碳纖維增強聚醚醚酮(CF/PEEK)復合材料具有優異的生物相容性、生物力學及生物摩擦學性能,有望成為人工關節替換材料。本文闡述了潤滑介質、增強體的表面改性、功能性粒子填充、摩擦副材料及摩擦運動方式等因素對CF/PEEK復合材料生物摩擦磨損性能的影響,指出今后應加強對多因素協同作用下CF/PEEK復合材料磨損機制與潤滑機制的研究。
引用本文： 陳艷, 潘育松. 碳纖維增強聚醚醚酮復合材料生物摩擦學研究進展. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(6): 1405-1408,1418. doi: 10.7507/1001-5515.20140266 復制
引言
由外傷、骨性腫瘤及風濕性關節炎導致關節的損傷和缺損是骨科常見疾病。人工關節置換是解決關節損傷和缺損、恢復患者運動功能、改善生活質量的有效途徑。目前，人工關節多為金屬、陶瓷和超高分子量聚乙烯等硬質材料[1]。傳統硬質人工關節雖具有生物相容性好、強度大、剛性強、磨損小等諸多優點，但金屬和陶瓷與自然骨的模量不匹配，易產生無菌松動；同時，金屬與體液易形成電極，發生電解，產生對自然組織有毒性的金屬離子；陶瓷人工關節由于陶瓷脆性大，在生理沖擊載荷作用下易于折斷。此外，已有眾多研究表明UHMWPE產生的磨粒會誘導假體周圍骨質溶解[2]。
因此，尋求與自然骨力學性能及生物摩擦學特性相近的人工關節是目前新型人工關節材料的研究熱點。近年來，聚醚醚酮(poly ether ether ketone,PEEK)優良的生物力學和生物摩擦學性能備受科研工作者的關注，作為生物醫用材料已在整形外科、椎間盤融合器和接骨板等醫學領域得到廣泛應用。但PEEK作為人工關節材料使用時，其生物力學和生物摩擦學性能有待進一步提高。眾所周知，通過在基體材料中引入第二相的復合化技術是實現單一材料性能改善的有效途徑之一。眾多研究均顯示碳纖維(carbon fiber,CF)增強聚醚醚酮(CF/PEEK)復合材料的高強度、低彈性模量(與骨接近)的優點讓其脫穎而出[3-4]，尤為值得注意的是CF/PEEK復合材料具有優良的生物摩擦學特性，有望成為髖關節假體的新一代人工關節置換材料。本文對目前CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能研究進展進行綜合評述。
1 CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能
材料的摩擦磨損性能的影響因素眾多。CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能不僅與增強體(CF)和基體(PEEK)的自身特性緊密相關，還與潤滑狀態、摩擦配副材料及摩擦運動方式等因素密切相關。
1.1 潤滑狀態
由于不同的潤滑介質具有不同的化學組成及獨特的物理特性，因而可對CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能產生不同的影響。
