可溶性晶體性質(zhì)對(duì)生物骨材料切削質(zhì)量影響因素探究＊

郭 鵬，趙 韡，郝宇聰，楊 燾

（1.中北大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,太原 030051）

（2.先進(jìn)制造技術(shù)山西省重點(diǎn)試驗(yàn)室,太原 030051）

截骨是臨床手術(shù)中一種常見(jiàn)的操作，其切削本質(zhì)是一種機(jī)械式去材加工，需要破壞骨組織原貌，利用其再生長(zhǎng)功能來(lái)達(dá)到骨頭愈合的目的[1]。在切削過(guò)程中，過(guò)高的切削力和切削溫度會(huì)造成骨組織及其周?chē)M織的嚴(yán)重?fù)p傷，嚴(yán)重影響病人術(shù)后康復(fù)[2]。骨組織外科手術(shù)[3-4]中常用的鉆、鋸、研磨等手段在切削時(shí)產(chǎn)生熱量，熱量積聚使得被加工材料局部溫度升高，極易造成組織熱損傷。磨料水射流具有能大幅降低截骨溫度、減少組織熱損傷的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)[5-6]，在骨切削手術(shù)中成為一種新型的技術(shù)手段。

傳統(tǒng)磨料水射流常用石榴石、白剛玉等礦物材料顆粒為磨料，雖然有很強(qiáng)的切削能力，但不具有生物兼容性，且在生物骨材料切削過(guò)程中磨粒很容易嵌入骨組織內(nèi)，難以去除，不利于骨組織的愈合甚至?xí)a(chǎn)生毒害作用。因此，在骨切削手術(shù)中應(yīng)該考慮使用具有生物相容性的可溶性晶體為磨料，以防止其對(duì)患者產(chǎn)生副作用。在食品加工領(lǐng)域，WANG 等[7-8]嘗試在水射流中加入食鹽顆粒和冰顆粒切割帶骨牛肉，結(jié)果表明：與純水射流相比，切割深度顯著增加。EHSAN 等[9]分別用骨粉和糖作為磨料對(duì)牛股骨進(jìn)行了切割試驗(yàn)，結(jié)果表明：使用糖作為磨料時(shí)，加工斷面的粗糙度值較小。SCHWIEGER 等[10]分別使用擺動(dòng)據(jù)和α-乳糖水合物磨料水射流，對(duì)豬股骨髁進(jìn)行切割，結(jié)果表明：用水射流切割骨頭產(chǎn)生的熱量比擺動(dòng)鋸的要少，且其精度足以用于截骨手術(shù)。

為此，選用氯化鈉、蔗糖和木糖醇3 種可溶性晶體為磨料對(duì)牛股骨進(jìn)行切削，通過(guò)測(cè)量被切削斷面的表面粗糙度和骨樣切削深度，探究可溶性晶體的物化性質(zhì)對(duì)生物骨射流切削質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣制備

骨組織不同于一般工程材料，是一種各向異性的多層生物復(fù)合材料，具有彈脆性的特點(diǎn)。骨的宏觀結(jié)構(gòu)包括密質(zhì)骨與松質(zhì)骨，其中密質(zhì)骨密度較大，主要承擔(dān)力學(xué)行為，因此試驗(yàn)選取密質(zhì)骨為樣本進(jìn)行切削[11]。考慮到牛股骨的機(jī)械力學(xué)性能與人骨相似，試驗(yàn)選擇新鮮的牛股骨進(jìn)行骨樣制備。圖1 為骨樣制備流程，首先使用磨料射流對(duì)牛股骨的骨干中段進(jìn)行切割，將切削下來(lái)的密質(zhì)骨加工成長(zhǎng)條狀后，對(duì)骨樣表面進(jìn)行拋光，使其表面光滑、形狀規(guī)整，拋光后的骨樣即為試驗(yàn)所用試樣。制得樣本15 片，骨樣長(zhǎng)度為60～80 mm，厚度約為4 mm 和8 mm，以便后續(xù)試驗(yàn)選用。

圖1 骨樣制備流程Fig.1 Preparation of bone samples

1.2 可溶性磨料的選擇

為了探究可溶性晶體加工生物骨材料的影響因素，試驗(yàn)選取氯化鈉、蔗糖和木糖醇3 種物化性質(zhì)不同的可溶性晶體，其物化性質(zhì)如表1所示。

表1 3 種可溶性晶體的物化性質(zhì)Tab.1 Physical and chemical properties of three soluble crystals

