DOI:10．3969/j．issn．2095－509X．2023．02．023人工关节UHMWPE交叉剪切磨损的试验研究邹悦1，2，张鹏宇1，2，成博1，2，董磊1，2，刘峰1，2(1．中北大学机械工程学院，山西太原030051)(2．山西省先进制造重点实验室，山西太原030051)摘要:超高分子量聚乙烯(UHMWPE)是人工关节的主要界面材料之一，销－盘磨损试验不仅可以定量模拟UHMWPE交叉剪切效应，有效揭示聚乙烯微观磨损机理，而且可为人工关节磨损的计算机仿真建模提供试验依据和输入参数。选用传统非交联UHMWPE和CoCrMo合金作为配副试样，在销－盘磨损试验机上完成90°交叉剪切磨损模拟，通过数值方法建立磨损与交叉剪切滑动距离的函数关系式，并与文献结果对比，分析磨损表面的微观形貌及机理。结果表明，UHMWPE单位周期的磨损深度可表示为90°交叉剪切滑动距离的指数衰减函数，与文献结果一致;微观磨损机理以黏着为主，疲劳和磨粒磨损共同作用。关键词:UHMWPE关节置换;交叉剪切磨损;磨损机制;销－盘测试中图分类号:TQ325．12文献标识码:A文章编号:2095－509X(2023)02－0112－05人工关节是关节炎治疗的有效手段，我国每年约有20万例人工关节置换手术，实际需求仍在增加［1］。临床上90%的聚乙烯人工髋、膝关节的寿命为15～20年［2］，但聚乙烯磨损积累产生的磨屑会引起无菌性松动和骨溶解，限制了关节置换的使用寿命，因此人工关节聚乙烯的摩擦磨损仍然是研究的重点之一。人工关节磨损的研究方法主要包括临床试验、实验室模拟机测试［3］及计算机仿真模拟［4］。临床试验和实验室模拟机测试费用高、耗时长，主要用在产品设计后期。计算机仿真模拟是试验手段的重要补充和有效方法。目前磨损仿真建模仍需通过试验来获取模型参数，由于人工关节聚乙烯通常处在边界润滑状态［5］，其润滑性能受结构几何形态影响小，因此采用销－盘磨损试验机可以较好地模拟人工关节摩擦学条件［6］。Baykal等［7］总结了过去20年内的销－盘磨损试验结果，认为销－盘测试是有效的定量分析方法，可用于包括材料和摩擦学变量在内的研究。研究表明［8］，超高分子量聚乙烯(UHMWPE)在单向运动或单向往复运动下产生的磨损极低，其磨损因子可比临床观测值低2～3个数量级，因此关节的交叉剪切运动是影响人工关节聚乙烯磨损的一个关键因素。Kang等［9］建立了交叉剪切磨损计算数值方法，但其磨损公式仍假设磨损量与滑动距离成正比。Dressler等［10］利用销－盘磨损试验研究了90°交叉剪切效应，发现磨损是一个随距离变...
