPE磨损率，分别为1.65、3.21和6.50 mm3/MC。在5 MPa下，TEP（6.82 mm3/MC）和T3DP（13.10 mm3/MC）的磨损大幅增加，而MEP基本保持不变（0.67 mm3/MC）。尽管表面粗糙度有所降低，但桶式抛光表面的磨损性能反而较差。SEM分析显示，桶式抛光引入或暴露了表面缺陷，包括孔隙和类似坑洼的特征，在AM PEEK中尤为明显。表面状况和接触压力影响了颗粒尺寸，而颗粒形貌则保持一致。研究表明，决定PEEK轴承摩擦学性能的主要因素是表面加工方式，而不仅仅是传统粗糙度参数。AM PEEK中磨损的增加与材料孔隙率和表面加工方式有关。需要改进加工工艺以减少表面缺陷，从而实现AM PEEK在全聚合物轴承应用中的潜力。

引言
全髋关节置换术（THR）是最成功的外科手术干预之一[1], [2]，自超高交联聚乙烯（HXLPE）引入以来，其长期效果显著改善[3]。登记和长期随访研究表明，磨损率明显降低，因磨损引起的骨溶解而需翻修的情况几乎被消除，即使在较年轻且活动量较大的患者群体中也是如此[4], [5], [6], [7]。然而，磨损并未完全消除。相反，材料技术的进步改变了产生的碎屑性质，有证据表明磨损颗粒正向更小的纳米级颗粒转变，这些颗粒较不易引发经典的巨噬细胞驱动的骨溶解反应[8]。虽然这可能解释了骨溶解发病率的降低，但大量此类颗粒的持续生成及其潜在的全身性扩散，对其长期生物学效应提出了重要问题[9], [10]。因此，进一步减少总体磨损量仍然是优化植入物使用寿命的关键目标。

传统的髋关节轴承组合以金属对聚乙烯系统为主，陶瓷对聚乙烯轴承（包括氧化锆增韧氧化铝，即ZTA）在近期植入物使用中也日益普遍[1], [2]。这些材料组合已显示出优异的临床效果；然而，人们也在探索替代材料以进一步优化植入物设计。例如，CoCr（约8-9 g/cm3）和陶瓷（约4 g/cm3）的密度远高于PEEK（约1.3 g/cm3）。使用低密度材料可能带来潜在优势，包括减轻植入物重量和改善与周围骨的机械相容性[11]，这有助于减少应力屏蔽效应。

因此，人们对包括全聚合物系统在内的替代轴承材料产生了兴趣，这些材料可能提供更好的机械相容性，并消除金属离子释放方面的顾虑。

聚醚醚酮（PEEK）因其优异的机械和生物学特性，包括与骨更接近的模量、低密度和已确立的生物相容性，已成为骨科应用的候选材料[11]。PEEK已在多种临床应用中得到使用，包括脊柱植入物和颅骨重建，在这些应用中它可承担承重功能[12], [13]。此外，PEEK还已在关节活动应用中进行了探索，包括在关节置换中的新兴应用[14]。

先前的摩擦学研究表明，PEEK对聚乙烯轴承系统在特定条件下可以表现出令人满意的磨损性能。最初的销盘测试表明，未填充PEEK对聚乙烯的磨损系数较低[15]，随后在膝关节模拟器中对PE与PEEK的滑动进行了研究，结果显示其磨损性能与传统CoCr对偶面相当[16]。East等人[15]的销盘测试还表明，对偶面状况和表面特性对PE的磨损非常重要，碳纤维增强PEEK会对较软的PE造成磨蚀性损伤。

Cowie等人[17]在名义接触压力为6.4 MPa的条件下，通过一系列销盘测试研究了交叉剪切对PE在PEEK上磨损的影响，结果显示增加交叉剪切并未显著影响PE的磨损系数。与相同交叉剪切条件下的PE对CoCr滑动相比[18]，全聚合物轴承的磨损系数显著更低，尽管后者测试是在更高的名义接触压力11 MPa下进行的，而较高的接触压力已知会降低PE的磨损系数。