賈均紅等[5]利用銷-盤摩擦試驗機分別考察了CF/PEEK復合材料在干摩擦和水潤滑狀態下的生物摩擦學性能。結果顯示CF/PEEK復合材料在干摩擦下的摩擦系數和磨損率均隨載荷的增加而下降，復合材料的磨損機制以粘著磨損和磨粒磨損為主；在水潤滑狀態下，載荷對CF/PEEK復合材料摩擦系數的影響不大，磨損率則隨載荷的增加呈上升的變化趨勢，此時復合材料的磨損機制以輕微磨粒磨損為主。賈均紅等[5]還研究了CF/PEEK復合材料在干摩擦和水環境下的微動摩擦學性能。結果表明：在干摩擦條件下，磨損率隨著載荷及滑動速度的增加而增大；在水潤滑條件下，CF/PEEK復合材料的磨損率隨載荷的增大逐漸增加，隨滑動速度的增加呈下降的變化趨勢。這主要是因為隨著載荷的增大，邊界潤滑膜厚度下降，潤滑性能下降，從而導致復合材料在兩種狀態下磨損率均不斷上升。反之，根據彈性流體潤滑理論可知，在水潤滑的作用下，滑動速度的增加使得水的潤滑膜厚度增加，從而使得潤滑性能得到有效改善，最終導致磨損率不斷降低。吳欣鑫[6]利用銷-盤式摩擦試驗機系統研究了CF/PEEK復合材料在蒸餾水、生理鹽水和小牛血清潤滑介質下與CoCrMo合金對磨時的摩擦磨損性能。結果表明：小牛血清潤滑性能最優，生理鹽水次之，蒸餾水最差。由于在摩擦磨損的過程中，小牛血清中的蛋白質分子在CoCrMo合金配副表面易形成吸附膜，減少了摩擦試樣與CoCrMo合金配副的直接接觸，從而降低了復合材料的摩擦系數。
1.2 增強體表面改性
由于CF表面活性低，當其與PEEK基體結合時，二者之間的結合強度較弱，進而對CF/PEEK復合材料生物摩擦學性能產生不利影響。因此，對CF進行表面改性處理可有效提高纖維與基體間的界面結合力，從而改善CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能。
Sharma等[7-9]研究了經氮氧等離子體處理的CF(67~68 wt%)增強PEEK復合材料的生物摩擦學性能。結果表明經表面處理后的CF/PEEK復合材料具有優良的摩擦磨損性能。CF/PEEK復合材料的摩擦系數從改性處理前的0.32下降至處理后的0.21，磨損率則從1.4×10-15 m3/(N·m)降到1×10-15 m3/(N·m)。魏佳順等[10]研究了CF分別經丙酮、磺化PEEK接枝、常溫濃硝酸處理、高溫水浴濃硝酸處理、常溫混酸(硝酸+濃硫酸)超聲等5種處理后的表面形態及對復合材料摩擦學性能的影響。結果顯示常溫混酸超聲處理的CF表面有明顯的刻蝕痕跡，溝槽數量明顯增加，導致比表面積增大，表面活化能增高，有利于樹脂基體在其表面的潤濕和鋪展，用其制備的CF/PEEK復合材料的摩擦磨損性能最佳；摩擦磨損性能由高到低依次是常溫混酸超聲處理、高溫水浴濃硝酸處理、常溫濃硝酸處理、磺化PEEK接枝和丙酮處理。Sharma等[11]探討了經臭氧處理后CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能。纖維拔出實驗的結果顯示經臭氧處理后的CF/PEEK復合材料的摩擦磨損性能提高了60%。這主要是由于臭氧處理增加了CF表面的羧基含量，從而增加了CF與PEEK的界面結合力，顯著改善了復合材料的摩擦磨損性能。
1.3 粒子填充改性
通過在CF/PEEK復合材料中加入功能性固體粒子，可有效改善CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能。目前廣泛用于改善CF/PEEK復合材料生物摩擦學性能的功能性固體粒子主要有自潤滑固體粒子及剛性陶瓷粒子兩大類[12]。自潤滑固體粒子的加入可有效降低摩擦配副表面間的摩擦力及其它形式的表面破壞作用，從而起到減摩抗磨的效果；而剛性陶瓷顆粒的加入主要是通過CF/PEEK復合材料硬度的提高來改善復合材料的抗磨損性能。
Li等[13-14]考察了CF/PEEK復合材料中多壁碳納米管對其生物摩擦學性能的影響。結果顯示多壁碳納米管的加入增強了CF與PEEK的界面結合，從而顯著改善了復合材料的耐磨性。Theiler等[15]探討了在高真空條件下MoS2粒子對CF/PEEK復合材料生物摩擦學性能的影響，結果表明：在較低的溫度范圍和較高載荷下，摩擦學性能隨著MoS2含量的增加而提高。
