可溶性晶体性质对生物骨材料切削质量影响因素探究＊

郭 鹏，赵 韡，郝宇聪，杨 焘

（1.中北大学 机械工程学院,太原 030051）

（2.先进制造技术山西省重点试验室,太原 030051）

截骨是临床手术中一种常见的操作，其切削本质是一种机械式去材加工，需要破坏骨组织原貌，利用其再生长功能来达到骨头愈合的目的[1]。在切削过程中，过高的切削力和切削温度会造成骨组织及其周围组织的严重损伤，严重影响病人术后康复[2]。骨组织外科手术[3-4]中常用的钻、锯、研磨等手段在切削时产生热量，热量积聚使得被加工材料局部温度升高，极易造成组织热损伤。磨料水射流具有能大幅降低截骨温度、减少组织热损伤的独特优点[5-6]，在骨切削手术中成为一种新型的技术手段。

传统磨料水射流常用石榴石、白刚玉等矿物材料颗粒为磨料，虽然有很强的切削能力，但不具有生物兼容性，且在生物骨材料切削过程中磨粒很容易嵌入骨组织内，难以去除，不利于骨组织的愈合甚至会产生毒害作用。因此，在骨切削手术中应该考虑使用具有生物相容性的可溶性晶体为磨料，以防止其对患者产生副作用。在食品加工领域，WANG 等[7-8]尝试在水射流中加入食盐颗粒和冰颗粒切割带骨牛肉，结果表明：与纯水射流相比，切割深度显著增加。EHSAN 等[9]分别用骨粉和糖作为磨料对牛股骨进行了切割试验，结果表明：使用糖作为磨料时，加工断面的粗糙度值较小。SCHWIEGER 等[10]分别使用摆动据和α-乳糖水合物磨料水射流，对猪股骨髁进行切割，结果表明：用水射流切割骨头产生的热量比摆动锯的要少，且其精度足以用于截骨手术。

为此，选用氯化钠、蔗糖和木糖醇3 种可溶性晶体为磨料对牛股骨进行切削，通过测量被切削断面的表面粗糙度和骨样切削深度，探究可溶性晶体的物化性质对生物骨射流切削质量的影响。

1 试验

1.1 试样制备

骨组织不同于一般工程材料，是一种各向异性的多层生物复合材料，具有弹脆性的特点。骨的宏观结构包括密质骨与松质骨，其中密质骨密度较大，主要承担力学行为，因此试验选取密质骨为样本进行切削[11]。考虑到牛股骨的机械力学性能与人骨相似，试验选择新鲜的牛股骨进行骨样制备。图1 为骨样制备流程，首先使用磨料射流对牛股骨的骨干中段进行切割，将切削下来的密质骨加工成长条状后，对骨样表面进行抛光，使其表面光滑、形状规整，抛光后的骨样即为试验所用试样。制得样本15 片，骨样长度为60～80 mm，厚度约为4 mm 和8 mm，以便后续试验选用。

图1 骨样制备流程Fig.1 Preparation of bone samples

1.2 可溶性磨料的选择

为了探究可溶性晶体加工生物骨材料的影响因素，试验选取氯化钠、蔗糖和木糖醇3 种物化性质不同的可溶性晶体，其物化性质如表1所示。

表1 3 种可溶性晶体的物化性质Tab.1 Physical and chemical properties of three soluble crystals

试验使用粉末研磨机将3 种可溶性晶体颗粒粉碎，再用筛网筛分出粒径为400～600 μm 的颗粒，保证3 种可溶性晶体的粒径范围相同。晶体是由晶体的原子、离子或分子在空间内规则排列组成，各种晶体组分和结构不同，在外形上也各不相同[12]。使用超景深显微镜对筛选得到的晶体形貌进行观察，得到3 种可溶性晶体颗粒形貌，如图2所示。观察发现：氯化钠颗粒的形貌特征为边缘较为圆润的立方体结构（图2a）；蔗糖颗粒的形貌特征为具有明显棱边的单斜楔形结构（图2b）；木糖醇颗粒的形貌特征为具有尖角的斜方体结构（图2c）。