类似地，Baykal等人[19]报告称HXLPE在PEEK轴承上的磨损受施加交叉剪切幅值的影响不显著。综合这些发现，表明PE在PEEK上的磨损对交叉切变的敏感性可能低于传统的PE对硬质轴承材料的滑动，这可能为长期轴承性能带来潜在优势。

然而，PEEK的摩擦系数相对较高[19]，因此其在使用中可能增加轴承和润滑剂温度的问题仍然存在[17], [20]。此外，这些研究主要关注膝关节条件；因此，PEEK-PE轴承在模拟髋关节滑动条件下的性能仍有待进一步确认。

增材制造（AM）为骨科应用提供了显著优势，包括制造复杂几何结构的能力以及床边制造的可能性[12], [21]。然而，逐层制造工艺可能导致表面和材料特性与常规制造的PEEK存在显著差异，这可能影响其在关节活动应用中的性能[22], [23]。因此，AM PEEK成功应用于关节活动领域需要理解和控制这些与制造相关的特性。

因此，表面处理是将AM PEEK转化为关节活动临床应用时需要考虑的关键因素。传统PEEK组件通常采用注塑成型工艺制造，可产生Ra值低于17 nm的光滑表面[19]。相比之下，AM PEEK组件表面本身较为粗糙，因此需要进行后处理才能达到临床可接受的表面质量。

各种表面处理技术已被应用于PEEK，包括抛光和喷丸加工去毛刺[24], [25], [26], [27], [28]，而桶式抛光等批量加工技术的研究相对较少。桶式抛光等批量加工技术在CoCr领域被广泛使用[29]，在增材制造聚合物行业中也广泛应用[30], [31], [32]，并已发展为高效、可重复的工艺流程，能够对大批量复杂几何形状的组件进行加工。这使得批量加工技术对AM应用具有特别吸引力。然而，这些技术在PEEK、尤其是AM PEEK上的应用仍处于不成熟阶段。

这些方法通常旨在降低表面粗糙度，预期更光滑的表面将带来更好的磨损性能。然而，尽管表面粗糙度通常被报告，但加工诱导的表面形貌与磨损行为之间的关系仍不明确。特别是，不同的加工过程如何影响超出传统粗糙度参数之外的表面特性，以及这些变化如何进一步影响磨损性能和磨损颗粒生成，目前尚不清楚。

因此，理解AM PEEK的摩擦学性能需要不仅考虑制造工艺本身，还要考虑实现可接受轴承表面所需的表面加工过程的影响。因此，有必要确认这些加工方法是否适用于聚合物轴承材料，并了解它们如何影响摩擦学性能，因为仅凭表面粗糙度可能不足以预测PEEK轴承系统的功能性能。

本研究的目的是在模拟关节滑动条件下，研究表面处理对PEEK轴承材料磨损行为的影响。评估了四种表面状况：机加工（MEP）、砂纸抛光（GP）、桶式抛光（TEP）和桶式抛光AM PEEK（T3DP）。磨损测试在2 MPa和5 MPa的接触压力下，以多方向运动方式进行。对磨损性能、表面损伤以及磨损颗粒特性（包括尺寸和形貌）进行了评估。此外，采用酚-氯仿分离法实现了对聚合物磨损颗粒的分离和分析，克服了传统基于密度的分离技术对PEEK-聚乙烯系统的局限性，可在较宽的尺寸范围内进行颗粒分离和分析。

节选段落
材料和试样制备
常规PEEK盘件由Evonik Industries（德国马尔）提供的医用级PEEK制造。AM PEEK盘件通过熔融沉积成型（FFF）工艺，使用CreatBot PEEK-300高温FFF打印机（中国河南苏威）制造，如表1所示。临床级超高交联聚乙烯（HXLPE）销件由100 kGy辐照、维生素E稳定（0.1 wt%）的GUR1020聚乙烯（英国Orthoplastics）加工而成。钴铬钼（CoCrMo）...