Xie研究小組[16-17]研究了在CF/PEEK復合材料中加入ZrO2粒子的生物摩擦學性能。結果顯示ZrO2/CF/PEEK復合材料在水潤滑下具有優良的摩擦磨損性能；載荷對復合材料摩擦系數的影響甚微；磨損率則隨載荷的增加而下降。復合材料的磨損機制主要是磨粒磨損和疲勞磨損。這主要是因為ZrO2粒子抑制了碳纖維的破壞，顯著改善了復合材料的生物摩擦學性能。Zhang等[18]探討了CF/PEEK復合材料中納米SiO2對其摩擦磨損性能的影響。結果發現：納米SiO2粒子對CF/PEEK復合材料抗磨減摩的效果與載荷密切相關。當壓力高于2 MPa時，納米SiO2增加了CF與PEEK的界面結合，有效地降低磨損率；但當壓力小于1 MPa時，納米SiO2加速了CF的破壞，反而導致復合材料的磨損率增加。鐘瑩潔等[19]研究了在水潤滑條件下ZrO2顆粒及碳纖維共混增強聚醚醚酮復合材料的生物摩擦學性能。結果表明：ZrO2顆粒的加入使其摩擦磨損性能得到了提高，摩擦系數從0.015降到0.01，磨損率從2.4×10-8 mm3/(N·m)降到1.95×10-8 mm3/(N·m)。ZrO2顆粒有效抑制了摩擦過程中碳纖維的破損與脫落，但過多顆粒的加入會加劇復合材料的疲勞磨損，從而降低材料的耐磨性。還有研究者[20-22]通過銷盤式摩擦磨損實驗機探討了鈦酸鉀晶須在水潤滑下對CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能的影響。結果表明：碳酸鉀晶須/CF/PEEK復合材料具有優異的摩擦學性能，高耐磨性和低磨損率。這是由于CF承擔了摩擦表面大部分載荷，碳酸鉀晶須的加入抑制了CF的損傷，并且降低了CF與PEEK界面的應力集中，從而阻止了裂紋的擴展，顯著改善了復合材料的摩擦磨損性能。
雖然在CF/PEEK復合材料中加入功能性粒子可有效提高復合材料的摩擦磨損性能，但粒子的選擇性有一定的限制，同時CF/PEEK復合材料的應用環境和加入量等影響因素也需進一步研究。
1.4 摩擦副材料
摩擦磨損產生的本質是由兩種材料表面的相對運動而產生的摩擦力。因此，材料摩擦磨損性能的優劣不僅與自身性能密切相關，還與摩擦對偶件的性能也將對材料的摩擦磨損性能產生重要的影響。
賈慶衛等[23]系統研究了CF/PEEK復合材料分別與陶瓷、CoCrMo合金、Ti和UHMWPE對磨時的生物摩擦學性能，并與傳統人工關節材料超高分子量聚乙烯(ultra high molecular weight polyethy lene,UHMWPE)的耐磨損性能進行比較。結果表明，在干摩擦和濕摩擦條件下，CF/PEEK復合材料的耐磨損性能均明顯優于UHMWPE，CF/PEEK的體積磨損率僅為UHWMPE的1/2；CF/PEEK與CoCrMo合金對磨時產生的磨屑最少，且摩擦系數最低。磨損表面形貌觀察發現CF/PEEK復合材料與陶瓷在潤滑劑條件下磨損表面比較光滑，磨痕細小，并且CF與基體結合良好，無纖維抽出現象；而UHMWPE的磨損表面存在深且寬的磨痕，并且還有大量的磨屑。唐國群等[24]通過環-環端面接觸的摩擦試驗機對鋁青銅QAl9-4和CF/PEEK在水潤滑和干摩擦條件下的摩擦磨損性能進行了試驗研究。結果表明：水潤滑條件下，材料的磨損率隨滑動速度增加而下降，隨載荷的增加呈上升趨勢；在干摩擦條件下，摩擦系數和磨損量均高于水潤滑條件下的摩擦系數和磨損量，且摩擦系數不穩定。