四种常用假肢材料与人体皮肤摩擦学特性的研究

研究了目前应用广泛的四种假肢接受腔及内衬套材料与皮肤的摩擦学特性,试验部位分别选择在小腿截肢残疾患者的残肢及正常人小腿胫骨脊外侧进行。试验前对皮肤和材料的表面形貌、材料亲水性进行了测试。摩擦学试验结果表明,法向载荷P为0.3N和0.7N下,由于硅橡胶具有特殊性质(含有硅油),与皮肤摩擦系数明显大于其他材料,并且在残疾人和正常人皮肤之间具有明显差异(P<0.05);其它三种材料均符合"材料表面越憎水、与皮肤的摩擦系数越低"的规律。法向载荷P为8N下,残疾人和正常人皮肤与各材料之间的摩擦系数无明显差异(P>0.05)。

牙科陶瓷材料的摩擦学性能研究进展

陶瓷材料因其优异的耐磨性、化学稳定性、生物相容性和美观性被广泛用于牙齿缺损和缺失修复。本文首先介绍了牙科陶瓷材料的化学成分、微观结构和力学性能,基于陶瓷材料的磨损与磨蚀机制,归纳总结了牙科陶瓷材料摩擦学性能优化方面所取得的进展,指出陶瓷材料和天然人牙摩擦学性能失配严重制约了陶瓷修复体的临床应用,进而从室验介质、对摩副以及载荷、位移和循环次数等方面分析汇总牙科陶瓷材料摩擦学性能的体外测试方法。最后,从仿生摩擦学角度探讨了牙科陶瓷材料的未来发展趋势,并指出研制仿生陶瓷基复合材料是解决陶瓷修复体与天然人牙摩擦学性能失配难题最具潜力的策略。

四种牙科高分子修复材料摩擦学行为的对比研究

在往复滑动摩擦磨损试验台上以TA2纯钛为对摩材料,研究和比较了4种我国口腔临床常用牙科高分子修复材料在人工唾液介质中的摩擦磨损行为。结果表明在人工唾液介质中,3种成品树脂牙的摩擦因数、磨痕深度均较小,磨损表面主要呈现犁削效应;光固化树脂修补材料的摩擦因数大,耐磨性较差,磨损形貌以剥落为主,伴随犁削。

LZ50钢表面离子氮化/激光淬火复合改性层扭动微动摩擦学行为研究

对LZ50车轴钢表面进行离子氮化/激光淬火复合处理。在对复合改性层进行表征的基础上,对比研究了复合改性层和基体在干态不同角位移幅值下的扭动微动磨损行为。结果表明,LZ50钢经过复合处理后在表面层形成了均匀分布的针状马氏体;复合处理改变了LZ50钢的扭动微动运行区域,使得混合区减小,滑移区向小角位移方向移动;复合改性层的摩擦扭矩和耗散能在整个运行区域都低于LZ50钢,其磨损程度明显降低,在部分滑移区损伤轻微,在混合区和滑移区,损伤主要表现为剥层、磨粒磨损和氧化磨损。总之,复合改性层具有良好的抗磨减摩特性。

不同性别人体皮肤摩擦不舒适度感知功能的研究

利用人体生理和心理反应反馈信号研究了不同性别人体前臂掌侧皮肤在不同法向加载摩擦条件下的不舒适度感知能力.试验在UMT-II多功能摩擦磨损试验机上进行,相应的生理反应信号:皮肤温度、电容以及脑电波利用NeXus-10生理反馈仪进行同步采集及定量分析;皮肤感知的心理信号借助于摩擦过程中受试者对疼痛、牵扯和灼热的感觉程度进行量化记分.结果表明:皮肤的摩擦系数在性别之间无显著性差异;女性皮肤的温度及电容普遍高于男性,但温度及电容在摩擦开始及结束时的差值在性别之间无显著性差异;女性脑电波幅值及高幅值波峰数大于男性;相应的女性在摩擦过程中不舒适的心理反应强于男性;所有受试者在摩擦过程中的不舒适感均随时间的延长及载荷的增大而增强.