試驗(yàn)使用粉末研磨機(jī)將3 種可溶性晶體顆粒粉碎，再用篩網(wǎng)篩分出粒徑為400～600 μm 的顆粒，保證3 種可溶性晶體的粒徑范圍相同。晶體是由晶體的原子、離子或分子在空間內(nèi)規(guī)則排列組成，各種晶體組分和結(jié)構(gòu)不同，在外形上也各不相同[12]。使用超景深顯微鏡對(duì)篩選得到的晶體形貌進(jìn)行觀察，得到3 種可溶性晶體顆粒形貌，如圖2所示。觀察發(fā)現(xiàn)：氯化鈉顆粒的形貌特征為邊緣較為圓潤(rùn)的立方體結(jié)構(gòu)（圖2a）；蔗糖顆粒的形貌特征為具有明顯棱邊的單斜楔形結(jié)構(gòu)（圖2b）；木糖醇顆粒的形貌特征為具有尖角的斜方體結(jié)構(gòu)（圖2c）。

圖2 3 種可溶性顆粒形貌Fig.2 Morphology of three kinds of soluble particles

1.3 試驗(yàn)步驟

可溶性晶體射流切削牛股骨的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示，試驗(yàn)裝備采用的是南京大地水刀的DWJ1313-FB/DPSB9-3040 高壓水射流試驗(yàn)系統(tǒng)。切削時(shí)，可溶性晶體作為磨料，在負(fù)壓作用下，與超高速純水射流在混合腔中混合加速，形成固液兩相晶體射流，通過(guò)噴嘴噴出，對(duì)骨樣進(jìn)行沖蝕、剪切[13]。水射流的射流直徑為1 mm，噴嘴出口速度為736 m/s，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示磨料濃度，所得氯化鈉晶粒射流的磨料濃度約為4.1%，蔗糖晶粒射流的磨料濃度約為4.7%，木糖醇的晶粒射流磨料濃度約為3.6%。試驗(yàn)分為粗糙度的測(cè)量試驗(yàn)和切削深度的測(cè)量試驗(yàn)。粗糙度測(cè)量試驗(yàn)選用厚度為4 mm 的骨樣進(jìn)行切削，為了防止橫移速度和靶距過(guò)高導(dǎo)致骨樣崩裂影響試驗(yàn)結(jié)果，在進(jìn)行正式試驗(yàn)之前進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)。在0～200 mm/min 的速度和0～10 mm 的靶距范圍內(nèi)切割骨樣，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在靶距＞5 mm，橫移速度＞50 mm/min 的條件下，有部分樣品切削質(zhì)量較差。因此，橫移速度的參數(shù)設(shè)置在50 mm/min 內(nèi)，靶距控制在5 mm 內(nèi)。為了保證骨樣不被完全切透，切削深度測(cè)量試驗(yàn)選用厚度為8 mm 的骨樣進(jìn)行切削，測(cè)量其切削深度。

圖3 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.3 Experimental site

表2 為試驗(yàn)的具體參數(shù)。試驗(yàn)采取單一變量法，使用氯化鈉、蔗糖和木糖醇3 種可溶性顆粒作為磨料，改變橫移速度、靶距2 個(gè)參數(shù)對(duì)骨樣進(jìn)行切削，再重復(fù)試驗(yàn)，測(cè)得每次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。被切削骨樣所產(chǎn)生的表面粗糙度由粗糙度輪廓儀測(cè)量，取樣長(zhǎng)度選取2.5 mm，觸針移動(dòng)速度選取0.5 mm/s，測(cè)量時(shí)沿著切削深度方向選取等間距的10 個(gè)切削位置，將測(cè)量的10 個(gè)位置的值取平均值即為試驗(yàn)得到的被切削表面的整體粗糙度。使用拓印法對(duì)切削深度進(jìn)行測(cè)量：將樹(shù)脂封入切削得到的骨樣切縫內(nèi)，待樹(shù)脂凝固取出，通過(guò)測(cè)量樹(shù)脂深度來(lái)間接測(cè)量骨樣切削深度，測(cè)量時(shí)將取出的樹(shù)脂沿水刀進(jìn)給方向選取等間距的10 個(gè)位置，將測(cè)量的10 個(gè)位置的值取平均值即為試驗(yàn)得到的切削深度。