水潤滑條件下復合材料的摩擦磨損性能明顯優于干摩擦。唐群國等[25]考察了ZrO2作為摩擦副材料時對CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能的影響變化規律。結果顯示摩擦系數隨滑動速度的降低而減小，磨損率隨載荷的增加而增大；而載荷對摩擦系數及滑動速度對磨損率的影響甚微。Tang等[26]研究了Si3N4作為摩擦副材料時對CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能的影響，結果表明：壓力保持恒定，當滑動速度低于3 m/s時，摩擦系數隨著滑速的增加而減小，當滑動速度高于3 m/s時，摩擦系數隨著滑速的增加而增大。
1.5 摩擦運動方式
摩擦運動方式的不同將會導致CF/PEEK復合材料抗磨減摩的能力有所差異。
Almajid等[27]分別考察了在滾動和滑動條件下的碳纖維的取向對CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能的影響變化規律。結果顯示在滾動條件下，當摩擦運動方向與CF取向平行時，復合材料摩擦磨損性能最佳；在滑動狀態下，當摩擦運動方向與CF取向是非平行和非垂直時，復合材料的摩擦磨損性能最優。Zhang等[28]探討了壓力在1~5 MPa范圍內，纖維取向對CF/PTFE/石墨增強聚醚醚酮復合材料的摩擦磨損性能的影響變化規律。結果表明：當摩擦運動方向與纖維垂直時摩擦系數較低。但運動方向的影響對壓力依賴性強，在較低的壓力下(1~2 MPa)，摩擦運動方向對磨損率的影響甚微；在較高的壓力下(3~5 MPa)，當摩擦運動方向與纖維垂直時，復合材料耐磨性最佳。Grupp等[29]利用關節模擬試驗機模擬小鼠的膝關節運動來評價CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能，并與PE的耐磨性進行了比較。結果顯示PE的平均磨損率為(9±2.5)mm3/106圈，而CF/PEEK復合材料的平均磨損率為(4.2±2.6)mm3/106圈，生物相容性試驗顯示二者與小鼠細胞接觸均無炎癥反應。Schroeder等[30]通過往復式磨損試驗機比較了PEEK、CF/PEEK和PTFE/CF/PEEK摩擦磨損性能。結果顯示PEEK具有較低的耐磨性和抗損傷性；CF/PEEK復合材料具有較低的抗損傷性，在較高的滑動速度下擁有良好的耐磨性；PTFE/CF/PEEK復合材料的摩擦系數急劇下降，同時具有較高的耐磨性和抗損傷性。
2 結語
摩擦磨損性能的優劣是評價人工關節材料的重要指標。雖然許多學者從材料自身的特性、潤滑介質、摩擦配副及運動方式等諸多方面對CF/PEEK復合材料的生物摩擦磨損性能進行了系統研究，但距CF/PEEK復合材料作為人工關節置換材料在臨床上的應用還有一定的距離，尚有諸多問題亟待解決。我們認為今后應重視以下三個方面的研究：
(1)雖然目前對CF/PEEK生物摩擦學性能研究眾多，但大多是在單一因素條件下研究其生物摩擦學性能，而很少考慮因素間的協同作用效應。因此，應加強CF/PEEK復合材料在多因素協同作用下的摩擦磨損與潤滑機制的研究。
(2)人體關節具有復雜的潤滑系統，目前對CF/PEEK復合材料生物摩擦學性能的評價大多以干摩擦、水潤滑、生理鹽水、小牛血清及模擬體液等簡單的潤滑介質為基礎，這與真實關節的潤滑系統相差甚遠。因此，對CF/PEEK復合材料在更加接近人體潤滑體系下生物摩擦學性能的評價是今后研究的一個重點方向。
