一种用于通过小体积样品表征润滑性能的微尺度四球摩擦仪

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：A microscale four-ball tribometer for characterization of lubrication by small volume samples

本文设计了一种微型四球摩擦计，可将传统设备所需的样本量降低至十分之一，适用于流变仪控制下的接触压力和滑动速度测试，成功验证了其在多种润滑剂系统及生物滑液（如健康和关节炎模拟滑液）中的可靠性，为小样本生物流体研究提供经济高效解决方案。

　　

塞缪尔·斯蒂利（Samuel Stealey）|盖伊·M·热宁（Guy M. Genin）|西尔维娅·P·祖斯蒂亚克（Silviya P. Zustiak）

摘要

四球摩擦计被广泛用于表征润滑剂在滑动接触中的效果。然而，标准设备需要5毫升或更多的液体，这使得对生物液体（如滑液）的表征变得困难。在这里，我们介绍了一种四球摩擦计，它所需的样本体积不到原来的十分之一，并且可以在任何流变仪上轻松复制。一个上钢球或聚苯乙烯球被固定在平行板流变几何结构上，然后降低到三个下球上，这些下球通过增材制造的支架进行定位和固定。流变仪用于控制轴向力（接触压力）和上球的旋转速度（滑动速度）。该装置在三种已充分表征的润滑系统上进行了验证：机油、甘油/水混合物和透明质酸。静态和动态库仑摩擦系数以及磨损“疤痕”测试结果具有可重复性，并与文献中的趋势一致。还模拟了健康和患病的滑液，以证明该装置在测量少量生物样本的润滑性能方面的实用性。

引言

生物系统的复杂润滑机制需要创新的摩擦学工具，能够在生物学相关条件下表征摩擦和磨损。这些摩擦学装置旨在准确再现各种生理系统中的载荷和剪切应力，包括髋关节和膝关节。这些关节由滑液润滑；滑液是一种由多种天然润滑剂（包括透明质酸和润滑素）组成的粘性液体。滑液的变化与多种病理状况有关，包括骨关节炎[1]、[2]、[3]、[4]。观察到滑液的退化与关节炎有关，这促使人们提出通过添加添加剂或替换滑液来进行治疗[5]。现在已经确定了一系列有助于软骨边界润滑的成分[6]、[7]。因此，量化滑液的摩擦学特性对于诊断和治疗目的具有重要意义。

台式摩擦计，包括销-盘式、球-盘式和四球（球-三球）配置，已被开发为大型髋关节和膝关节模拟器的经济高效替代品；然而，它们需要复杂的仪器和大量的液体（约5-50毫升）。例如，符合ASTM标准D4172-21的设备需要5毫升的润滑剂，这与健康成人膝关节中的总量相当[8]、[9]。

最近的一些研究使用了这些台式摩擦计来模拟滑液关节的摩擦学环境，包括膝关节。在行走、站立或跑步等活动期间，常见的接触压力为1-50兆帕，滑动速度为0.05-0.5米/秒，可以通过多种装置轻松复制。例如，Mazzucco等人使用销-盘式摩擦计评估了超高分子量聚乙烯（UHMWPE）与钴铬合金（CoCr）在牛血清存在下的磨损和摩擦情况，以模拟膝关节植入物的磨损[10]。他们使用了50-100毫米/秒的滑动速度和3-7兆帕的接触压力，样本体积约为15毫升。同样，Myant等人利用球-盘式摩擦学装置表征了牛血清和白蛋白溶液与镀铬玻璃盘和38毫米CoCrMo球的润滑情况[11]。滑动速度为0-10毫米/秒，接触压力约为60-110兆帕，体积超过1毫升。Herbster等人使用球-三板装置测试了一种合成润滑剂治疗骨关节炎的润滑性能。球模拟了股骨头，板由UHMWPE制成，接触压力为5-21兆帕，滑动速度为0.001-1000毫米/秒，用于测量1.5毫升的润滑剂体积[12]。

虽然这些和其他许多研究成功再现了生理润滑系统中的摩擦学环境，但测量珍贵液体（如生物润滑剂）仍然是一个关键挑战。例如，健康患者的膝关节滑液通常只有0.5-2.0毫升，因此获取足够的液体进行摩擦学研究非常困难。此外，这些装置通常需要专门的仪器，这些仪器非摩擦学实验室难以获得。在这里，我们试图开发一种易于使用、经济高效且坚固的四球摩擦流变装置，它可以在标准流变仪上运行，所需的润滑剂量减少了几个数量级，从而便于测量珍贵溶液，包括滑液等生物液体。

章节片段

摩擦流变装置

设计并构建了一种微型四球摩擦流变测试装置，用于测量少量水基和油基润滑剂以及生物液体的摩擦（见方法部分和图1）。使用直径为4.4毫米的钢球或聚苯乙烯球代替标准的ASTM标准12.7毫米球，将每次测量所需的样本体积减少了三十倍，从约5毫升减少到150微升。

这些球有多种尺寸，可以制成单分散的。

结论

总之，我们展示了一种定制的摩擦流变装置，与传统摩擦计相比显著减少了所需的样本体积，从而能够测量珍贵的溶液，如滑液。研究了多种润滑系统，并提供了静态和动态COF（摩擦系数）以及磨损疤痕测试的可重复测量结果。该装置中使用的材料成本低廉且是一次性的，从而提高了材料实验室的可获得性。

材料

锌涂层钢球（直径4.4毫米，优质产品，部件编号301003-000，Daisy Outdoor Products，罗杰斯，阿肯色州）、201不锈钢滚珠轴承（直径4.4毫米，Uxcell，香港）和440不锈钢滚珠轴承（直径4.4毫米，UXcell，香港）、聚苯乙烯球（ASG，部件编号17939，Moorland，加利福尼亚州）、凝胶粘合带（Duck Max Strength Nano-Grab Gel Tape，Shurtape Technologies，阿冯，俄亥俄州）以及通用机油（10W-30和10W-40）均从当地五金店购买。甘油

作者贡献声明

盖伊·M·热宁（Guy M. Genin）：撰写——原始草稿，正式分析，概念构思。西尔维娅·P·祖斯蒂亚克（Silviya P. Zustiak）：撰写——原始草稿，项目管理，方法论，资金获取，正式分析，概念构思。塞缪尔·斯蒂利（Samuel Stealey）：撰写——原始草稿，可视化，方法论，正式分析，数据整理，概念构思

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢圣路易斯大学增材制造中心设计和3D打印下钢球支架，以及Eya Ferchichi在扫描电子显微镜（SEM）成像方面的协助。资金由NIH NIAMS RO1 AR081270-01A1项目提供：“开发用于持续释放富含血小板的血浆以治疗创伤后骨关节炎的可注射超润滑微凝胶”。