可溶性晶粒射流切削生物骨材料加工质量影响因素研究

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中文摘要：骨组织外科手术中常用的钻、锯、铣削等手段在加工时产生热量，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，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、刚玉等矿物磨料，虽然有很强的切削能力，但是在生物骨材料切削过程中磨粒极易嵌入骨组织内，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使用具有生物相容性的可溶性晶体作为磨料，对骨组织进行切削，以防止对患者产生副作用。本文采用具有生物相容性的氯化钠、蔗糖和木糖醇3种可溶性晶体颗粒作为磨料对牛密质骨展开切削试验，重点研究可溶性磨料的密度、硬度、溶解性、晶体形貌等物化性质对牛密质骨切削断面粗糙度和切削深度的影响规律，分析切削断面的划痕分布特征，同时对骨组织和氯化钠晶体的力学性质进行测量分析，得到的研究结论如下：（1）骨组织受加载速率影响较大，随着加载速率的增大骨样的屈服强度增大，且纵向骨样（骨单元轴向方向平行于加载方向）受加载速率影响相较于横向骨样（骨单元轴向方向垂直于加载方向）更大。氯化钠晶体在0.05 mm/min和0.5 mm/min的低加载速率下，受加载速率影响较小，屈服强度差异性仅有0.6%，在5 mm/min的高加载速率下，受加载速率影响较大，屈服强度差异性有10.18%。（2）由骨样压缩时所表现出来的力学性质和碎裂状态可知，牛股骨的密质骨具有明显的各向异性力学性质，随着载荷持续作用，密质骨出现由塑性向脆性转变现象，最终呈现脆性材料的特点。氯化钠单晶在快速压缩时表现出脆性，在缓慢压缩时呈现延性，当加载速率增加到约5 mm/min的临界水平时，氯化钠呈现出从延性到脆性的转变。（3）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，在能够实现切透骨样的情况下，其中密度差异对切削质量的影响最为明显，密度小的可溶性晶体加工得到的骨样表面粗糙度更小；在不能够实现切透骨样的情况下，其中溶解性差异对切削质量的影响最为明显，溶解速度慢的晶体加工得到的骨样切削深度更大。在试验设计的参数条件下，3种可溶性晶体射流均能够完全实现生物骨材料的稳定切割，其中密度最小的木糖醇颗粒作为磨料切削时，在压力为280 MPa，横移速度为10 mm/min，靶距为1 mm时，得到了最小表面粗糙度值，Ra值为3.19μm；受溶解性影响最小的蔗糖作为磨料时，在压力为280 MPa，横移速度为10 mm/min，靶距为1 mm时，得到了最大切削深度值为47.15 mm。（4）随着横移速度的增加，3种晶粒射流切削骨样断面的划痕长度、宽度和深度均在增加，因此适当的降低横移速度可以改善切削表面质量；随着靶距的增加，3种晶粒射流切削骨样断面划痕长度、宽度和深度表现有一定的差异性，这是磨料的性质存在差异性导致的，密度小、质量小的木糖醇颗粒所需加速时间相对较短，选取较小的靶距划痕深度更浅，切削表面质量更好，氯化钠和蔗糖颗粒密度大、质量大所需加速时间相对较长，选取较大的靶距划痕深度更浅，切削能力更强。（5）氯化钠晶粒射流切削得到的划痕基本呈现宽且深的特点，蔗糖晶粒射流切削得到的划痕呈现长且窄的特点，木糖醇晶粒射流切削得到的划痕呈现短且窄的特点，磨料的形貌特征是导致3种射流切削表面划痕长度、宽度和深度存在差异性的主要因素，氯化钠颗粒形貌特征为方形且边角圆润，切削能力较差，切削产生的划痕相对较宽，质量大的晶体颗粒切削产生的划痕长度更长。

作者：

郭鹏

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关键词：

骨切削手术可溶性晶体颗粒切削深度断面粗糙度力学性质

授予学位：

硕士

学科专业：

机械工程

导师：

赵韡

学位年度：

2023

学位授予单位：

中北大学

语种：

中文

中图分类号：