(3)目前對CF/PEEK復合材料生物摩擦學性能的評價裝置多為銷(盤)-盤式摩擦磨損試驗機。但關節是一個復雜的運動系統，銷(盤)-盤式摩擦磨損實驗裝置很難模擬自然關節的真實運動狀態，其摩擦磨損試驗的數據難以作為人工關節設計的依據。因此，今后應著重研究CF/PEEK復合材料在更加接近人體關節運動的關節模擬器上的摩擦磨損性能，為其作為人工關節材料的設計提供理論基礎和實驗依據。
引言
由外傷、骨性腫瘤及風濕性關節炎導致關節的損傷和缺損是骨科常見疾病。人工關節置換是解決關節損傷和缺損、恢復患者運動功能、改善生活質量的有效途徑。目前，人工關節多為金屬、陶瓷和超高分子量聚乙烯等硬質材料[1]。傳統硬質人工關節雖具有生物相容性好、強度大、剛性強、磨損小等諸多優點，但金屬和陶瓷與自然骨的模量不匹配，易產生無菌松動；同時，金屬與體液易形成電極，發生電解，產生對自然組織有毒性的金屬離子；陶瓷人工關節由于陶瓷脆性大，在生理沖擊載荷作用下易于折斷。此外，已有眾多研究表明UHMWPE產生的磨粒會誘導假體周圍骨質溶解[2]。
因此，尋求與自然骨力學性能及生物摩擦學特性相近的人工關節是目前新型人工關節材料的研究熱點。近年來，聚醚醚酮(poly ether ether ketone,PEEK)優良的生物力學和生物摩擦學性能備受科研工作者的關注，作為生物醫用材料已在整形外科、椎間盤融合器和接骨板等醫學領域得到廣泛應用。但PEEK作為人工關節材料使用時，其生物力學和生物摩擦學性能有待進一步提高。眾所周知，通過在基體材料中引入第二相的復合化技術是實現單一材料性能改善的有效途徑之一。眾多研究均顯示碳纖維(carbon fiber,CF)增強聚醚醚酮(CF/PEEK)復合材料的高強度、低彈性模量(與骨接近)的優點讓其脫穎而出[3-4]，尤為值得注意的是CF/PEEK復合材料具有優良的生物摩擦學特性，有望成為髖關節假體的新一代人工關節置換材料。本文對目前CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能研究進展進行綜合評述。
1 CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能
材料的摩擦磨損性能的影響因素眾多。CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能不僅與增強體(CF)和基體(PEEK)的自身特性緊密相關，還與潤滑狀態、摩擦配副材料及摩擦運動方式等因素密切相關。
1.1 潤滑狀態
由于不同的潤滑介質具有不同的化學組成及獨特的物理特性，因而可對CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能產生不同的影響。
賈均紅等[5]利用銷-盤摩擦試驗機分別考察了CF/PEEK復合材料在干摩擦和水潤滑狀態下的生物摩擦學性能。結果顯示CF/PEEK復合材料在干摩擦下的摩擦系數和磨損率均隨載荷的增加而下降，復合材料的磨損機制以粘著磨損和磨粒磨損為主；在水潤滑狀態下，載荷對CF/PEEK復合材料摩擦系數的影響不大，磨損率則隨載荷的增加呈上升的變化趨勢，此時復合材料的磨損機制以輕微磨粒磨損為主。賈均紅等[5]還研究了CF/PEEK復合材料在干摩擦和水環境下的微動摩擦學性能。結果表明：在干摩擦條件下，磨損率隨著載荷及滑動速度的增加而增大；在水潤滑條件下，CF/PEEK復合材料的磨損率隨載荷的增大逐漸增加，隨滑動速度的增加呈下降的變化趨勢。這主要是因為隨著載荷的增大，邊界潤滑膜厚度下降，潤滑性能下降，從而導致復合材料在兩種狀態下磨損率均不斷上升。