不同年龄、性别和解剖部位人体皮肤摩擦特性的研究

采用往复滑动皮肤摩擦试验机考察了不同年龄、性别的志愿者不同解剖部位等若干自然因素对皮肤摩擦特性的影响,实验数据利用成组t检验和单因素方差分析F检验进行了统计学分析,并用最小显著差数法(LSD法)进行了摩擦系数的多重比较。结果表明:人体不同解剖部位皮肤的摩擦特性与年龄密切相关,随着年龄的增大,人体各解剖部位皮肤之间的摩擦系数差异变得越不明显;同年龄段的人体皮肤摩擦系数在性别之间差异不大;不同年龄段人体在同一解剖部位皮肤的摩擦系数会有显著差异。

摩擦对兔皮肤损伤的研究

利用摩擦学、组织学和动物实验等手段模拟人体假肢接受腔对残肢皮肤的摩擦,研究摩擦对皮肤的损伤。应用成年健康兔作为动物模型,选取兔背部皮肤备毛后模拟残肢皮肤作为实验区,在往复滑动皮肤摩擦试验机上模拟假肢行走过程中不同压力、频率工况对皮肤表面损伤程度的影响。对损伤的兔皮肤组织切片进行HE染色,在光镜下观察受损细胞形态,在10倍物镜下测量损伤皮肤表面形成的痂皮厚度,在20倍物镜下计算一定视野内组织的炎性细胞数量,并对不同参数下得到的痂皮厚度和炎性细胞数量进行显著性分析,得到了不同摩擦工况对皮肤组织病理性变化规律的影响。结果表明:施加在兔皮肤表面法向压力和往复滑动频率越大,在相同时间内对兔皮肤造成的损伤就越严重,组织内出现炎性细胞的数量就越多。这些分析结果为假肢的舒适性设计和截肢患者的步态分析提供了理论依据。

假肢材料与人体下肢皮肤界面的摩擦特性

采用UMT-II多功能摩擦磨损试验机,在往复摩擦模式下模拟假肢接收腔/残肢皮肤界面,研究了4种不同表面结构的硅胶内衬套材料与皮肤的摩擦学行为。结果表明:硅胶材料/皮肤界面、接收腔/硅胶材料界面在往复摩擦模式初期均会产生相对滑动,摩擦因数较大;随着界面间产生黏着,摩擦因数减小,逐渐趋于稳态。硅胶材料反面上的粗大微凸体,增加了与皮肤的粘结性,摩擦能耗减少;正面上的针织结构不但增加了往复摩擦过程中与接受腔之间的相对滑动量及摩擦能耗,而且减少了其反面与皮肤往复摩擦过程中皮肤协调位移时的变形,从而降低了与皮肤之间的摩擦因数和能量损耗,因此,有利于降低皮肤摩擦损伤的风险,提高残肢患者穿戴舒适性。

皮肤往复摩擦条件下的损伤研究

选用成年健康活体兔皮肤替代残肢皮肤,在UMT-Ⅱ多功能摩擦磨损试验机上通过模拟残肢皮肤/接收腔界面间的黏着和中间过渡摩擦行为,对兔皮肤的摩擦系数、Ft-D曲线、能量损耗以及这两种摩擦行为所引起的兔皮肤摩擦损伤机理进行了研究.结果表明:在0.5或3.5 N法向力作用下,随着往复摩擦位移从±2.5 mm增加到±5 mm,兔皮肤的摩擦行为从黏着状态转变到中间过渡状态,往复摩擦过程中的能量损耗增加;由于中间过渡状态下的兔皮肤摩擦系数较高,能量损耗较大,因而造成的皮肤损伤程度比黏着状态严重;与人体手掌或脚掌皮肤相比,兔皮肤的角质层较薄,很难形成摩擦水泡.

汗液对皮肤摩擦特性的影响研究

采用人工汗液模拟人体汗液,在连续和间歇式往复摩擦运动模式下研究汗液对正常人体皮肤、穿戴假肢皮肤以及残肢疤痕皮肤摩擦性能的影响,并模拟假肢穿戴环境研究汗液对皮肤摩擦舒适度的影响.结果表明:在法向载荷为0.2 N和0.7 N的连续和间歇式往复摩擦运动模式下,汗液均通过改变皮肤表面的物理化学性能而对皮肤的摩擦行为产生影响;在汗液逐渐干燥的过程中,皮肤的摩擦行为从粘着向相对滑移状态转变,摩擦系数变化经历从小到大再减小、最后达到稳定的过程;在法向载荷为8.0 N、模拟假肢穿戴环境的连续式往复摩擦运动模式下,汗液环境中的正常小腿皮肤、穿戴假肢皮肤和残肢疤痕皮肤的摩擦系数均大于干燥环境.根据皮肤在摩擦过程中的疼痛感、牵扯感和灼热感等同时提出皮肤摩擦舒适度概念,与干燥的假肢穿戴环境相比,汗液均加强了不同皮肤的摩擦不舒适感.