表2 試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Test parameters

2 結(jié)果與討論

考慮純水也具有切削能力，為了排除這種影響，在壓力為280 MPa，橫移速度為50 mm/min，靶距為5 mm的試驗(yàn)條件下使用氯化鈉、蔗糖、木糖醇和純水分別對(duì)骨樣進(jìn)行切削。在骨切削手術(shù)中，好的表面質(zhì)量是患者順利康復(fù)的關(guān)鍵，為了保證射流切削不會(huì)對(duì)骨頭進(jìn)行二次破壞，通過(guò)光學(xué)顯微鏡觀察切割骨樣斷面形貌以及對(duì)斷面粗糙度進(jìn)行測(cè)量來(lái)評(píng)估表面質(zhì)量。評(píng)估質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)是斷面粗糙度小、切口清晰沒(méi)有崩壞、斷面表面光滑沒(méi)有裂紋。由于純水射流在該參數(shù)條件下切削的骨樣崩壞無(wú)法測(cè)量粗糙度，因此僅對(duì)骨樣部分?jǐn)嗝嫘蚊策M(jìn)行觀測(cè)來(lái)對(duì)比表面質(zhì)量。圖4 為純水與可溶性晶體射流切削骨樣形貌，從圖4a 可以看出：使用純水射流切削的骨樣發(fā)生了崩碎且表面裂紋較多，這是由于純水射流僅依靠射流束對(duì)骨樣表面進(jìn)行沖擊，切削能力較弱。而從圖4b、4c、4d 中可以看出：氯化鈉、蔗糖和木糖醇3 種可溶性晶體射流切削得到的骨樣均沒(méi)有崩裂，且表面十分光滑，這表明氯化鈉、蔗糖和木糖醇等可溶性晶體具有切削能力，與純水射流相比，其能顯著提高切削質(zhì)量，考慮這3 種可溶性晶體均具有生物相容性，其可以作為磨料水射流在骨切削手術(shù)中的適用磨料。

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的所有參數(shù)條件下，3 種可溶性晶體射流都能實(shí)現(xiàn)生物骨材料穩(wěn)定高質(zhì)量的切割。圖5 為不同參數(shù)下3 種晶體射流切削牛股骨斷面粗糙度的變化。從圖5 可以看出：3 種可溶性晶體射流切削骨樣的表面粗糙度值均隨橫移速度的增大而增大，而受靶距差異影響不大；在同一參數(shù)下使用木糖醇顆粒作為磨料切削骨樣的表面粗糙度值總是最小，且在壓力為280 MPa，橫移速度為10 mm/min，靶距為1 mm 時(shí)，得到最小表面粗糙度，Ra值為3.19 μm；使用氯化鈉作為磨料切削骨樣的表面粗糙度值總是最大，且在壓力為280 MPa，橫移速度為 50 mm/min，靶距為1 mm 時(shí)，表面粗糙度最大，Ra值為22.22 μm。

圖5 不同參數(shù)下3 種晶體射流切削牛股骨斷面粗糙度的變化Fig.5 Variation of cross section roughness of bovine femur cut with three kinds of crystal jet under different parameters

圖6 為不同參數(shù)下3 種晶體射流加工牛股骨切削深度的變化，從圖6 可以看出：這3 種可溶性晶體射流切削骨樣的切削深度值隨橫移速度的增大而減小，隨靶距增大而減小；在同一試驗(yàn)條件下木糖醇晶粒射流切削骨樣的切削深度最小，在壓力為280 MPa，橫移速度為50 mm/min，靶距為5 mm 的條件下，得到最小切削深度為10.03 mm；蔗糖晶粒射流切削骨樣的切削深度為最大，在壓力為280 MPa，橫移速度為10 mm/min，靶距為1 mm 時(shí)，切削深度達(dá)到最大值為47.15 mm。

圖6 不同參數(shù)下3 種晶體射流切削牛股骨切削深度的變化Fig.6 Variation of cutting depth of femur of three kinds of crystal jet cutting with different parameters

2.1 密度對(duì)切削質(zhì)量的影響

氯化鈉、蔗糖和木糖醇3 種可溶性晶體的物化性質(zhì)，即密度、硬度、晶體結(jié)構(gòu)、溶解性等存在差異，這是影響加工質(zhì)量的因素。從圖5 可以看出：在壓力為280 MPa的條件下，在任一橫移速度，任一靶距下，使用氯化鈉作為磨料切削骨樣的表面粗糙度值均為最大，使用木糖醇作為磨料切削骨樣的表面粗糙度值均為最小。這與3 種可溶性晶體的密度成正相關(guān)，即密度最小的木糖醇顆粒作為磨料切削得到的骨樣斷面表面質(zhì)量最好，而密度最大的氯化鈉顆粒作為磨料切削得到的骨樣斷面表面質(zhì)量最差。這是由于在水射流與磨料混合的過(guò)程中，木糖醇相比于其他2 種晶體具有更小的密度，更容易被水射流通過(guò)混合腔產(chǎn)生的卷吸作用吸附進(jìn)混合腔混合形成磨料射流，使得被切削斷面的表面粗糙度也更小。此外，晶體的密度越小，其質(zhì)量和慣性就越小，單個(gè)晶粒的沖量也就較小，從而在高壓水的裹挾下對(duì)骨樣表面的沖擊力就越小，得到骨樣表面質(zhì)量也就越好。而結(jié)合圖6 可知，密度差異對(duì)可溶性晶體射流切削骨樣深度的影響不大。

