1引 言
随着医学的发展及人口老龄化的加剧，世界上每年都有越来越多的人接受人工关节置换手术。这些人工关节的使用寿命通常只有10-15年，究其主要原因，是由于磨损碎屑引起的假体周围骨溶解[1]，从而引发人工关节的无菌性松动失效所导致。因此，减少人工关节表面的摩擦和磨损是提高人工关节使用寿命的重要途径。
目前临床上应用广泛的人工关节通常由关节头和关节窝两部分组成。关节头一般由不锈钢、钴基合金、钛基合金或陶瓷制成，而用于关节窝的最常用材料是超高分子量聚乙烯（简称UHMWPE），有时也采用金属或陶瓷[2]。
现今，提高人工关节摩擦磨损性能主要采用表面改性和表面涂层的方法[3]。然而，这些方法会将其他物质引入人工关节，这些物质在人体生理环境中的行为还有待进一步验证。另外，添加表面涂层的方法还存在涂层粘结强度的问题。
近年来，表面织构被认为是降低摩擦系数、提高摩擦副承载能力和耐磨性的有效手段 [4,5,6,7]。微坑阵列作为一种典型的织构，在改善摩擦学性能方面作用尤为突出。首先，微坑作为润滑剂的存储池，能够在润滑油膜破裂时提供二次润滑[8]。其次，利用微坑作为微流体动压轴承，可显著提高润滑膜的承载能力[9]。此外，微坑还可以用来捕捉和储存磨损碎屑[4]。
国内外对激光冲击加工工艺进行了大量的研究，ITO 等人[10]通过放电刻蚀的方法在金属股骨头表面加工了微坑，并采用髋关节模拟装置进行了摩擦实验。结果表明，微坑使金属-UHMWPE人工髋关节的摩擦系数降低了30%，UHMWPE磨损降低了69%。Roy等人[11]研究了微凹坑表面纹理在陶瓷人工髋关节假体中的摩擦学效应。使用CNC微钻孔机在陶瓷基板上加工出微坑，结果发现具有大直径（400 mm）和高密度（15%）的微坑表面的摩擦学性能提高显著，减少了22%的摩擦和53%的磨损。 Choudhury等人[12,13]研究了平顶珩磨表面在金属-金属髋关节上摩擦学性能的影响。通过在摩擦模拟装置中进行长时间的运行实验后发现，珩磨织构使静摩擦系数和动摩擦系数分别降低了50%和38%。此外，黏着磨损和疲劳磨损也显著减少。Chyr等人[14]采用激光烧蚀的方法在钴铬合金髋关节上制备了不同密度的微凹坑，通过理论和实验研究发现，微织构增加了关节润滑膜厚度，减少了关节表面接触面积，提高了其摩擦磨损性能。以上研究均成功地在人工关节表面制备了表面织构，改善了其摩擦学性能。然而，这些方法只实现了材料的局部变形，却没有实现表面和亚表面的改性。
激光冲击微造型（LPT）是一种基于激光冲击加工（LSP）的表面织构加工新工艺，其要特点是具有良好的可控性，且环保无污染。同时，LPT利用激光冲击力学效应而非热效应，能有效避免由于热效应导致的残余拉应力[15,16]。此外，LPT的巨大冲击压力能够在材料表面和亚表层产生残余压应力和工作硬化层，从而显著提高材料的疲劳寿命[17]。因此，LPT可以综合实现材料的局部改形和改性。
目前，国内外对LPT的研究较少，其机理尚不清楚。同时，将LPT应用在生物医学领域中以提高人工关节材料的摩擦磨损性能的应用还未见报道。
本文采用LPT的方法在人工关节常用材料316L不锈钢表面制备微坑，研究该工艺在人工关节表面的适用性，并通过数值模拟的手段对工艺机理进行探索。
2 激光冲击微造型
LPT 的原理示意图如图1所示。首先需在试样表面覆盖一层吸收层, 然后施加一层由透明介质材料 (如水、玻璃) 制成的约束层。吸收层的作用是吸收激光能量，避免试样表面因激光直接照射引起的热效应。约束层则限制激光诱导等离子体仅向试样内部传播, 从而产生巨大的冲击压力。激光光束通过一系列反射镜和聚焦透镜照射到试样表面。
在LPT的作用下，微坑的形成过程可分为五个阶段：（1）在吸收高功率密度（）激光之后，吸收层瞬间熔化并汽化，然后形成蒸汽粒子；（2）蒸汽粒子继续吸收激光能量，发生电离形成高温、高密度的等离子体；（3）由于连续吸收高能量的激光，等离子体在远离基材的方向上迅速膨胀；（4）由于约束层的约束效应，离子体的膨胀受到约束，在试样内部形成高能冲击波[18]；（5）当冲击波的压力超过试样的动态屈服强度时，试样表面产生局部塑性变形，并从而形成微坑。从上述过程也可以看出，LPT仅利用激光冲击的力学效应。