体内磨损自润滑有望进一步延长薄膜在体内的服役寿命

磨损和腐蚀是人工关节金属组件在服役过程中产生临床并发症（过敏、疼痛、假瘤等）的两个主要原因。研究者们通常在金属关节摩擦副表面沉积薄膜以提高人工关节金属组件的耐磨性和耐腐蚀性，比如在金属关节头表面沉积类金刚石薄膜（DLC）、氮化物陶瓷薄膜（TiN）等。实验结果表明，通过表面沉积耐磨涂层可以显著改善金属关节假体的耐磨性以及耐腐蚀性。

通过TiN薄膜改性的人工膝关节、髋关节已经成功应用于临床。但是，该类型人工关节在体内服役时，仍然会面临磨损的风险，一旦金属关节表面改性层被磨损完毕，金属基体便会失去保护，产生金属磨屑以及金属离子，进而诱发一系列副作用。

西南交通大学冷永祥教授、海南大学文峰教授团队通过对自然观察得到启发，提出“体内磨损自润滑”概念，有望进一步延长薄膜在体内的服役寿命。通过在金属人工关节摩擦副表面沉积具有“主动减磨及磨损修复”功能的薄膜（本研究以TiNX-Cu为例），促使金属关节摩擦界面尽快形成类石墨碳润滑层，对关节假体起到良好的润滑作用，其摩擦磨损机理图如图1所示：当TiNX-Cu薄膜改性的关节在具有蛋白质的环境中服役时，通过摩擦磨损释放的金属Cu离子可以和周围的蛋白质分子结合并促使周围的蛋白质吸附到摩擦界面形成一层蛋白膜；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转化成类石墨碳润滑层对摩擦副进行润滑作用。

论文研究成果可应用于体内运动部件的材料学设计，研究工作得到了国家自然科学基金（52072312）以及海南省自然科学基金（520QN225）的支持。相关成果以“Metal-driven autoantifriction function of artificial hip joint”为题发表于《Advanced Science》 。文章第一作者为西南交通大学医学院（生物医学工程研究院）博士、海南大学材料学院邓乔元副研究员。

图1 类石墨碳润滑层形成示意图

图2 摩擦磨损完毕后磨斑和磨痕拉曼检测（a）磨斑和磨痕产生的示意图；（b）氧化铝球头磨斑处拉曼检测结果；（c）磨痕内部拉曼检测结果

图3 氨基酸分子在Cu表面共价结合及分解

研究团队首次提出“体内磨损自润滑”概念，为新型关节表面耐磨涂层的设计和制备提出了新的思路。

审核编辑：刘清