2.2 硬度對(duì)切削質(zhì)量的影響

為了探究磨粒本身硬度對(duì)牛股骨加工質(zhì)量的影響，用硬度儀對(duì)骨樣和氯化鈉晶體的硬度進(jìn)行了測(cè)定。由于骨頭本身受新鮮程度、保存方式以及動(dòng)物的種類(lèi)和年齡的不同差異很大，測(cè)得的硬度大概在50～70 HV的范圍內(nèi)，測(cè)得的氯化鈉晶體硬度為24 HV。由于晶體中粒子之間結(jié)合力的大小決定了晶體的物理性質(zhì)，離子晶體是由正負(fù)離子通過(guò)離子鍵結(jié)合形成，分子晶體是分子間通過(guò)分子間作用力構(gòu)成，而分子間作用力比離子鍵弱得多，一般為離子鍵的1/10 到1/100[14]，因此，作為離子晶體的氯化鈉晶體的硬度和強(qiáng)度大于蔗糖和木糖醇等分子晶體的硬度和強(qiáng)度。由圖5、圖6可知：在相同試驗(yàn)條件下，硬度較大的氯化鈉晶體射流相較于硬度較小的蔗糖晶體射流切削得到的骨樣斷面粗糙度更大；由切削深度可知，可溶性晶體硬度的差異性不是影響骨樣加工質(zhì)量的主要因素。這是由于在磨料水射流中這3 種晶體顆粒的硬度遠(yuǎn)小于牛股骨本身的硬度，不能產(chǎn)生有效的切削作用，只是由于顆粒的反復(fù)沖擊，造成疲勞脫落。同時(shí)，骨樣硬度高，晶體顆粒切削時(shí)接觸應(yīng)力較大，當(dāng)晶體受到外力沖擊時(shí)，各層離子或分子的位置發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，吸引力大大減弱，容易破碎，晶體破碎會(huì)消耗晶體的沖擊動(dòng)能，能量轉(zhuǎn)換效率降低，這進(jìn)一步導(dǎo)致生物骨材料的切削深度隨晶體顆粒硬度變化不大。

2.3 溶解性對(duì)切削質(zhì)量的影響

可溶性晶體在磨料水射流加工過(guò)程中的溶解現(xiàn)象是不可忽視的一個(gè)問(wèn)題，但觀察可溶性晶體在加工過(guò)程中的溶解變化比較困難。為此，將同質(zhì)量的氯化鈉、木糖醇和蔗糖晶體分別加入電磁攪拌器，在同一攪拌速度下測(cè)量3 種晶體在不同溫度下完全溶解所需時(shí)間，間接探究晶體溶解對(duì)加工質(zhì)量的影響。圖7 為3 種晶體溶解時(shí)間隨溶液溫度變化的曲線，由圖7 可以看出：蔗糖顆粒的溶解時(shí)間整體上明顯慢于木糖醇顆粒和氯化鈉顆粒，即蔗糖顆粒在3 種可溶性磨料中溶解速度最慢。結(jié)合圖5 可知，在晶體射流能完全切透骨樣的情況下，晶體射流作用于骨樣的時(shí)間較短，可溶性晶體的溶解性差異對(duì)生物骨材料的切削質(zhì)量影響不大；而結(jié)合圖6 可知：可溶性晶體射流切削骨樣的深度受晶體溶解快慢影響，溶解慢的晶體，切削深度更大。這是由于可溶性晶體射流在切削時(shí)受晶體溶解性影響，在不能完全切透骨樣的情況下，射流束無(wú)法直接穿透骨樣，一部分從切削入口射出，一部分積蓄在切縫內(nèi)與晶體混合，可溶性晶體快速溶解，且隨著切削深度的增加，切削時(shí)間增長(zhǎng)，晶體與水混合時(shí)間增長(zhǎng)，可溶性晶體受溶解性影響進(jìn)一步增大，切削能力大幅下降，因而蔗糖顆粒相對(duì)于另外2 種晶體溶解時(shí)間更慢，切削破壞能力也更強(qiáng)，從而切削深度也最大。

