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蛋白质水溶液润滑吸附特性的实验研究

马龙华  
【摘要】:现在全球每年髋关节的置换量超过100万例,大大提高了关节病患者的生活质量。为人工关节能更好地工作,需对其进行仿生润滑研究,其中含蛋白质的关节滑液润滑机理是一个很重要的课题。在一个步态周期内关节的润滑受到变化的载荷和速度等力学参数的影响,基于此本论文主要研究蛋白质水溶液在不同力学工况下对固体表面的润滑、吸附及腐蚀问题。完成的主要工作包括:1.在点接触光干涉油膜测量试验台上增加了弹簧循环加载-卸载模块,用以模拟关节冲击运动。通过伺服电机的控制实现对冲击周期的精确调节,实现不同运动周期以及不同冲击载荷条件下润滑介质的冲击润滑膜特性测量。2.关节滑液中主要的蛋白质成分包括白蛋白和γ-球蛋白,利用牛血清白蛋白(BSA)和牛血清γ-球蛋白(BGG)来分别模拟关节滑液中的蛋白质成分。通过对比这两种蛋白质的吸附特性发现BGG的吸附性能要远高于BSA,关节滑液中BGG成分对减少磨损、保护关节起到了重要的作用。3.为探究冲击对固体表面蛋白质吸附膜形成的影响,对动态冲击和静态条件下BSA水溶液的润滑吸附膜厚度进行测量。试验结果表明,冲击会促进蛋白质的吸附,在两接触表面形成有效的润滑保护膜。静态条件下的蛋白质水溶液也有轻微的吸附,但是吸附膜很难将两接触面分开起到保护作用。4.利用亲疏水性不同的玻璃盘表面来研究不同亲疏水性材料对蛋白质吸附的影响。试验发现由于疏水作用,蛋白质在疏水界面上的吸附量要高于亲水界面。同时对比了轴承钢材料和氮化硅陶瓷材料对蛋白质吸附性能的影响,发现轴承钢材料的吸附效果要高于氮化硅陶瓷材料。5.利用面接触测量系统对蛋白质水溶液的润滑吸附特性进行研究。应用电化学工作站对面接触全膜润滑状态下的电化学信号进行测量。使用扫描电镜、金相显微镜及表面形貌仪对滑块表面进行了分析,发现蛋白质的吸附首先发生在滑块的入口处并逐步往出口区延伸同时伴随着腐蚀的发生。实验发现速度、倾角、载荷等因素都会影响蛋白质的吸附。


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