真空球磨時(shí)間對(duì)金屬磨損顆粒粒度影響的實(shí)驗(yàn)研究＊

藍(lán)霞，程明，徐屹，戴閩

(南昌大學(xué)第一附屬醫(yī)院骨科，南昌 330006)

隨著金屬假體材料和制造工藝的飛速發(fā)展，金屬-金屬假體在人工關(guān)節(jié)置換術(shù)中獲得非常廣泛的應(yīng)用。然而，金屬假體置換術(shù)后遠(yuǎn)期的無(wú)菌性松動(dòng)嚴(yán)重影響關(guān)節(jié)的使用壽命。因此，對(duì)無(wú)菌性松動(dòng)機(jī)理的探索是目前的研究熱點(diǎn)之一[1-8]。隨著實(shí)驗(yàn)研究的不斷深入，發(fā)現(xiàn)金屬假體長(zhǎng)期磨損或離解產(chǎn)生的金屬磨屑所誘導(dǎo)的生物學(xué)反應(yīng)是導(dǎo)致無(wú)菌性松動(dòng)的一個(gè)重要因素。獲得實(shí)驗(yàn)用金屬磨損顆粒最簡(jiǎn)便的方法就是從翻修假體的界膜組織中分離獲得，但由于取材分離技術(shù)困難，顆粒來(lái)源稀少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)驗(yàn)的需求。人工關(guān)節(jié)的金屬材料具有強(qiáng)度高、硬度高、韌性好、耐磨性好等性能，致使普通機(jī)床器械無(wú)法加工，需要特定方法[9]。國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)常用對(duì)磨、過(guò)篩或器械公司、國(guó)外研究機(jī)構(gòu)贈(zèng)送的顆粒，國(guó)外文獻(xiàn)提供的方法還有金屬熔體霧化、氣化、激光制粉法等[8]。但由于制備方法不同，顆粒的各項(xiàng)特性指標(biāo)變異較大，大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法重復(fù)和比較。本研究參考了Rogers[10]和賈慶衛(wèi)等[11]報(bào)道的真空球磨方法，對(duì)金屬假體表面進(jìn)行摩擦制備磨損顆粒，通過(guò)激光測(cè)度儀檢測(cè)顆粒粒度，以比較不同球磨時(shí)間對(duì)球磨顆粒粒度的影響，為大量制備金屬磨損顆粒提供實(shí)驗(yàn)參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 切割金屬假體磨塊 從人工關(guān)節(jié)翻修術(shù)中取出關(guān)節(jié)假體，采用進(jìn)口線切割機(jī)（Sodic日本產(chǎn)型號(hào)AQ360Ls）將其切割成不同大小的磨塊，以增加球磨時(shí)磨塊之間的接觸面積，增加研磨效率。將磨塊清洗干凈以后用高壓蒸汽消毒備用[9]。

1.2 磨損顆粒的制備 將真空球磨儀 （GN-Z高能球磨儀，沈陽(yáng)市新科儀器機(jī)電設(shè)備廠）所有的組件按照ASTM F1903標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行清洗，然后置于75%的酒精中浸泡，高溫滅菌以備用。將磨塊置入球磨罐中，加入100ml無(wú)水乙醇作為保護(hù)液，抽真空，開(kāi)始球磨，每2h需要停機(jī)15min，以避免球磨罐溫度過(guò)高發(fā)熱。用400目篩網(wǎng)過(guò)濾乙醇和磨損顆粒，等待乙醇完全揮發(fā)后收集顆粒，本研究將球磨了12h、24h、48h、60h、72h 后獲得的顆粒分別進(jìn)行收集[9]。

1.3 磨損顆粒的粒度分析 將磨損顆粒用PBS+2%小牛血清重懸，孵育3-6h后用超聲粉碎儀（艾克森AIX-C1002）使其均勻混合。校準(zhǔn)激光測(cè)度儀（BT-9300H型激光粒度分布儀分析系統(tǒng)），試樣槽用酒精浸泡15min，等待自然蒸發(fā)后，蒸餾水反復(fù)沖洗3次。取顆?；鞈乙?ml置入測(cè)度儀后進(jìn)行分析[9]。

