人工关节与骨科植入物的临床寿命，在很大程度上取决于其摩擦学性能。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）与CoCrMo合金构成的“硬-软”关节副在体内承受长期循环载荷与复杂运动，磨损颗粒诱导的骨溶解和无菌性松动是假体远期失效的首要原因。这一问题的特殊性在于：摩擦学行为无法从材料的体相力学参数（如弹性模量、屈服强度）外推得到。两种材料在干燥空气中的摩擦系数与在37°C血清或滑液中的摩擦系数可以相差数倍，磨损机制也可能从磨粒磨损切换为粘着磨损或疲劳磨损。传统摩擦磨损试验机（如销-盘、球-盘）虽然能给出摩擦系数和磨损率，但其加载几何和量程通常面向工业硬质材料，对“软质UHMWPE对硬质CoCrMo”的低载荷、液相润滑工况缺乏原生适配；而标准力学试验机又不具备摩擦学测试所需的切向力测量和往复/旋转滑动驱动。
MACH-1在这一问题上的定位，是将多轴精密运动控制、切向力/法向力同步采集、液相/温控腔室与标准化摩擦学操作规程集成于同一平台，使人工关节材料的摩擦磨损评价能够在接近体内环境的条件下完成。系统可在PBS或滑液等生理溶液中、于37°C生理温度下，对人工关节材料（UHMWPE、CoCrMo合金、氧化铝陶瓷、钛合金等）执行平面剪切、扭转剪切或圆周路径平面剪切摩擦测试，同步获取静摩擦系数、动摩擦系数和磨损行为参数。在骨科植入物摩擦学评价的工具谱系中，MACH-1提供的是生理液相兼容、微小力值分辨、且与力学表征同平台的摩擦学测试能力，而非一台仅面向工业干摩擦的通用磨损试验机。
MACH-1在人工关节与植入物摩擦学方向的典型用途围绕材料级摩擦学筛选和组织/构建物摩擦学评价展开。
人工关节材料的标准化摩擦学筛选：对UHMWPE、CoCrMo合金、氧化铝陶瓷、钛合金等候选材料，在PBS或滑液环境中执行球-盘、销-盘或平面滑动摩擦测试，精确测定静摩擦系数和动摩擦系数，评估材料在模拟生理载荷和运动条件下的抗磨损能力，为材料筛选和表面处理优化提供数据依据。测试前样品在室温PBS中平衡，测试腔室充满PBS以模拟生理环境，系统可整体放入培养箱在37°C下运行。
关节软骨与骨软骨核的摩擦学评价：在天然或工程化软骨的摩擦学研究中，于PBS或滑液中执行平面滑动摩擦测试，评估软骨表面的润滑机制和摩擦系数。系统支持对软骨盘或骨软骨核执行标准化平面滑动摩擦测试（操作规程MA056-SOP08-D v2），对偶面可选择表面抛光聚砜板或其他材料，以模拟关节面之间的相对滑动。
组织工程构建物的润滑性能量化：对组织工程软骨、水凝胶支架或聚合物支架等构建物，在模拟生理环境中评估其摩擦学特性，研究滑液成分（如PRG4和透明质酸）对构建物润滑性能的影响，为再生组织的功能成熟度提供摩擦学维度的判据。
摩擦与磨损的同步表征：MACH-1支持在评估摩擦系数的同时对磨损行为进行同步表征。系统可在多力耦合测试模式下，于一次加载过程中同时记录法向力、切向力和位移，避免摩擦测试与磨损测试分离进行时因样品状态变化或对偶面磨损颗粒累积而引入的数据偏差。
典型使用场景包括：UHMWPE试样与CoCrMo对偶面在37°C PBS中的往复滑动摩擦测试，记录静/动摩擦系数和磨损深度；骨软骨核在滑液润滑下的平面滑动摩擦测试，按MA056-SOP08-D v2评估软骨表面润滑性能；以及关节软骨在受控载荷和滑动速度下的摩擦系数测定，用于比较正常与退变组织的润滑功能差异。
MACH-1在人工关节摩擦学方向的直接同行评审文献积累尚不如其在软骨压痕mapping方向深厚，但其摩擦学测试能力已通过产品级验证和涉及滑动/剪切加载的研究得到确立。
