人工椎间盘、人工关节等体内运动部件需要在体内长时间服役（10年以上）， 服役过程中头—臼结构相对摩擦运动可达数千万次，摩擦导致的磨损不仅仅会使头—臼结构尺寸发生改变，最主要的危害是磨损过程中会产生各种磨屑，导致炎症反应及假体失效。为了降低材料体内磨损，研究者开发了多种生物相容性好、耐磨损的生物材料。本文在前期研究基础上，考虑到体内运动部件要在体液环境中服役，而蛋白质是体液中含量最多的大分子，提出利用材料物理化学性质催化蛋白质在摩擦界面形成润滑层，保护摩擦界面以及润滑减磨的作用，延长运动部件的寿命。
  本研究首先探讨了不同金属离子与蛋白质之间的相互作用，筛选出了具有较强催化能力的金属离子，在此基础上，制备了一系列金属掺杂的无机陶瓷薄膜，如类金刚石薄膜（Ag-DLC与Cu-DLC）以及氮化钛薄膜（Cu-TiN），用于体内运动部件的表面改性。研究结果发现，金属掺杂可以改变陶瓷薄膜表面的物理化学性质（亲疏水性，粗糙度，荷电性等），促进蛋白质在薄膜表面的吸附。摩擦过程中，从薄膜中释放的Me⁺离子会促进蛋白质结构变性，诱导蛋白质分子的沉降，最终在摩擦界面形成一层由变性蛋白质组成的生物润滑膜；在金属离子的催化作用及长时间的磨损过程中，这层生物蛋白膜可进一步转变为类石墨碳润滑层。这些由金属离子催化蛋白质形成的润滑层覆盖在摩擦界面，可以有效提高体内运动部件的润滑性能与耐磨损性能。另外，生物学实验也证实了金属掺杂的陶瓷薄膜，如Cu-TiN，具有良好的生物相容性，其磨屑（≤100 μg/mL）无生物毒性，符合生物器械使用标准。
  更进一步地，我们制备了金属掺杂的氧化锆增韧氧化铝陶瓷材料（Fe-ZTA与Cu-ZTA）。研究结果证明，金属掺杂可以促进蛋白质在陶瓷材料摩擦界面的吸附与变性，诱导生物蛋白膜及类石墨碳润滑层的产生，起到润滑减磨的效果。且生物学实验证明，金属掺杂的陶瓷材料具有良好的生物相容性，其磨屑（Cu-ZTA：＜50 μg/mL；Fe-ZTA：≤200 μg/mL）无生物毒性。
  本研究基于金属离子对蛋白质的催化作用，制备了一系列具有体内摩擦自润滑性能的陶瓷材料，可为体内运动部件的设计及应用提供指导。
 

金属离子；蛋白吸附变性；润滑层；生物相容性