迷彩服织物与人体肘部皮肤摩擦特性研究

在往复摩擦模式下模拟迷彩服穿着环境,研究了5种不同迷彩服织物的表面结构、亲疏水性、接触力值以及干湿状态对皮肤摩擦特性的影响.结果表明:在法向载荷为1 N时,湿态下的环境增强了织物与皮肤间的黏着力,织物与皮肤在湿态下的摩擦系数均高于干态;当法向载荷增加到5 N时,界面间的干湿状态对织物与皮肤的摩擦系数无明显影响.在干态时,不同迷彩服织物与皮肤的摩擦性能与织物的材质和针织结构有关,纯棉材质和斜纹结构的织物与皮肤的摩擦系数较小;在湿态时,不同迷彩服织物与皮肤的摩擦性能与织物的亲疏水性有关,疏水性强的织物由于增强了皮肤的水合作用以及界面间的粘附力,因此增加了织物与皮肤的摩擦系数.质地较硬的平纹结构织物易造成摩擦后的皮肤表面粗糙,造成皮肤不同程度的角质层分离及表皮撕裂,增加了皮肤表面损伤的风险.

人牙釉质在柠檬酸介质中的摩擦磨损行为研究

采用往复滑动摩擦磨损试验台,以TC4钛合金球为摩擦偶件,考察了人牙釉质在pH为3.2的柠檬酸介质中的摩擦磨损行为,并与人工唾液介质中的结果进行对比.结果表明:牙釉质在不同介质中的摩擦磨损行为存在显著差异.在柠檬酸介质中,鉴于柠檬酸对牙釉质表面的酸蚀软化和脱矿作用,牙釉质的摩擦系数低于人工唾液介质,但伴随显著波动,磨损机制以黏着剥落为主,磨损体积随循环次数增加几乎呈线性增长,磨损量明显大于人工唾液介质.

去角质化妆品对皮肤摩擦性能的影响研究

采用UMT-Ⅱ多功能摩擦磨损试验机,模拟洗脸的摩擦条件,考察了微粒大小、数量和硬度不同的3种磨砂洗面奶介质对不同性别人体皮肤摩擦特性的影响.结果表明:由于在往复摩擦条件下磨砂洗面奶去除了皮肤表面老化角质层,皮肤的表面粗糙度下降,皮肤的电导、水合作用、黏着力及摩擦系数增加;含有2种微粒大小、数量和硬度适中的B组洗面奶介质摩擦去除老化角质较多,皮肤后续对保湿化妆品的渗透效果较好;由于不同性别皮肤表面结构的差异,磨砂洗面奶对男性皮肤表面结构的影响较女性大.

不同润滑介质下食管组织的摩擦特性研究

本文中模拟胃镜检查中胃镜前端进入食管的过程,研究了不同润滑介质(盐酸利多卡因、生理盐水、人工唾液、人工胃液)对胃镜绕管和食管黏膜界面减摩作用的影响.结果表明:胃镜绕管与食管黏膜组织界面之间存在典型的黏-滑摩擦状态,摩擦力由黏着摩擦部分和变形摩擦部分组成,润滑介质通过改善界面间的润湿性可改变其黏着状态;不同润滑介质的润滑效果与介质的物理特性有关,盐酸利多卡因由于与绕管的接触角、表面自由能和粘附功较小,改善了界面间的润湿性,因此降低了界面间的摩擦阻力和摩擦系数,而人工胃液的作用正好相反.研究结果为胃镜诊疗中润滑介质和内窥镜绕管的研制提供了理论依据.

