人体生物摩擦学的研究现状与展望

发布时间：2016-10-30 17:04

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人体生物摩擦学的研究现状与展望

　　就人体生物摩擦学研究对象而言,相应的摩擦副小至血细胞,大到髋关节,其摩擦磨损对人体健康各有利有弊:其利在于维持人体处于良好舒适的状态;弊则在于对人体产生损害,轻则导致皮肤损伤,重则使人工心脏失效而危及生命.可以将人体生物摩擦学研究对象划分为:骨、关节系统的生物摩擦学,牙、口腔系统的生物摩擦学,心血管系统的生物摩擦学,眼系统的生物摩擦学,皮肤、毛发的生物摩擦学,消化系统的生物摩擦学,呼吸系统的生物摩擦学,肌肉、韧带

等软组织的生物摩擦学,人工滑液的生物摩擦学等,

目前针对关节的摩擦学研究最多,对牙齿、头发、眼睛、皮肤的摩擦学行为的研究较少,而对人工心脏、口腔、血液和人骨的摩擦学行为研究很少.

2　研究现状

2.1　头发

采用原子力显微镜(AFM)观察人发表面,发现人的头发表面具有多孔隙结构(如图1所示).

人体生物摩擦学的研究现状与展望

可以认

(a)Hair

人体生物摩擦学的研究现状与展望

surface(b)Polaritydistribution

图1　人头发表面形貌AFM图像和极性分布

Fig1　AFMimageofhumanhairsurfaceanditspolaritydistribution

为,人发微观表面具有极性,其表面能与表面纳米级形貌分布基本一致;因此,人发的表面摩擦和润滑性能同极性密切相关;烃基液体容易吸附在头发的极性边缘,从而起到良好的润滑作用,而极性液体(例如水和甘油等)不易吸附在头发的极性表面,故其润滑作用较弱[2].鉴于头发的表面形态及摩擦性能对头发的梳理性、顺滑性和美发护发品的适用性具有很大影响,可以认为开展人发生物摩擦学研究是开发高品质护发用品的重要科学基础.2.2　眼睛

人的眼睛是生物流体动力润滑的摩擦学系统.研究表明,眼角膜的厚度约为520Lm,粗糙度Ra处于0.5Lm;眼泪薄膜的粘度约为0.0013Pa s,膜厚约为15Lm;眨眼速度为7～15cm/s,眼睑对眼球的压载荷为200～250mN.眼球表面可以形成流体动力润滑,在眨眼时出现高剪切率(15000s-1)、低剪切应力,相应的摩擦系数约为0.005.

目前广泛使用的隐形眼镜大多采用亲水性的聚甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA),它与水接触后变软.作为放置在角膜上的异物,隐形眼镜在每次眨眼时都会与眼球表面产生摩擦,同时镜片覆盖在角膜表面,使角膜难于从空气中吸取氧气,因此长时间连续佩戴隐

形眼镜会使角膜处于缺氧状态,引起角膜上皮水肿、糜烂.图2示出了采用UMT型摩擦磨损试验机测定的隐形眼镜的摩擦系数曲线[3].可以看出,人造隐形眼镜的摩擦系数在0.04～0.20之间波动,是天生眼睛摩擦系数的10倍以上.因此,研究眼睛的生物摩擦学行为,为研制超滑亲水透明材料,对发展舒适且可长期佩戴的隐形眼镜具有重要的指导意义.2.3　皮肤

人体皮肤具有新陈代谢的特性,在摩擦过程中具有自我适应和自我修复能力.在日常生活中,皮肤的擦伤起泡、皮肤与衣服接触摩擦的舒适性等都是皮肤摩擦学现象;在康复医疗中,脊柱和颈椎的矫形支架和皮肤的摩擦、假肢接收腔和残肢之间的摩擦等也属于皮肤摩擦学问题.因此,控制皮肤摩擦是降低手脚摩擦损伤、提高衣着舒适性和假肢适用性以及开发高品质护肤品的重要基础.

人体皮肤的摩擦特性不仅取决于皮肤自身、纹理结构、柔软度和光滑度、干燥度或含油程度等,还取决于与其接触的界面环境,包括皮肤接触界面的微气候及湿度、擦动条件、皮肤组织的反应等.Gitis等测试了手臂皮肤的摩擦性能,发现手臂表皮的摩擦系数在0.40～0.60之间,其差异源自手臂测量位置的不同,

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