图2 3 种可溶性颗粒形貌Fig.2 Morphology of three kinds of soluble particles

1.3 试验步骤

可溶性晶体射流切削牛股骨的试验现场如图3所示，试验装备采用的是南京大地水刀的DWJ1313-FB/DPSB9-3040 高压水射流试验系统。切削时，可溶性晶体作为磨料，在负压作用下，与超高速纯水射流在混合腔中混合加速，形成固液两相晶体射流，通过喷嘴喷出，对骨样进行冲蚀、剪切[13]。水射流的射流直径为1 mm，喷嘴出口速度为736 m/s，用质量分数表示磨料浓度，所得氯化钠晶粒射流的磨料浓度约为4.1%，蔗糖晶粒射流的磨料浓度约为4.7%，木糖醇的晶粒射流磨料浓度约为3.6%。试验分为粗糙度的测量试验和切削深度的测量试验。粗糙度测量试验选用厚度为4 mm 的骨样进行切削，为了防止横移速度和靶距过高导致骨样崩裂影响试验结果，在进行正式试验之前进行预试验。在0～200 mm/min 的速度和0～10 mm 的靶距范围内切割骨样，结果发现：在靶距＞5 mm，横移速度＞50 mm/min 的条件下，有部分样品切削质量较差。因此，横移速度的参数设置在50 mm/min 内，靶距控制在5 mm 内。为了保证骨样不被完全切透，切削深度测量试验选用厚度为8 mm 的骨样进行切削，测量其切削深度。

图3 试验现场Fig.3 Experimental site

表2 为试验的具体参数。试验采取单一变量法，使用氯化钠、蔗糖和木糖醇3 种可溶性颗粒作为磨料，改变横移速度、靶距2 个参数对骨样进行切削，再重复试验，测得每次试验的数据。被切削骨样所产生的表面粗糙度由粗糙度轮廓仪测量，取样长度选取2.5 mm，触针移动速度选取0.5 mm/s，测量时沿着切削深度方向选取等间距的10 个切削位置，将测量的10 个位置的值取平均值即为试验得到的被切削表面的整体粗糙度。使用拓印法对切削深度进行测量：将树脂封入切削得到的骨样切缝内，待树脂凝固取出，通过测量树脂深度来间接测量骨样切削深度，测量时将取出的树脂沿水刀进给方向选取等间距的10 个位置，将测量的10 个位置的值取平均值即为试验得到的切削深度。

表2 试验参数Tab.2 Test parameters

2 结果与讨论

考虑纯水也具有切削能力，为了排除这种影响，在压力为280 MPa，横移速度为50 mm/min，靶距为5 mm的试验条件下使用氯化钠、蔗糖、木糖醇和纯水分别对骨样进行切削。在骨切削手术中，好的表面质量是患者顺利康复的关键，为了保证射流切削不会对骨头进行二次破坏，通过光学显微镜观察切割骨样断面形貌以及对断面粗糙度进行测量来评估表面质量。评估质量的标准是断面粗糙度小、切口清晰没有崩坏、断面表面光滑没有裂纹。由于纯水射流在该参数条件下切削的骨样崩坏无法测量粗糙度，因此仅对骨样部分断面形貌进行观测来对比表面质量。图4 为纯水与可溶性晶体射流切削骨样形貌，从图4a 可以看出：使用纯水射流切削的骨样发生了崩碎且表面裂纹较多，这是由于纯水射流仅依靠射流束对骨样表面进行冲击，切削能力较弱。而从图4b、4c、4d 中可以看出：氯化钠、蔗糖和木糖醇3 种可溶性晶体射流切削得到的骨样均没有崩裂，且表面十分光滑，这表明氯化钠、蔗糖和木糖醇等可溶性晶体具有切削能力，与纯水射流相比，其能显著提高切削质量，考虑这3 种可溶性晶体均具有生物相容性，其可以作为磨料水射流在骨切削手术中的适用磨料。

在试验设计的所有参数条件下，3 种可溶性晶体射流都能实现生物骨材料稳定高质量的切割。图5 为不同参数下3 种晶体射流切削牛股骨断面粗糙度的变化。从图5 可以看出：3 种可溶性晶体射流切削骨样的表面粗糙度值均随横移速度的增大而增大，而受靶距差异影响不大；在同一参数下使用木糖醇颗粒作为磨料切削骨样的表面粗糙度值总是最小，且在压力为280 MPa，横移速度为10 mm/min，靶距为1 mm 时，得到最小表面粗糙度，Ra值为3.19 μm；使用氯化钠作为磨料切削骨样的表面粗糙度值总是最大，且在压力为280 MPa，横移速度为 50 mm/min，靶距为1 mm 时，表面粗糙度最大，Ra值为22.22 μm。