反之，根據彈性流體潤滑理論可知，在水潤滑的作用下，滑動速度的增加使得水的潤滑膜厚度增加，從而使得潤滑性能得到有效改善，最終導致磨損率不斷降低。吳欣鑫[6]利用銷-盤式摩擦試驗機系統研究了CF/PEEK復合材料在蒸餾水、生理鹽水和小牛血清潤滑介質下與CoCrMo合金對磨時的摩擦磨損性能。結果表明：小牛血清潤滑性能最優，生理鹽水次之，蒸餾水最差。由于在摩擦磨損的過程中，小牛血清中的蛋白質分子在CoCrMo合金配副表面易形成吸附膜，減少了摩擦試樣與CoCrMo合金配副的直接接觸，從而降低了復合材料的摩擦系數。
1.2 增強體表面改性
由于CF表面活性低，當其與PEEK基體結合時，二者之間的結合強度較弱，進而對CF/PEEK復合材料生物摩擦學性能產生不利影響。因此，對CF進行表面改性處理可有效提高纖維與基體間的界面結合力，從而改善CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能。
Sharma等[7-9]研究了經氮氧等離子體處理的CF(67~68 wt%)增強PEEK復合材料的生物摩擦學性能。結果表明經表面處理后的CF/PEEK復合材料具有優良的摩擦磨損性能。CF/PEEK復合材料的摩擦系數從改性處理前的0.32下降至處理后的0.21，磨損率則從1.4×10-15 m3/(N·m)降到1×10-15 m3/(N·m)。魏佳順等[10]研究了CF分別經丙酮、磺化PEEK接枝、常溫濃硝酸處理、高溫水浴濃硝酸處理、常溫混酸(硝酸+濃硫酸)超聲等5種處理后的表面形態及對復合材料摩擦學性能的影響。結果顯示常溫混酸超聲處理的CF表面有明顯的刻蝕痕跡，溝槽數量明顯增加，導致比表面積增大，表面活化能增高，有利于樹脂基體在其表面的潤濕和鋪展，用其制備的CF/PEEK復合材料的摩擦磨損性能最佳；摩擦磨損性能由高到低依次是常溫混酸超聲處理、高溫水浴濃硝酸處理、常溫濃硝酸處理、磺化PEEK接枝和丙酮處理。Sharma等[11]探討了經臭氧處理后CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能。纖維拔出實驗的結果顯示經臭氧處理后的CF/PEEK復合材料的摩擦磨損性能提高了60%。這主要是由于臭氧處理增加了CF表面的羧基含量，從而增加了CF與PEEK的界面結合力，顯著改善了復合材料的摩擦磨損性能。
1.3 粒子填充改性
通過在CF/PEEK復合材料中加入功能性固體粒子，可有效改善CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能。目前廣泛用于改善CF/PEEK復合材料生物摩擦學性能的功能性固體粒子主要有自潤滑固體粒子及剛性陶瓷粒子兩大類[12]。自潤滑固體粒子的加入可有效降低摩擦配副表面間的摩擦力及其它形式的表面破壞作用，從而起到減摩抗磨的效果；而剛性陶瓷顆粒的加入主要是通過CF/PEEK復合材料硬度的提高來改善復合材料的抗磨損性能。
Li等[13-14]考察了CF/PEEK復合材料中多壁碳納米管對其生物摩擦學性能的影響。結果顯示多壁碳納米管的加入增強了CF與PEEK的界面結合，從而顯著改善了復合材料的耐磨性。Theiler等[15]探討了在高真空條件下MoS2粒子對CF/PEEK復合材料生物摩擦學性能的影響，結果表明：在較低的溫度范圍和較高載荷下，摩擦學性能隨著MoS2含量的增加而提高。