案例一：人膝关节软骨的剪切与滑动加载对浅表区软骨细胞的影响（ORS Annual Meeting）。 Hsu等使用Mach-1机械测试系统，在20%静态压缩的基础上，对人膝关节软骨盘（直径2 mm、厚1.1 mm）施加正弦波形的滑动加载（滑动幅值±100 μm、±500 μm或±1000 μm，1 Hz，400个循环），以模拟关节运动中的剪切与滑动过程。对偶面为表面抛光聚砜板。研究旨在评估分级滑动幅度对软骨浅表区细胞活性和PRG4分泌的影响，并将生物学响应与组织剪切应变水平关联。该案例的方法学价值在于：MACH-1的滑动驱动与静态压缩的叠加能力，使“压缩+滑动”的复合加载模式得以在离体软骨上可重复实现，而这种复合加载正是关节摩擦学环境的力学本质——摩擦不是孤立的切向滑动，而是在法向压缩约束下的界面剪切。
案例二：人工关节材料摩擦学表征的标准化操作规程（产品级验证）。 Biomomentum已建立MACH-1在人工关节材料摩擦磨损测试中的标准化流程：样品在室温PBS中平衡，测试腔室充满PBS，系统支持平面剪切、扭转剪切和圆周路径平面剪切等多种摩擦模式；测试可整体置于37°C培养箱中运行。适用材料明确包括UHMWPE、CoCrMo合金、氧化铝陶瓷和钛合金等人关节常用材料。该标准化流程的意义在于：不同实验室、不同批次的人工关节材料摩擦学数据，可以在统一的液相环境、温度条件和加载模式下获得，减少了因测试介质和温度差异引入的系统偏差。
生理液相与温控条件下的摩擦学测试，而非“干摩擦”外推。 人工关节的摩擦学行为高度依赖润滑介质和温度。MACH-1支持测试腔室充满PBS或滑液，并可整体置于标准培养箱中在37°C生理温度下运行。在干燥空气中测得的UHMWPE摩擦系数不能通过简单修正外推到血清润滑条件——润滑膜的存在与否直接改变接触界面的剪切机制和磨损颗粒的生成方式。液相温控能力使MACH-1的摩擦学数据与体内工况之间具有方法学上的可比性。
摩擦与磨损的同步采集，而非分步测试。 系统配备多轴力传感器，可沿三轴同时测量力和扭矩；在摩擦测试中同步记录法向力、切向力和位移，实现摩擦系数与磨损行为的同步表征。产品资料明确指出，磨损测量与摩擦测量必须同步进行，因为磨损颗粒可能改变界面状态并影响摩擦系数的读数准确性。MACH-1的同步采集能力消除了“先测摩擦、再换样品测磨损”所带来的样品间变异和界面状态漂移。
多模式摩擦加载与关节运动几何的匹配。 系统支持平面剪切、扭转剪切和圆周路径平面剪切等多种摩擦测试模式，覆盖了人工关节中从线性往复滑动到旋转滑动的不同运动形式。多轴运动控制（垂直Z轴、水平轴和扭转轴）使摩擦路径可以根据具体关节的运动学特征进行配置，而非局限于单一方向的销-盘滑动。
与力学表征的同平台衔接。 MACH-1的摩擦学模块不是独立的外挂附件，而是与压缩、拉伸、压痕mapping共享同一套运动控制和传感系统。这意味着在摩擦测试前后，可以在同一平台、同一坐标系下对同一材料试样执行硬度、弹性模量或压缩性能测试，使“摩擦学性能”与“体相力学性能”的关联分析具有统一的实验基础。
成熟性与合规背景。 MACH-1自1999年商业化，全球4000余个实验室部署，累计文献1000+篇。Biomomentum质量体系通过ISO 13485:2016医疗器械质量管理体系认证。核心测量链为加拿大原产，摩擦对偶面几何、滑动路径和液相腔室配置可按具体材料试样适配。
摩擦学测试相关核心参数（基于产品资料与SOP）：
测试模式：平面剪切摩擦、扭转剪切摩擦、圆周路径平面剪切摩擦。
测量参数：静摩擦系数、动摩擦系数；同步采集法向力与切向力。
标准化操作规程：软骨盘/骨软骨核平面滑动摩擦测试（MA056-SOP08-D v2）。
文献编号 1