图5 不同参数下3 种晶体射流切削牛股骨断面粗糙度的变化Fig.5 Variation of cross section roughness of bovine femur cut with three kinds of crystal jet under different parameters

图6 为不同参数下3 种晶体射流加工牛股骨切削深度的变化，从图6 可以看出：这3 种可溶性晶体射流切削骨样的切削深度值随横移速度的增大而减小，随靶距增大而减小；在同一试验条件下木糖醇晶粒射流切削骨样的切削深度最小，在压力为280 MPa，横移速度为50 mm/min，靶距为5 mm 的条件下，得到最小切削深度为10.03 mm；蔗糖晶粒射流切削骨样的切削深度为最大，在压力为280 MPa，横移速度为10 mm/min，靶距为1 mm 时，切削深度达到最大值为47.15 mm。

图6 不同参数下3 种晶体射流切削牛股骨切削深度的变化Fig.6 Variation of cutting depth of femur of three kinds of crystal jet cutting with different parameters

2.1 密度对切削质量的影响

氯化钠、蔗糖和木糖醇3 种可溶性晶体的物化性质，即密度、硬度、晶体结构、溶解性等存在差异，这是影响加工质量的因素。从图5 可以看出：在压力为280 MPa的条件下，在任一横移速度，任一靶距下，使用氯化钠作为磨料切削骨样的表面粗糙度值均为最大，使用木糖醇作为磨料切削骨样的表面粗糙度值均为最小。这与3 种可溶性晶体的密度成正相关，即密度最小的木糖醇颗粒作为磨料切削得到的骨样断面表面质量最好，而密度最大的氯化钠颗粒作为磨料切削得到的骨样断面表面质量最差。这是由于在水射流与磨料混合的过程中，木糖醇相比于其他2 种晶体具有更小的密度，更容易被水射流通过混合腔产生的卷吸作用吸附进混合腔混合形成磨料射流，使得被切削断面的表面粗糙度也更小。此外，晶体的密度越小，其质量和惯性就越小，单个晶粒的冲量也就较小，从而在高压水的裹挟下对骨样表面的冲击力就越小，得到骨样表面质量也就越好。而结合图6 可知，密度差异对可溶性晶体射流切削骨样深度的影响不大。

2.2 硬度对切削质量的影响

为了探究磨粒本身硬度对牛股骨加工质量的影响，用硬度仪对骨样和氯化钠晶体的硬度进行了测定。由于骨头本身受新鲜程度、保存方式以及动物的种类和年龄的不同差异很大，测得的硬度大概在50～70 HV的范围内，测得的氯化钠晶体硬度为24 HV。由于晶体中粒子之间结合力的大小决定了晶体的物理性质，离子晶体是由正负离子通过离子键结合形成，分子晶体是分子间通过分子间作用力构成，而分子间作用力比离子键弱得多，一般为离子键的1/10 到1/100[14]，因此，作为离子晶体的氯化钠晶体的硬度和强度大于蔗糖和木糖醇等分子晶体的硬度和强度。由图5、图6可知：在相同试验条件下，硬度较大的氯化钠晶体射流相较于硬度较小的蔗糖晶体射流切削得到的骨样断面粗糙度更大；由切削深度可知，可溶性晶体硬度的差异性不是影响骨样加工质量的主要因素。这是由于在磨料水射流中这3 种晶体颗粒的硬度远小于牛股骨本身的硬度，不能产生有效的切削作用，只是由于颗粒的反复冲击，造成疲劳脱落。同时，骨样硬度高，晶体颗粒切削时接触应力较大，当晶体受到外力冲击时，各层离子或分子的位置发生错动，吸引力大大减弱，容易破碎，晶体破碎会消耗晶体的冲击动能，能量转换效率降低，这进一步导致生物骨材料的切削深度随晶体颗粒硬度变化不大。

