超聲輔助法提取人工關(guān)節(jié)磨屑的實驗研究*

賈玉梅，劉洪濤，曹希傳

（1.中國礦業(yè)大學化工學院，江蘇 徐州221116;2.中國礦業(yè)大學材料學院，江蘇 徐州221116）

前言

在人工關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗中，血清具有極好的生物性而被用作潤滑液，人工關(guān)節(jié)磨屑沉積于關(guān)節(jié)滑膜或分散于關(guān)節(jié)液中，其中的雜質(zhì)將對磨屑的分離起阻礙作用，而人工關(guān)節(jié)磨屑特別是超高相對分子質(zhì)量聚乙烯磨屑具有非磁性和非金屬性，密度與人工關(guān)節(jié)潤滑液非常接近，磨屑的有效提取成為研制人工關(guān)節(jié)磨屑分離裝備的一個關(guān)鍵問題.根據(jù)摩擦副種類和摩擦副材質(zhì)不同，人工關(guān)節(jié)磨屑提取一般分為酸消化法［1，2］、堿消化法［3～7］和酶降解法［8］.酸消化法會引起金屬磨屑反應(yīng);堿消化法只適用于對陶瓷、聚乙烯、鈦合金等磨屑的提取，且所需時間較長，在納米磨屑提取之后觀測形態(tài)時易受堿結(jié)晶體的影響，實驗結(jié)果可信度低;酶降解法可以用于任何關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)臼的配伍，易于操作，所需時間較短，磨屑提取結(jié)果可信度高，但成本較高.

懸浮液中固體顆粒的分離新方法一直是研究者們感興趣的課題.傳統(tǒng)的方法包括篩分法（機械篩、過濾床或過濾膜），重力驅(qū)動法（根據(jù)兩項的密度差上浮或沉降分離）以及外場作用（離心力、電場、磁場等）來實現(xiàn)異相分離的技術(shù).但當夾雜物和介質(zhì)之間存在較大的相互作用力或顆粒很小時，上述方法的應(yīng)用受到了限制，超聲分離在固液分離技術(shù)日臻成熟的今天占有重要一席.其不僅可實現(xiàn)非電性或非磁性微粒的分離或聚集，也可以分離體積相同而密度不同的生物微粒，在化工及生物醫(yī)學等領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注.

超聲波作用下夾雜物收到的輻射力與微粒和介質(zhì)的特性以及它們的聲學特性都有密切的關(guān)系.因此在超聲波的作用下設(shè)計水模型實驗方案時，除滿足幾何相似外還要滿足動力相似.超高相對分子質(zhì)量聚乙烯是應(yīng)用最為廣泛的人工關(guān)節(jié)材料，而且是產(chǎn)生磨屑病的重要條件之一，本文以密度為940 g/cm3超高相對分子質(zhì)量聚乙烯磨屑為研究對象.

1 實驗部分

1.1 材料

牛血清白蛋白（相對分子質(zhì)量67 000，杭州四季青生物工程有限公司產(chǎn)品），超高相對分子質(zhì)量聚乙烯（相對分子質(zhì)量6 000 000，中國石化齊魯股份有限公司產(chǎn)品），去離子水.

1.2 儀器與設(shè)備

EV－60 紫外可見分光光度計（美國Thermo 公司產(chǎn)品）;40kHz 聲化學處理系統(tǒng)（浙江斧正超聲波科技有限公司產(chǎn)品）.試驗裝置如圖1 所示.

圖1 試驗裝置簡圖

1.3 方法

1.3.1 微粒懸液制備

本文作者選用的UHMWPE 原始粉末基本為不規(guī)則球狀顆粒，平均粒徑18.43 μm，液體介質(zhì)是體積分數(shù)25%的小牛血清去離子水的稀釋液.由于UHMWPE 顆粒具有極強的疏水性，作者選用低級醇——乙醇作為表面活性劑降低其表面張力，提高親水性.以與其密度接近的水和酒精的混合液作為分散劑，制得超高相對分子質(zhì)量聚乙烯懸浮液，混合液中水和酒精的體積比為3∶ 5，再加入體積分數(shù)25%的小牛血清去離子水的稀釋液中，懸浮狀態(tài)良好.

1.3.2 牛血清蛋白降解程度測試

利用EV－60 紫外可見分光光度計對不同功率、不同超聲作用時間下的牛血清蛋白降解程度進行測試.其原理在于:蛋白質(zhì)分子中，酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸殘基的苯環(huán)含有共軛雙鍵，使蛋白質(zhì)具有吸收紫外光的特性，其吸收峰在260 ～280 nm 范圍內(nèi)，且這一波長范圍內(nèi)的吸收值與蛋白質(zhì)濃度成正比.根據(jù)朗伯－比爾定律，將260 ～280 nm 處的吸光度值控制在0.2 ～0.8 之間.此操作簡便，測定迅速，不消耗樣品，只需紫外分光光度計及石英比色皿.

