滑膜关节的活动度较大，其承载负荷的范围也很大，但是在正常情况下，关节软骨很少被磨损和撕裂。这就需要滑膜关节具有非常有效的润滑机制以防止关节软骨的磨损。滑膜关节内的滑液、关节软骨和支撑它的骨组织以及关节内软骨等就构成了一种光滑和几乎没有摩擦的身体支撑系统。本节主要介绍滑膜关节的生物摩擦学。摩擦学是研究相对滑动的接触面间的摩擦、润滑和磨损现象的学科。生物摩擦学是摩擦学的一个分支学科，主要研究滑膜关节的摩擦、润滑和磨损现象。它作为一个热点领域已有超过50年的历史。人们已对滑膜关节的摩擦特性、关节软骨的磨损特性做了精确、细致的测试。研究表明，机体内关节软骨的磨损不同于机械磨损，它是机体新陈代谢和机械耗损的动态平衡。

从工程学观点看，存在有两种基本的润滑模式：液膜润滑（fluid lubrication）和界面润滑（boundary lubrication）。关节滑液嵌在滑动的关节软骨之间，既可以发生液膜润滑，又可以产生界面润滑，或者两个润滑机制同时发挥作用。一般认为这两种润滑模式可以解释在特定载荷和运动状态下关节的摩擦和磨损现象。

液膜润滑有多种不同的形式，如流体动力润滑、弹性流体动力润滑、压渗润滑、流体静力润滑等。液膜润滑的润滑剂是关节滑液。滑液的非牛顿特性，特别是剪切稀化现象，有助于增加其承载能力，增加承载面积，以及延长液膜挤出时间。纯液膜润滑的摩擦系数较低，为0.001～0.01之间。

在液膜润滑时，较厚的滑液膜使两个承载面之间产生较大的间隙，两个承载面完全被滑液膜分隔开，运动的阻力产生于液体的黏滞性。这层液膜的压力可支持承载面上的负荷。当承载面之间无相互滑动时，这种压力可由外部提供的压力所产生，称之为流体静力润滑（hydrostatic lubrication）。当承载面间相对滑动时，当滑动速度和润滑液黏滞度足够大，以至于产生足以支撑所受负荷的薄层液膜时，就发生了流体动力润滑（hydrodynamic lubrication）（图3-6）。在工程学上流体动力润滑一般发生在高速度、低负荷的情况下。此时，由于承载面之间不直接接触，实际不会发生磨损。

两个具有顺应性的关节软骨面相对滑动时，软骨表面会发生弹性变形。这将使关节负荷分布在更大的区域，并减小两个面之间的剪切率，滑液的黏滞度将增大。所有这些将增大液膜承载能力，降低软骨内应力。这种既有滑液黏滞性阻力，又有承载面弹性变形的润滑模式，在工程上称为弹性流体动力润滑（elastohydrodynamic lubrication）。弹性流体动力润滑有助于降低关节内的摩擦系数，负荷面的弹性变形有助于负荷面的边缘打褶，使滑液保留在即将承载负荷的接触带。

如果承载面之间做相互垂直的运动，滑液就会从两个承载面之间的间隙中被挤出。由于滑液不可能瞬间被挤出，而且滑液的非牛顿特性也将延长其被挤出的时间，所以在滑液被挤出承载面时的摩擦阻力使滑液的压力增高，此时形成的液膜压力能在短期内承受很高的负荷。这种润滑机制在于自身压迫的流体静力现象，又叫做压渗润滑（weeping lubrication）（图3-7）。这种挤压液膜的润滑过程虽然不能长期地支持负荷，但这个机制却足以在短期内承受很高的负荷。在下肢关节的周期性运动中，压渗润滑将与流体动力润滑和弹性流体动力润滑方式联合起作用。例如在行走摆动相时流体动力润滑起作用，紧接着在脚跟触地时，压渗润滑起作用。

关节软骨受压发生变形时，软骨基质内的液体渗出到关节间隙，充当关节润滑剂，与原来的滑液共同形成压力液膜。当压力去除后，这些液体又流回软骨内。这种机制称为渗出式润滑（图3-8），又称为自压流体静力润滑（self-pressure hydrostatic lubrication）。

界面润滑是依靠黏附于接触体表面的单层润滑分子进行的。在滑膜关节中，滑液中的糖蛋白分子黏附在两个相向的关节面上，形成一界面层，这种斥水性单层大分子物质的功能就像一层地毯，能为软骨表面提供缓冲作用，并防止因软骨表面不光滑而发生粘连和研磨（图3-9）。它的厚度介于1～100nm之间，能够承载和减少摩擦。典型的界面摩擦系数为0.05～0.15之间，但是当负荷过量时，这种功能即停止。当关节承受负荷时，液膜润滑和界面润滑会同时起作用。

关节软骨的磨损可分为两种类型：一是承载面之间相互作用引起的界面磨损；一是承载体变形引起的疲劳性磨损。疲劳性磨损是由于关节的反复的周期性承载的负荷导致软骨的周期性应力应变所导致的，是由软骨反复受压后产生的微小损伤累积而成。在关节负重时，整个关节软骨面的受力并非均匀一致。由于关节面是连续的，在关节软骨一处受压，另一处不受压时，这两处之间的连接组织就会受到牵张拉力，这样负荷区的边缘就会产生张应力。尽管关节软骨内的胶原纤维对抗拉力的能力比较强，但是在长期承受反复的周期性张力和拉力时，胶原网状结构也可发生断裂。一般认为，承受负荷较轻，但周期性负荷时间长时，就可发生疲劳性断裂。如果损伤速度超过软骨细胞使组织再生的速度时，这种微损伤的累积现象就会发生，就会导致软骨组织的破坏。疲劳性磨损程度与承载负荷的频率、大小和本体材料的特性有关。

界面磨损是承载面之间固―固接触所产生的一种磨损。界面磨损有两种基本类型：第一种是黏附性磨损，最常见。当两个相向面接触并发生接合时，就会发生这种磨损。如果这种接合强于承载材料表面物质自身的凝聚力时，较弱的一侧材料碎片就会被撕脱并粘在较强的材料上。另一种磨损是擦伤式磨损。当软质材料与相比起来较硬的材料摩擦时，就会发生这种磨损。此时，硬质材料表面的微粗粒将切入软质材料内，导致擦伤式磨损。此硬质材料要么是其中一个承载面，要么是两承载面之间的松散颗粒。两界面间的松散颗粒导致的擦伤式磨损，又称为三体磨损。这类磨损常见于矫形领域，例如，骨水泥颗粒落入假体和软骨之间的关节间隙时，就会出现这种磨损。界面磨损程度与界面粗糙度和接触面以及承载负荷大小有关。

一般来说，不同类型的磨损有不同的磨损率。磨损的普遍规律是：磨损率随承载负荷的增加而增加，随接触面积的增加而增加，质地软的一面受磨损程度高于质地硬的一面。

机体内关节软骨的磨损不同于机械磨损。实验表明，一个作用于髌股关节的冲击力会使软骨表面受损、使软骨潮线处发生剪切破坏。也可以观察到冲击后髌股关节软骨潮线处的早期加速重建现象。这种由冲击力导致的机械性损伤及随后发生的生物重建将使潮线增生、使软骨变薄。人们已发现潮线的数量随年龄而增加。这些研究表明，关节软骨的磨损是机体新陈代谢和机械耗损的动态平衡。