2 結(jié)果

真空球磨12h獲得的顆粒的中位徑5.33μm，體積平均徑5.56μm，面積平均徑4.14μm，98%的顆粒直徑在11.60μm以下。真空球磨24h獲得的顆粒的中位徑4.93μm，體積平均徑5.05μm，面積平均徑4.03μm，98%的顆粒直徑在9.73μm以下。真空球磨36h獲得的顆粒的中位徑4.84μm，體積平均徑4.94μm；面積平均徑4.02μm，98%的顆粒直徑在9.30μm以下。真空球磨48h獲得的顆粒的中位徑4.54μm，體積平均徑4.74μm，面積平均徑3.52μm，98%的顆粒直徑在9.05μm以下。真空球磨60h獲得的顆粒的中位徑3.01μm，體積平均徑3.16μm，面積平均徑2.30μm，98%的顆粒直徑在6.69μm以下。真空球磨72h獲得的顆粒的中位徑2.93μm，體積平均徑 3.08μm；面積平均徑 2.19μm；98%的顆粒直徑在6.67μm以下（見(jiàn)表1）。

表1 不同球磨時(shí)間獲得的顆粒中位徑、體積平均徑、面積平均徑和98%的顆粒直徑范圍

隨著研磨時(shí)間增加，顆粒中位徑、體積平均徑、面積平均徑、98%的顆粒直徑都逐漸減小。研磨12h、24h和48h相比，顆粒中位徑、體積平均徑、面積平均徑、98%的顆粒直徑降低的幅度均較小。研磨到60h后獲得的顆粒中位徑、體積平均徑、面積平均徑，98%的顆粒直徑下降的幅度明顯增大，并與研磨72h后獲得顆粒粒度比較接近 （見(jiàn)圖1-圖4）。

3 討論

圖1 不同球磨時(shí)間獲得的顆粒中位徑大小

圖2 不同球磨時(shí)間獲得的顆粒體積平均徑

圖3 不同球磨時(shí)間獲得的面積平均徑

圖4 不同球磨時(shí)間98%的顆粒直徑范圍

金屬假體顆粒多見(jiàn)于以下幾個(gè)界面之間的摩擦產(chǎn)生：⑴金屬假體關(guān)節(jié)面之間；⑵金屬假體-骨界面；⑶金屬假體-骨水泥界面[12-14]。在金屬顆粒的刺激下，一系列炎癥介質(zhì)釋放到周圍組織界膜之中，使得局部破骨細(xì)胞增生，導(dǎo)致假體周圍骨質(zhì)吸收，引起無(wú)菌性松動(dòng)[15-18]。隨著假體制造工藝的提高，金屬硬度和表面耐磨性能也明顯提高，體內(nèi)磨損顆粒的來(lái)源非常稀少。因此為進(jìn)一步研究相關(guān)的機(jī)制，制備類似于人體內(nèi)產(chǎn)生的金屬磨損粒是實(shí)驗(yàn)研究的前提條件。而文獻(xiàn)中報(bào)道的金屬材料類型不同，顆粒的制備方法不同，獲得顆粒的理化性質(zhì)也不同，結(jié)果得出的細(xì)胞和組織的反應(yīng)也不盡相同，因此嚴(yán)重限制了體內(nèi)和體外的相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，顆粒的數(shù)量、直徑大小、粒度分布、表面形態(tài)以及構(gòu)成的化學(xué)元素等理化性質(zhì)均會(huì)產(chǎn)生不同程度地影響[19-22]。本研究的制備方法以期最大限度地獲得與體內(nèi)近似的磨損顆粒，比較不同球磨時(shí)間對(duì)磨損顆粒粒度的影響。

