“咔咔”声响的摩擦学

工作一天

或者长时间保持一个姿势

你有没有这样的感觉

脖子总会酸胀疼

扭一扭脖子

是否会听到“咔咔”声响

这种声音叫做关节弹响

就如大家所熟悉的“打响指”

也是关节弹响

那么，我们就会想问，这种声音从何而来？

它是关节软骨摩擦、碰撞产生的。

软骨是人体组织的典型例子，覆盖在各种关节表面，它经常暴露在摩擦力下，不正确或者超负荷的使用，会引发一系列的疾病，如：关节炎、关节软骨退化等。

软骨是不可再生，且缺少合适的替代材料，对构成软骨独特材料特性的微观原理的理解仍然有限；得到完美复制或至少近似软骨摩擦特性的软骨替代材料的需求很高。设计合格的替代材料需要可靠的测试设置，以便详细描述原生软骨的摩擦特性。

在这里，我们展示了一台旋转摩擦装置，允许在定义的条件下，采用振荡或旋转模式考察软骨材料。此装置允许在广泛的滑动速度和法向压力范围内进行摩擦测量。

从羔羊的髌骨关节中采集的直径为5.5毫米的骨质圆柱体（顶部有一层软骨的骨缸），在进行摩擦分析之前，在润滑剂中孵育样品1小时。之后，将圆柱形样品放入样品架（图1a），用固定螺钉调整每个样品位置（图1b）。

图1：样品架设置：将3个圆柱形样品放入样品架（a），用固定螺钉（b）调整其垂直位置。

摩擦测量使用配备 TruStrain™控制和黏附/挤压/法向力扩展包的安东帕MCR 流变仪进行。撤去通常用于经典流变学测量的帕尔贴控温板，将摩擦附件安装在此安东帕流变仪上（图3）。在这个摩擦学系统的样品架中，插入三个骨质圆柱体作为接触下平面，并将直径1/2英寸的玻璃球作为摩擦球与骨质圆柱体接触测试（图2）。

图 2：摩擦学附件原理图，用于探测一组带有 ½英寸直径玻璃球和三个骨质圆柱体之间的摩擦性能

图3：安东帕MCR流变仪的摩擦测量单元

支撑样品的摩擦单元（图4a）包括横向弹簧系统，对3个倾斜的软骨棒施加 6 N 的竖直法向力，导致垂直于每个软骨圆柱体表面的法向力为 2.8 N。通过预实验，可以看见软骨表面的彩色印记印在玻璃球上，其面积较为均一，也验证了力分布的均匀性（图4b）。

图4：带安装样品架和可下移测量头的摩擦附件（a），以及软骨表面和玻璃球之间接触面积的评估（b）。

在第一组测试中，采用软骨试样+玻璃球的新设置与传统的PTFE板+玻璃球的经典球-板设置进行了比较。通过实施对数速度阶梯扫描，旋转速度从10^-4增加到10² mm/s，记录了经典的 Stribeck 曲线。

如图 5 所示，PTFE 板体系获得了经典的 Stribeck 曲线：在速度达到 0.001 mm/s之前，摩擦系数微弱地增加，属于边界润滑区域，然后进入混合润滑区域（0.001 至 0.1 mm/s），最后是摩擦系数增加的流体动力润滑区域。相比之下，对于软骨样品，摩擦系数会持续增加，直到在25 mm/s的速度下达到最大值，随后下降。

 图5：PTFE板和软骨样品与玻璃球滑移测得的摩擦系数对比

软骨的低摩擦性能高度依赖于软骨基质内间隙流体的流体增压。为了考虑到软骨摩擦系数的这种时间依赖性，在不同速度水平上监测摩擦系数。使用以下转速进行测量：0.01 mm/s、0.1 mm/s、1 mm/s、10 mm/s 和 50 mm/s。正如预期的那样，对于每个速度水平，摩擦系数均会随时间而增加，初始摩擦系数为 0.02 - 0.16，并上升到 0.1 - 0.6 的平台值。

根据这些结果，对测量段最后10秒内的平衡摩擦系数求平均值。由于有些测试在 1 小时内未达到平台值，因此通过指数方程拟合外推方式获得平台值，如图6所示。这种拟合方式比长时间的测量周期更可取，因为这可以尽量减少磨损以及持续磨损对摩擦系数的影响。

图6：不同转速水平下软骨摩擦系数随时间的变化

为了确定摩擦磨损分析仪在摩擦测量期间可以成功控制的最低速度水平，以恒定速度进行了 30 分钟的测量。在图 7 中，这些测量值显示为垂直黑线，其中线的高度表示达到 30 分钟的平台摩擦系数。在转速控制在10^-5 mm/s和10^-4 mm/s时，没有克服静态摩擦，而转速在10^-3mm/s及更大速度水平下能够保持平稳控制。

图7：测量精度取决于转速。比较了从速率扫描和在恒定速度下测量获得的摩擦系数结果

下一步，比较了测试软骨摩擦系数的两种方法，在速率阶梯扫描过程中，取点时间分别为1s和5s。与采样时间为 1 s 时的速度扫描相比，采样时间为5s的速度扫描得到的摩擦系数明显提高了。此结果正确反映了软骨摩擦的强烈时间依赖性（如图 6 所示）。总之，与不同速度水平下测量得的平衡摩擦系数相比，通过应用速率梯度扫描获得的摩擦系数总体偏低。但是，摩擦系数对转速的依赖性的总体趋势得以保持。

如前所述，软骨的摩擦系数取决于材料在软骨基质内对流体相加压的能力。这个过程取决于骨架基质中由负固定电荷密度产生的渗透压力（Donnan平衡）和流体相中的离子浓度。渗透压力梯度可以通过改变润滑剂的盐浓度来调整。据报道，软骨润滑剂的盐浓度越高，平衡摩擦系数越低，而低离子强度会增加摩擦力。这一发现与我们的结果一致，如图8所示。

图8：使用不同离子强度润滑剂的软骨摩擦对比.

图 8 中的误差棒表示多次重复摩擦测试结果（N = 4）的标准偏差，并考虑到生物样品相对高的内在变异性，可以看出测量值具有良好的可重复性。

所述测试装置确保在精确定义的条件下评估骨质样品的摩擦性能。可以系统地比较各个变量（如润滑液、试验持续时间和接触压力）对软骨摩擦的影响。这使得对超低摩擦软骨的机制建立有了新的见解。除了对生物组织进行材料表征外，这种测量技术还可以很容易地调整并用于表征外植体材料（用于置换手术）或组织工程材料的结构。这样，就可以在置换手术之前评估目前采用的软骨修复技术，以及新设计材料的摩擦特性，以便制定新的治疗策略。

安东帕创建于1922年，总部位于奥地利。安东帕在密度和浓度的测量，溶解二氧化碳的测定，以及在流变学和黏度测量领域处于世界领先地位。致力于为全球工业和科研客户提供最合适的仪器。产品涵盖密度计、微波消解仪、微波合成仪、旋光仪、折光仪、黏度计、流变仪、馏程分析仪、闪点测试仪、X-射线结构分析、固体表面电位分析仪、表面力学性能测试仪器、在线分析检测仪表、颗粒特性分析、原子力显微镜以及固体材料直接表征等。

安东帕中国总部

销售热线：+86 4008202259

售后热线：+86 4008203230

官网：www.anton-paar.cn

在线商城：shop.anton-paar.cn