Xie研究小組[16-17]研究了在CF/PEEK復合材料中加入ZrO2粒子的生物摩擦學性能。結果顯示ZrO2/CF/PEEK復合材料在水潤滑下具有優良的摩擦磨損性能；載荷對復合材料摩擦系數的影響甚微；磨損率則隨載荷的增加而下降。復合材料的磨損機制主要是磨粒磨損和疲勞磨損。這主要是因為ZrO2粒子抑制了碳纖維的破壞，顯著改善了復合材料的生物摩擦學性能。Zhang等[18]探討了CF/PEEK復合材料中納米SiO2對其摩擦磨損性能的影響。結果發現：納米SiO2粒子對CF/PEEK復合材料抗磨減摩的效果與載荷密切相關。當壓力高于2 MPa時，納米SiO2增加了CF與PEEK的界面結合，有效地降低磨損率；但當壓力小于1 MPa時，納米SiO2加速了CF的破壞，反而導致復合材料的磨損率增加。鐘瑩潔等[19]研究了在水潤滑條件下ZrO2顆粒及碳纖維共混增強聚醚醚酮復合材料的生物摩擦學性能。結果表明：ZrO2顆粒的加入使其摩擦磨損性能得到了提高，摩擦系數從0.015降到0.01，磨損率從2.4×10-8 mm3/(N·m)降到1.95×10-8 mm3/(N·m)。ZrO2顆粒有效抑制了摩擦過程中碳纖維的破損與脫落，但過多顆粒的加入會加劇復合材料的疲勞磨損，從而降低材料的耐磨性。還有研究者[20-22]通過銷盤式摩擦磨損實驗機探討了鈦酸鉀晶須在水潤滑下對CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能的影響。結果表明：碳酸鉀晶須/CF/PEEK復合材料具有優異的摩擦學性能，高耐磨性和低磨損率。這是由于CF承擔了摩擦表面大部分載荷，碳酸鉀晶須的加入抑制了CF的損傷，并且降低了CF與PEEK界面的應力集中，從而阻止了裂紋的擴展，顯著改善了復合材料的摩擦磨損性能。
雖然在CF/PEEK復合材料中加入功能性粒子可有效提高復合材料的摩擦磨損性能，但粒子的選擇性有一定的限制，同時CF/PEEK復合材料的應用環境和加入量等影響因素也需進一步研究。
1.4 摩擦副材料
摩擦磨損產生的本質是由兩種材料表面的相對運動而產生的摩擦力。因此，材料摩擦磨損性能的優劣不僅與自身性能密切相關，還與摩擦對偶件的性能也將對材料的摩擦磨損性能產生重要的影響。
賈慶衛等[23]系統研究了CF/PEEK復合材料分別與陶瓷、CoCrMo合金、Ti和UHMWPE對磨時的生物摩擦學性能，并與傳統人工關節材料超高分子量聚乙烯(ultra high molecular weight polyethy lene,UHMWPE)的耐磨損性能進行比較。結果表明，在干摩擦和濕摩擦條件下，CF/PEEK復合材料的耐磨損性能均明顯優于UHMWPE，CF/PEEK的體積磨損率僅為UHWMPE的1/2；CF/PEEK與CoCrMo合金對磨時產生的磨屑最少，且摩擦系數最低。磨損表面形貌觀察發現CF/PEEK復合材料與陶瓷在潤滑劑條件下磨損表面比較光滑，磨痕細小，并且CF與基體結合良好，無纖維抽出現象；而UHMWPE的磨損表面存在深且寬的磨痕，并且還有大量的磨屑。唐國群等[24]通過環-環端面接觸的摩擦試驗機對鋁青銅QAl9-4和CF/PEEK在水潤滑和干摩擦條件下的摩擦磨損性能進行了試驗研究。結果表明：水潤滑條件下，材料的磨損率隨滑動速度增加而下降，隨載荷的增加呈上升趨勢；在干摩擦條件下，摩擦系數和磨損量均高于水潤滑條件下的摩擦系數和磨損量，且摩擦系數不穩定。水潤滑條件下復合材料的摩擦磨損性能明顯優于干摩擦。唐群國等[25]考察了ZrO2作為摩擦副材料時對CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能的影響變化規律。結果顯示摩擦系數隨滑動速度的降低而減小，磨損率隨載荷的增加而增大；而載荷對摩擦系數及滑動速度對磨損率的影響甚微。Tang等[26]研究了Si3N4作為摩擦副材料時對CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能的影響，結果表明：壓力保持恒定，當滑動速度低于3 m/s時，摩擦系數隨著滑速的增加而減小，當滑動速度高于3 m/s時，摩擦系數隨著滑速的增加而增大。