2.3 溶解性对切削质量的影响

可溶性晶体在磨料水射流加工过程中的溶解现象是不可忽视的一个问题，但观察可溶性晶体在加工过程中的溶解变化比较困难。为此，将同质量的氯化钠、木糖醇和蔗糖晶体分别加入电磁搅拌器，在同一搅拌速度下测量3 种晶体在不同温度下完全溶解所需时间，间接探究晶体溶解对加工质量的影响。图7 为3 种晶体溶解时间随溶液温度变化的曲线，由图7 可以看出：蔗糖颗粒的溶解时间整体上明显慢于木糖醇颗粒和氯化钠颗粒，即蔗糖颗粒在3 种可溶性磨料中溶解速度最慢。结合图5 可知，在晶体射流能完全切透骨样的情况下，晶体射流作用于骨样的时间较短，可溶性晶体的溶解性差异对生物骨材料的切削质量影响不大；而结合图6 可知：可溶性晶体射流切削骨样的深度受晶体溶解快慢影响，溶解慢的晶体，切削深度更大。这是由于可溶性晶体射流在切削时受晶体溶解性影响，在不能完全切透骨样的情况下，射流束无法直接穿透骨样，一部分从切削入口射出，一部分积蓄在切缝内与晶体混合，可溶性晶体快速溶解，且随着切削深度的增加，切削时间增长，晶体与水混合时间增长，可溶性晶体受溶解性影响进一步增大，切削能力大幅下降，因而蔗糖颗粒相对于另外2 种晶体溶解时间更慢，切削破坏能力也更强，从而切削深度也最大。

图7 晶体溶解时间随温度变化曲线Fig.7 Crystal dissolution time as a function of temperature

2.4 晶体结构对切削质量的影响

传统矿物磨料的形貌在射流加工中会影响被加工表面的加工质量已经得到证实[15]，但可溶性晶体受溶解性影响，在射流加工中晶体结构的变化对加工质量的影响还未可知，为此在静态试验条件（常温、常压）下，使用超景深显微镜拍摄氯化钠、蔗糖和木糖醇3 种可溶性晶体的结构在水中的变化过程来探究晶体结构在射流加中工对切削质量的影响。图8 为3 种晶体溶解时的结构变化过程，由图8a 可以看出：氯化钠晶体形貌随时间延长由立方形趋向于半球形，棱边逐渐变得圆润；图8b 中蔗糖晶体结构特征在前45 s 内变化不大，45 s 后棱边逐渐消失；图8c 中木糖醇晶体形貌随时间增长逐渐趋向于三角形。结合图5 可知：晶体结构为立方体的氯化钠颗粒切削得到的表面粗糙度最大，这是由于在相同射流条件下，可溶性晶体射流能完全切透骨样，晶体结构变化受溶解性的影响较小，晶体结构的差异对加工质量有一定影响。立方体结构的氯化钠颗粒趋向于球形，在加工骨样时切削破坏能力较小，随着切削深度的增加，颗粒动能逐渐减少，表面质量较差；单斜楔形结构的蔗糖颗粒和有尖角的斜方结构的木糖醇颗粒具有锋锐的棱边和尖角，破坏能力较强，表面质量较好。结合图6 可知：晶体结构为立方体的氯化钠颗粒相较于有尖角的斜方结构的木糖醇颗粒切削深度更深，这是由于在相同射流条件下，可溶性好的晶体射流不能完全切透骨样，加工质量受晶体溶解性影响较大，晶体结构的差异影响较小。

图8 3 种晶体溶解过程Fig.8 Dissolution process of three crystals

3 结论

选用氯化钠、蔗糖和木糖醇3 种物化性质不同的可溶性晶体作为磨料对牛股骨进行切削，测量被切削表面粗糙度和切削深度，得到以下结论：

（1）氯化钠、蔗糖和木糖醇3 种可溶性晶体颗粒作为磨料掺入射流束中能够明显改善纯水射流切削生物骨材料的质量。

（2）可溶性晶体的密度、硬度、溶解性和晶体结构等性质对切削质量均有影响，在能够实现完全切透骨样的情况下，其中的密度差异表现最明显，密度小的可溶性晶体加工得到的骨样粗糙度更小；在不能够完全切透骨样的情况下，其中的溶解性差异表现最明显，溶解速度慢的晶体加工得到的骨样切削深度更大。

（3）在试验设计的参数条件下，3 种可溶性晶体射流都能够完全实现材料的稳定切割。其中密度最小的木糖醇颗粒为磨料切削时，在压力为280 MPa，横移速度为10 mm/min，靶距为1 mm 时，得到的表面粗糙度Ra最小值为3.19 μm；用溶解性最慢的蔗糖为磨料，在压力为280 MPa，横移速度为 10 mm/min，靶距为1 mm 时，切削深度最大值为47.15 mm。