人牙釉质和合成羟基磷灰石力学性能的对比研究

鉴于人牙釉质由96%～97%质量比的羟基磷灰石构成,选用合成羟基磷灰石作为空白对照样,通过纳米压痕仪、SEM、EDX等考察和分析不同载荷下人牙釉质和合成羟基磷灰石的力学性能,初步分析人牙釉质内部微观结构对其力学性能的贡献。结果表明:在相同载荷作用下,人牙釉质的硬度和弹性模量低于合成羟基磷灰石,且压痕较深。牙釉质和合成羟基磷灰石的硬度和弹性模量均随载荷增大而降低,压痕深度随载荷增大而增大,其中,合成羟基磷灰石的硬度和弹性模量随载荷增大而降低的幅度略大于人牙釉质。可见,人牙釉质的力学性能与其内部微观结构密切相关。

假肢接受腔-人体皮肤界面往复摩擦能量损耗的研究

利用万能材料试验机和多功能数据采集分析系统,在往复摩擦模式下模拟假肢接收腔-残肢皮肤穿戴界面,研究了不同切向力作用下两种常用的假肢接受腔材料与皮肤的摩擦能量损耗.结果表明:接受腔-皮肤界面往复摩擦过程中,随着切向力的增加,皮肤发生的弹性变形增大,皮肤摩擦前后的温差增加,摩擦过程中的能量损耗增大.接受腔材料表面结构直接影响着残疾人穿戴假肢的舒适性.相较于表面粗糙度较大的国内生产接受腔材料,表面粗糙度较小的进口接受腔材料降低了皮肤的摩擦能耗,减轻了皮肤的发热和变形,降低了皮肤损伤的风险,提高了与皮肤界面的适配性.

仿生中性络合剂对花岗岩摩擦磨损行为的影响研究

基于自然界生物侵蚀的络合机制,分别以柠檬酸、酒石酸和草酸等3种低分子量有机酸为有效成分配置了3种仿生中性络合剂,同浓度盐酸溶液作为对照试剂,采用往复滑动摩擦磨损试验,以H13钢球为摩擦对偶,考察仿生中性络合剂处理前后花岗岩表面的摩擦磨损行为.结果表明,3种仿生中性络合剂侵蚀处理均能诱发花岗岩表面裂隙扩张,形成溶蚀坑,岩石表面力学性能下降,矿物颗粒间联结变弱,表面摩擦磨损加剧,磨损机制以磨粒磨损为主.相比无机强酸对岩石矿物颗粒的酸蚀作用,有机酸的络合作用对花岗岩表面摩擦磨损行为的影响更为显著,其中,分子量小且结构简单的草酸相比柠檬酸和酒石酸更容易诱发花岗岩表面矿物颗粒络合溶蚀,从而促进岩石表面摩擦去除.

TBM的刀具改性与辅助破岩技术研究现状

硬岩掘进机(TBM)主要依赖滚刀-岩石界面的滚压作用进行隧道掘进作业,滚刀刀圈磨损严重、更换频繁,严重影响TBM掘进效率。本文介绍了TBM滚刀破岩原理与典型失效形式;从滚刀材料改性和结构优化角度归纳总结了TBM刀具改性的研究现状,指出单纯的滚刀改性优化对TBM掘进效率的提升作用有限;进而介绍了水射流、超声、激光和微波等外加物理场辅助破岩技术的研究进展;最后,从岩石力学性能化学弱化角度探讨了辅助破岩技术的新思路。

人牙釉质纳米尺度下的摩擦磨损行为研究

利用纳米划痕仪研究了人牙釉质在纳米尺度下的摩擦磨损行为,考察了法向载荷对牙釉质摩擦磨损性能的影响。结果表明:随着法向载荷增大,人牙釉质的摩擦因数和磨损深度呈现非线性增大;载荷较小时(<20mN),摩擦因数随载荷增加而快速增大,划痕表面主要呈现轻微凹陷,损伤以弹塑性变形为主;当载荷较大时(>20mN),摩擦因数随载荷增加而缓慢增大,划痕表面开始出现磨屑,磨损以脆性剥层为主。

激光熔覆Ni60和Co-Cr-W合金层的高温磨损特性研究

在4Cr14N iW2Mo耐热合金钢表面熔覆N i60和Co-Cr-W合金粉末,获得具有良好冶金结合和组织致密的熔覆层。在不同温度条件下(室温、250℃和420℃),对N i60和Co-Cr-W熔覆层及其基体材料进行了摩擦磨损试验。研究结果表明:Co-Cr-W熔覆层和基体材料的磨损机制为磨粒磨损、剥层和氧化磨损的共同作用,其摩擦因数随温度的升高而降低;对于N i60熔覆层,其摩擦因数几乎不受温度的影响,其磨损机制表现为磨粒磨损。在高温条件下,N i60熔覆层比Co-Cr-W合金熔覆层具有更优良的高温摩擦磨损性能。