1.5 摩擦運動方式
摩擦運動方式的不同將會導致CF/PEEK復合材料抗磨減摩的能力有所差異。
Almajid等[27]分別考察了在滾動和滑動條件下的碳纖維的取向對CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能的影響變化規律。結果顯示在滾動條件下，當摩擦運動方向與CF取向平行時，復合材料摩擦磨損性能最佳；在滑動狀態下，當摩擦運動方向與CF取向是非平行和非垂直時，復合材料的摩擦磨損性能最優。Zhang等[28]探討了壓力在1~5 MPa范圍內，纖維取向對CF/PTFE/石墨增強聚醚醚酮復合材料的摩擦磨損性能的影響變化規律。結果表明：當摩擦運動方向與纖維垂直時摩擦系數較低。但運動方向的影響對壓力依賴性強，在較低的壓力下(1~2 MPa)，摩擦運動方向對磨損率的影響甚微；在較高的壓力下(3~5 MPa)，當摩擦運動方向與纖維垂直時，復合材料耐磨性最佳。Grupp等[29]利用關節模擬試驗機模擬小鼠的膝關節運動來評價CF/PEEK復合材料的生物摩擦學性能，并與PE的耐磨性進行了比較。結果顯示PE的平均磨損率為(9±2.5)mm3/106圈，而CF/PEEK復合材料的平均磨損率為(4.2±2.6)mm3/106圈，生物相容性試驗顯示二者與小鼠細胞接觸均無炎癥反應。Schroeder等[30]通過往復式磨損試驗機比較了PEEK、CF/PEEK和PTFE/CF/PEEK摩擦磨損性能。結果顯示PEEK具有較低的耐磨性和抗損傷性；CF/PEEK復合材料具有較低的抗損傷性，在較高的滑動速度下擁有良好的耐磨性；PTFE/CF/PEEK復合材料的摩擦系數急劇下降，同時具有較高的耐磨性和抗損傷性。
2 結語
摩擦磨損性能的優劣是評價人工關節材料的重要指標。雖然許多學者從材料自身的特性、潤滑介質、摩擦配副及運動方式等諸多方面對CF/PEEK復合材料的生物摩擦磨損性能進行了系統研究，但距CF/PEEK復合材料作為人工關節置換材料在臨床上的應用還有一定的距離，尚有諸多問題亟待解決。我們認為今后應重視以下三個方面的研究：
(1)雖然目前對CF/PEEK生物摩擦學性能研究眾多，但大多是在單一因素條件下研究其生物摩擦學性能，而很少考慮因素間的協同作用效應。因此，應加強CF/PEEK復合材料在多因素協同作用下的摩擦磨損與潤滑機制的研究。
(2)人體關節具有復雜的潤滑系統，目前對CF/PEEK復合材料生物摩擦學性能的評價大多以干摩擦、水潤滑、生理鹽水、小牛血清及模擬體液等簡單的潤滑介質為基礎，這與真實關節的潤滑系統相差甚遠。因此，對CF/PEEK復合材料在更加接近人體潤滑體系下生物摩擦學性能的評價是今后研究的一個重點方向。
(3)目前對CF/PEEK復合材料生物摩擦學性能的評價裝置多為銷(盤)-盤式摩擦磨損試驗機。但關節是一個復雜的運動系統，銷(盤)-盤式摩擦磨損實驗裝置很難模擬自然關節的真實運動狀態，其摩擦磨損試驗的數據難以作為人工關節設計的依據。因此，今后應著重研究CF/PEEK復合材料在更加接近人體關節運動的關節模擬器上的摩擦磨損性能，為其作為人工關節材料的設計提供理論基礎和實驗依據。