人体生物摩擦学的研究现状与展望

第25卷　第2期2005年3月

摩擦学学报

TRIBOLOGY

Vol25,　No2March,2005

人体生物摩擦学的研究现状与展望

葛世荣1,王成焘2

(1.中国矿业大学材料科学与工程学院,江苏徐州　221008;2.上海交通大学机械与动力工程学院,上海　200072)

摘要:介绍了人体生物摩擦学的概念,分析了头发、眼睛、皮肤、牙齿和关节等系统的生物摩擦学研究现状,就血液、人工心脏泵、人工心脏瓣膜和食品味觉的生物摩擦学研究方向进行了展望.指出当前人体生物摩擦学研究的关键科学问题主要包括人体摩擦副的特殊摩擦学行为及机理、模拟人体生物环境条件的人工器官摩擦磨损试验方法研究、人工材料在体内的生物摩擦学行为反应预测及磨粒在体内的生物反应和临床病症的评定.关键词:人体;生物摩擦学;生物材料;展望中图分类号:TH117.3

文献标识码:A

文章编号:1004-0595(2005)02-0186-06

　　Jost教授于1966年提出了摩擦学的定义,指出摩擦学是研究摩擦、磨损、润滑以及相对滑动表面行为的科学.Dowson和Wright教授于1973年提出了生物摩擦学的定义,指出其研究内容为与生物系统相关的所有摩擦学问题.

人体生物摩擦学是提高人类生命质量的关键前沿学科,其驱动力源于摩擦学同材料学、生物学、医学等学科交叉的创新需要及科技造福人类的需求.可以将人体涉及的生物摩擦副划分为硬接触摩擦副和软接触摩擦副,分割成骨和关节系统、牙和口腔系统、心血管系统、眼系统、皮肤和毛发、消化系统、呼吸系统、肌肉和韧带的软组织及人体滑液等.

可以将人体涉及的生物摩擦副划分为硬接触摩擦副和软接触摩擦副2个分支,其中四肢与颌面的70个运动关节,脊柱的25个活动面,口腔内上、下牙列的咀嚼运动,皮肤与劳动工具以及假肢的滑动等都是在接触刚度较大的硬条件下发生摩擦;眼球的环视运动,眼睑与角膜的眨动,胸腔内心脏,肺、胃与周边静止脏器之间的互相擦动,食物在消化系统的摩擦运动,红血球与微血管的挤压摩擦,肌肉各肌束之间的相互擦动,皮肤与服装的摩擦等都是在接触刚度较小的软条件下发生摩擦.经过成千上万年的进化,这些摩擦副演变成适应性好、性能优越的生物摩擦副,其性能非目前人工制造的摩擦副所能比拟.

人体的组织器官可能因为疾病或创伤而发生损

[1]

坏.随着现代医学的发展,可以用人工器官置换伤病

组织而重建器官功能,其中典型的人造组织与器官主要有人工关节、人工心脏与人工血管、义齿、义眼以及人造皮肤等.这些人工制品内部结构中存在各种摩擦表面,而且它们同人体组织之间可以形成假体与天生肌体的摩擦面,从而构成人体环境中的特殊摩擦副.

人体摩擦学研究包含2个方面:一是研究人体组织器官的生物摩擦学行为,认识它们的摩擦学特性和机理;二是研究人工组织器官及修复体的生物摩擦学行为,掌握它们在体内的磨损寿命以及失效机理.

1　特点及对象

人体生物摩擦学的特点在于摩擦副由人体器官构成,在生物环境中产生摩擦学行为,摩擦副具有感知和自适应能力,其摩擦磨损行为受到生命物质(细胞和蛋白质等)的影响,磨损产物(磨屑)会引起体内生物反应.正因为如此,人体生物摩擦学不仅涉及摩擦学问题,还涉及生物材料、生物力学、生物学及医学等问题,比机械摩擦学更具有复杂性和挑战性.机械摩擦副在“冷”环境下发生摩擦磨损,其磨损机理和失效过程可以直观监测,相应的磨屑对摩擦副摩擦磨损性能的影响很小,对其摩擦学行为的了解亦较为深入.而生物摩擦副在生命介质中发生摩擦,其磨损失效行为无法直接观察,磨屑与周围组织产生反应,对其摩擦学行为知之甚少.

基金项目:国家杰出青年基金资助项目(50225519);高校优秀青年教师奖资助项目(2002);高校博士点科研基金资助项目(20010290007).收稿日期:2004-10-16;修回日期:2004-12-28/联系人葛世荣,e-mail:gesr@http://www.77cn.com.cn.作者简介:葛世荣,男,1963年生,博士,教授,目前主要从事生物摩擦学和MEMS摩擦学研究.

　　就人体生物摩擦学研究对象而言,相应的摩擦副小至血细胞,大到髋关节,其摩擦磨损对人体健康各有利有弊:其利在于维持人体处于良好舒适的状态;弊则在于对人体产生损害,轻则导致皮肤损伤,重则使人工心脏失效而危及生命.可以将人体生物摩擦学研究对象划分为:骨、关节系统的生物摩擦学,牙、口腔系统的生物摩擦学,心血管系统的生物摩擦学,眼系统的生物摩擦学,皮肤、毛发的生物摩擦学,消化系统的生物摩擦学,呼吸系统的生物摩擦学,肌肉、韧带

等软组织的生物摩擦学,人工滑液的生物摩擦学等,

目前针对关节的摩擦学研究最多,对牙齿、头发、眼睛、皮肤的摩擦学行为的研究较少,而对人工心脏、口腔、血液和人骨的摩擦学行为研究很少.

2　研究现状

2.1　头发

采用原子力显微镜(AFM)观察人发表面,发现人的头发表面具有多孔隙结构(如图1所示).

可以认

(a)Hair

surface(b)Polaritydistribution

图1　人头发表面形貌AFM图像和极性分布

Fig1　AFMimageofhumanhairsurfaceanditspolaritydistribution

为,人发微观表面具有极性,其表面能与表面纳米级形貌分布基本一致;因此,人发的表面摩擦和润滑性能同极性密切相关;烃基液体容易吸附在头发的极性边缘,从而起到良好的润滑作用 …… 此处隐藏：7644字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……