1.3.3 超聲強化磨屑提取的實驗過程

將體積分數(shù)為25%的小牛血清去離子水溶液放入40 kHz 聲化學處理系統(tǒng)中，調(diào)整容器高度，使變幅桿頭部進入液面中20 mm 以上，打開聲化學處理系統(tǒng)電源，將功率檔位分別調(diào)整為0，30，40，50 W，超聲作用時間分別設(shè)定為0，3，6，9 min，啟動超聲波處理，考察超聲作用對牛血清蛋白水溶液降解效果的影響.將配制好的500 mL 牛血清－UHMWPE 懸浮液放入40 kHz 聲化學處理系統(tǒng)中，打開聲化學處理系統(tǒng)電源，將功率檔位調(diào)整為30 W，超聲作用時間分別設(shè)定為5，10，15，20 s，啟動超聲波處理，觀察容器中懸浮液的UHMWPE 分布情況.

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲對牛血清蛋白降解效果的影響

對體積分數(shù)為25%的小牛血清去離子水稀釋液進行超聲作用，考察超聲作用對牛血清蛋白降解效果的影響，如圖2 所示.

由圖2a ～c 可知，潤滑液在波長280 nm 處均出現(xiàn)明顯的蛋白質(zhì)吸光度高峰，表明潤滑液中仍含有蛋白質(zhì).牛血清蛋白分別在30，40，50 W 超聲作用下，蛋白質(zhì)量濃度均隨超聲作用時間降低，說明超聲破碎對高分子蛋白具有一定的降解作用，但不會從根本上改變牛血清蛋白的結(jié)構(gòu)等.由圖2d ～f 可知，牛血清蛋白分別在超聲作用3，6，9 min 后，其蛋白濃度均隨超聲功率的升高降低.羅昭鋒［9］等認為:超聲破碎是一個持續(xù)過程，由于其熱效應(yīng)、氣液界面的形成以及自由基的產(chǎn)生，會對目標分子產(chǎn)生多方面的影響，包括聚集、變性、降解等.

圖2 超聲作用對牛血清蛋白降解的影響

2.2 超聲對超高相對分子質(zhì)量聚乙烯磨屑提取效果的影響

對配制好的500 mL 牛血清－UHMWPE 懸浮液，考察超聲作用對超高相對分子質(zhì)量聚乙烯磨屑提取效果的影響，如圖3 所示.

圖3 超聲作用對牛血清中懸浮UHMWPE 的聚集作用

由圖3 可知，聚集體的含量隨著超聲處理時間的延長而增多，聚集體體積隨著超聲處理時間的延長而減小.

牛血清中懸浮UHMWPE 的聚集的原因可能有以下幾個方面.

1）超聲空化作用引起的熱效應(yīng) 該熱效應(yīng)包括整體溫度的升高和空穴產(chǎn)生與復(fù)合伴隨的局部高溫高壓的變化.空穴破裂時產(chǎn)生的局部高溫高壓能引起聚集;超聲處理時無法完全避免氣泡的產(chǎn)生，所以認為氣液界面是聚集產(chǎn)生的原因之一.

2）超聲振動引起的機械效應(yīng) 該機械效應(yīng)使氣、液媒質(zhì)中懸浮粒子以不同速度運動、增加碰撞機會.含氣的懸浮液在超聲波作用下，隨著超聲波輸入功率的增加，超聲凝聚效應(yīng)增強.

3）超聲引起的聲射流效應(yīng) 該聲射流效應(yīng)使聚集體大多是在容器的上半部空間形成.這是因為在換能器附近強烈的聲流作用使夾雜物還未來得及潛入容器底部就形成了聚集體.

3 結(jié)論

1）牛血清蛋白在30，40，50 W 超聲作用下，蛋白濃度均隨超聲作用時間降低;在超聲作用3，6，9 min 后，其蛋白濃度均隨超聲功率的升高降低.說明超聲破碎對高分子蛋白具有一定的降解作用，但不會從根本上改變牛血清蛋白的結(jié)構(gòu)等.

2）超聲對牛血清超高相對分子質(zhì)量聚乙烯懸浮液中顆粒具有凝聚作用，聚集體的含量隨著超聲處理時間的延長而增多，聚集體體積隨著超聲處理時間的延長而減小.

3）超聲對牛血清超高相對分子質(zhì)量聚乙烯懸浮液中顆粒的凝聚效應(yīng)，可以強化人工關(guān)節(jié)磨屑的提取.

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