3.1 顆粒制備的方法 人體內(nèi)金屬磨屑是由于假體與骨質(zhì)或骨水泥之間的摩擦產(chǎn)生的，其產(chǎn)生的機(jī)理應(yīng)為在應(yīng)力作用下物體表面的一種機(jī)械摩擦。因此，本研究采用機(jī)械球磨的方法制備顆粒應(yīng)是合理可行的。

本研究采用真空球磨儀，罐口的聚乙烯墊圈一方面起到了很好的密封效果，保證球磨內(nèi)的真空環(huán)境，而且墊圈不與容器的內(nèi)壁接觸，防止墊圈磨損產(chǎn)生雜質(zhì)，很好地避免了對(duì)制備顆粒的污染，保證了制備顆粒的純凈。而且，所有裝置的組件都進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)的清洗，75%的酒精浸泡，然后再高溫滅菌，以保證整個(gè)球磨過(guò)程都是在無(wú)污染的環(huán)境下進(jìn)行[9]。

為了提高球磨的效率，將原料切割成大小不同的磨塊，以增加球磨時(shí)的摩擦面積，本實(shí)驗(yàn)采用Sodick線切割機(jī)切割獲得磨塊，其切割精度高，最小可切割成10um左右的顆粒，能夠達(dá)到本實(shí)驗(yàn)的要求。

球磨時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)造成球罐內(nèi)發(fā)熱溫度過(guò)高，本研究每次球磨時(shí)間2h，而后停機(jī)15min，待機(jī)器自然冷卻，很好地避免了高溫對(duì)球磨顆粒的影響。本實(shí)驗(yàn)研磨12h、24h和48h相比，顆粒中位徑、體積平均徑、面積平均徑、98%的顆粒直徑降低的幅度均較小。而研磨到60h后獲得的顆粒中位徑、體積平均徑、面積平均徑，98%的顆粒直徑下降的幅度明顯增大，并與研磨72h后獲得顆粒粒度比較接近。本實(shí)驗(yàn)得出在研磨48h以內(nèi)，顆粒大小變化不大，可以選擇較少的研磨時(shí)間12h；而研磨60h獲得的顆粒體積明顯減小，與研磨72h接近，由此可以選擇較少的研磨時(shí)間60h。這就為后期選擇合適的球磨時(shí)間，減少實(shí)驗(yàn)成本提供了很好的參考依據(jù)。

3.2 顆粒粒度測(cè)定方法 本研究采用BT-9300H型激光粒度分布儀分析系統(tǒng)對(duì)顆粒進(jìn)行粒度測(cè)定，利用測(cè)定激光束穿透顆?；鞈乙旱纳⑸涔烙?jì)出顆粒的平均體積，如假設(shè)顆粒為標(biāo)準(zhǔn)球體，則可計(jì)算出顆粒直徑。和傳統(tǒng)光鏡或電鏡測(cè)量方法相比，具有快速，誤差小，精確度高，操作簡(jiǎn)便，可定量分析的優(yōu)勢(shì)，尤其適用于大樣本的測(cè)定。激光粒度分析儀的不足之處在于：忽略了顆粒的形狀，可能會(huì)對(duì)顆粒的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

由于金屬顆粒的密度相對(duì)較大，在液體中很快就發(fā)生沉降，從而影響測(cè)量的結(jié)果。本實(shí)驗(yàn)研究采用超聲粉碎儀使磨損顆粒均勻混合后，盡快進(jìn)行測(cè)定。本實(shí)驗(yàn)研究各組均獲得了直徑較為均勻的金屬顆粒，這就為相關(guān)研究選擇合適直徑的金屬磨損顆粒提供參考。

真空球磨法可以獲得的直徑均勻的金屬磨損顆粒，而且隨著研磨時(shí)間的增加，顆粒中位徑、體積平均徑、面積平均徑、98%的顆粒直徑都逐漸減小。研磨48h以內(nèi)顆粒粒度變化不大，研磨72h和研磨60h獲得的顆粒粒度相近，可選擇研磨12h或60h既能獲得滿意的顆粒粒度，又能最大限度節(jié)約球磨時(shí)間，減少實(shí)驗(yàn)成本。