圖7 晶體溶解時(shí)間隨溫度變化曲線Fig.7 Crystal dissolution time as a function of temperature

2.4 晶體結(jié)構(gòu)對(duì)切削質(zhì)量的影響

傳統(tǒng)礦物磨料的形貌在射流加工中會(huì)影響被加工表面的加工質(zhì)量已經(jīng)得到證實(shí)[15]，但可溶性晶體受溶解性影響，在射流加工中晶體結(jié)構(gòu)的變化對(duì)加工質(zhì)量的影響還未可知，為此在靜態(tài)試驗(yàn)條件（常溫、常壓）下，使用超景深顯微鏡拍攝氯化鈉、蔗糖和木糖醇3 種可溶性晶體的結(jié)構(gòu)在水中的變化過(guò)程來(lái)探究晶體結(jié)構(gòu)在射流加中工對(duì)切削質(zhì)量的影響。圖8 為3 種晶體溶解時(shí)的結(jié)構(gòu)變化過(guò)程，由圖8a 可以看出：氯化鈉晶體形貌隨時(shí)間延長(zhǎng)由立方形趨向于半球形，棱邊逐漸變得圓潤(rùn)；圖8b 中蔗糖晶體結(jié)構(gòu)特征在前45 s 內(nèi)變化不大，45 s 后棱邊逐漸消失；圖8c 中木糖醇晶體形貌隨時(shí)間增長(zhǎng)逐漸趨向于三角形。結(jié)合圖5 可知：晶體結(jié)構(gòu)為立方體的氯化鈉顆粒切削得到的表面粗糙度最大，這是由于在相同射流條件下，可溶性晶體射流能完全切透骨樣，晶體結(jié)構(gòu)變化受溶解性的影響較小，晶體結(jié)構(gòu)的差異對(duì)加工質(zhì)量有一定影響。立方體結(jié)構(gòu)的氯化鈉顆粒趨向于球形，在加工骨樣時(shí)切削破壞能力較小，隨著切削深度的增加，顆粒動(dòng)能逐漸減少，表面質(zhì)量較差；單斜楔形結(jié)構(gòu)的蔗糖顆粒和有尖角的斜方結(jié)構(gòu)的木糖醇顆粒具有鋒銳的棱邊和尖角，破壞能力較強(qiáng)，表面質(zhì)量較好。結(jié)合圖6 可知：晶體結(jié)構(gòu)為立方體的氯化鈉顆粒相較于有尖角的斜方結(jié)構(gòu)的木糖醇顆粒切削深度更深，這是由于在相同射流條件下，可溶性好的晶體射流不能完全切透骨樣，加工質(zhì)量受晶體溶解性影響較大，晶體結(jié)構(gòu)的差異影響較小。

圖8 3 種晶體溶解過(guò)程Fig.8 Dissolution process of three crystals

3 結(jié)論

選用氯化鈉、蔗糖和木糖醇3 種物化性質(zhì)不同的可溶性晶體作為磨料對(duì)牛股骨進(jìn)行切削，測(cè)量被切削表面粗糙度和切削深度，得到以下結(jié)論：

（1）氯化鈉、蔗糖和木糖醇3 種可溶性晶體顆粒作為磨料摻入射流束中能夠明顯改善純水射流切削生物骨材料的質(zhì)量。

（2）可溶性晶體的密度、硬度、溶解性和晶體結(jié)構(gòu)等性質(zhì)對(duì)切削質(zhì)量均有影響，在能夠?qū)崿F(xiàn)完全切透骨樣的情況下，其中的密度差異表現(xiàn)最明顯，密度小的可溶性晶體加工得到的骨樣粗糙度更??；在不能夠完全切透骨樣的情況下，其中的溶解性差異表現(xiàn)最明顯，溶解速度慢的晶體加工得到的骨樣切削深度更大。

（3）在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的參數(shù)條件下，3 種可溶性晶體射流都能夠完全實(shí)現(xiàn)材料的穩(wěn)定切割。其中密度最小的木糖醇顆粒為磨料切削時(shí)，在壓力為280 MPa，橫移速度為10 mm/min，靶距為1 mm 時(shí)，得到的表面粗糙度Ra最小值為3.19 μm；用溶解性最慢的蔗糖為磨料，在壓力為280 MPa，橫移速度為 10 mm/min，靶距為1 mm 時(shí)，切削深度最大值為47.15 mm。