结果
桶式抛光前后的盘件表面宏观图像展示了加工过程对各样品的效果，如图1所示。

讨论
表面加工方式被发现对磨损行为具有主导性影响；然而，这种影响并未被传统粗糙度指标所捕捉。尽管GP和TEP表现出更低的Ra值，但其磨损程度显著高于机加工状态。这表明表面粗糙度本身不足以描述PEEK的摩擦学性能，还必须考虑表面状况的其他方面。这一观察结果与...

表面加工对PEEK表面完整性的影响
对测试表面的SEM分析揭示了不同加工方法之间表面形貌的明显差异。机加工MEP表面呈现出相对连续的结构，具有与加工过程一致的方向性特征，而砂纸抛光和桶式抛光表面则显示出了第三相体的存在、被打乱的表面层，包括孔隙和类似坑洼的特征。这些缺陷在AM材料中尤为明显，其内部孔隙似乎被...

表面加工对HXLPE磨损的影响
这些界面接触条件的变化为HXLPE磨损差异提供了力学基础。先前的研究表明，表面和近表面缺陷可以作为材料剥离的起始点，促进微裂纹、分层和碎屑生成等机制[43]。在AM PEEK系统中，孔隙和不连续性已被证实与耐磨性降低有关，这是由于局部应力集中和...的不稳定性所致。

接触压力对磨损机制的影响
接触压力被广泛认为是影响超高分子量聚乙烯（UHMWPE）基材料磨损的重要因素；然而，其影响是复杂的。体外研究表明，对接触压力增加的反应并非线性的：虽然磨损率可能随载荷增加而增加，但磨损系数可能会降低，这反映了接触力学和变形行为的变化[52]。此外，这种关系强烈依赖于对偶面状况、润滑状态和材料...

对磨损颗粒生成的影响
磨损颗粒的尺寸分布提供了关于系统内主导磨损机制的见解。在聚合物摩擦学中，产生的磨损碎屑尺寸通常与材料移除模式相关，较小的颗粒通常与更局部或更精细尺度的材料移除过程相关，而较大的颗粒则与更大范围的材料剥离相关[64], [65]。

在本研究中，在不同...之间观察到了颗粒尺寸分布的差异，包括...

生物学相关性
磨损颗粒的尺寸是决定其生物学活性的关键因素，特别是在骨科应用中。先前的研究表明，亚微米级的聚乙烯磨损颗粒最有效于刺激巨噬细胞反应并导致骨溶解，而较大的颗粒通常单位磨损体积的生物学活性较低[64], [65], [72], [73]。

因此，本研究中观察到的颗粒尺寸分布差异...

局限性
磨损量通过HXLPE销件的重量损失进行量化，因为PEEK盘件的重量法测量不够可靠。尽管延长了浸泡方案，PEEK盘件仍表现出质量测量不稳定的情况，部分样品显示出质量增加或减少的假象。这种行为在AM PEEK样品中尤为明显，可能归因于与材料孔隙率相关的流体相互作用。虽然对机加工PEEK获得了稳定的重量法测量...

结论
本研究证明了在多方向、血清润滑滑动条件下，表面处理对PEEK轴承材料的磨损行为具有关键性影响。尽管抛光降低了表面粗糙度，但并未转化为磨损性能的改善，这表明表面形貌和缺陷结构比传统粗糙度参数本身更为重要。

在2 MPa载荷下，机械加工型PEEK（MEP）工况产生的HXLPE磨损率为0.63 mm3/MC，与CRediT作者贡献声明相当。Benjamin A. Clegg：写作——审阅与编辑，写作——原稿撰写，可视化，验证，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。Joanne L Tipper：写作——审阅与编辑，监督，方法论，概念化。Nazanin Emami：写作——审阅与编辑，监督，资源，项目管理，经费获取。资金：本项目获得了欧盟"地平线2020"研究和创新计划的资助，资助协议编号为956004。利益冲突声明：? 作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能影响本文所报告的工作。Benjamin A. Clegg | Joanne L. Tipper | Nazanin Emami：机器元件系，工程科学与数学系，吕勒奥理工大学，瑞典吕勒奥97187。