文献中英文标题： Articulation-Induced Responses of Superficial Zone Chondrocytes in Human Knee Articular Cartilage — Effects of Shear and Sliding / 关节运动诱导的人膝关节软骨浅表区软骨细胞反应——剪切与滑动的影响
作者/通讯作者： Hsu FH, Hui AY, Chen AC, Lotz MK, Sah R
期刊： Orthopaedic Research Society (ORS) Annual Meeting 年份：会议摘要 IF：非期刊
研究领域： 关节软骨、剪切/滑动加载、摩擦学力学环境
研究目的 / 科学问题： 评估分级滑动幅度（模拟关节运动中的剪切与滑动）对人膝关节软骨浅表区细胞活性和PRG4分泌的影响，并将生物学响应与组织剪切应变关联。
实验方法： 25个人膝关节软骨盘（直径2 mm、厚1.1 mm）；Mach-1机械测试系统（Biomomentum），在20%静态压缩基础上施加1 Hz正弦滑动，幅值±100/500/1000 μm，400循环，对偶面为表面抛光聚砜板。
核心结果： MACH-1实现了“静态压缩+动态滑动”的复合加载，模拟了关节摩擦学环境中的界面剪切条件；滑动幅度对浅表区细胞响应和PRG4分泌的影响被分级评估。
结论： MACH-1的滑动驱动与压缩叠加能力适用于研究关节摩擦学环境对软骨细胞生物学的调控，为“力学摩擦—生物学响应”的关联提供了可重复的加载平台。
文献编号 2
文献中英文标题： Friction Testing on a Cartilage Disk or an Osteochondral Core / 软骨盘或骨软骨核的摩擦测试（标准操作规程）
作者/通讯作者： Chartrand A, Quenneville E（Biomomentum Inc.）
期刊： Biomomentum Standard Operating Procedure MA056-SOP08-D v2 年份：持续更新 IF：非期刊（官方SOP）
研究领域： 软骨摩擦学、标准化测试方法
研究目的 / 科学问题： 建立MACH-1对软骨盘或骨软骨核执行离体平面滑动摩擦测试的标准化操作流程。
实验方法： 平面滑动摩擦模式；软骨盘或骨软骨核样品；对偶面滑动；在PBS或滑液中测试。
核心结果： 提供了版本化的摩擦测试SOP，定义了样品准备、加载路径和参数提取的标准化流程。
结论： MA056-SOP08-D v2使软骨摩擦学数据可在不同实验室和不同批次之间进行方法学上可比较的采集。
文献编号 3
文献中英文标题： Mach-1人工关节磨损测量分析仪（产品技术文档，涵盖摩擦磨损模式、适用材料与生理环境测试）
作者/通讯作者： Biomomentum / 授权技术文档
期刊： 产品技术资料 年份：持续更新 IF：非期刊
研究领域： 人工关节材料、摩擦磨损、生理环境模拟
研究目的 / 科学问题： 定义MACH-1在人工关节材料摩擦学表征中的测试能力：液相温控摩擦、静/动摩擦系数测定、摩擦与磨损同步表征、适用材料范围。
实验方法： 平面剪切/扭转剪切/圆周路径摩擦；PBS或滑液浸没；37°C培养箱运行；多轴力传感器同步采集法向力与切向力。
核心结果： 系统支持UHMWPE、CoCrMo合金、氧化铝陶瓷、钛合金等人工关节材料的标准化摩擦磨损测试；摩擦与磨损可同步表征以避免颗粒干扰导致的读数偏差。
结论： MACH-1的摩擦学模块为人工关节材料的生理液相摩擦磨损评价提供了平台化方案，其标准化SOP和液相温控能力是该方向方法学可重复性的基础。
沪公网安备31011702892430号