真空球磨時間對金屬磨損顆粒粒度影響的實驗研究＊

藍霞，程明，徐屹，戴閩

(南昌大學第一附屬醫院骨科，南昌 330006)

隨著金屬假體材料和制造工藝的飛速發展，金屬-金屬假體在人工關節置換術中獲得非常廣泛的應用。然而，金屬假體置換術后遠期的無菌性松動嚴重影響關節的使用壽命。因此，對無菌性松動機理的探索是目前的研究熱點之一[1-8]。隨著實驗研究的不斷深入，發現金屬假體長期磨損或離解產生的金屬磨屑所誘導的生物學反應是導致無菌性松動的一個重要因素。獲得實驗用金屬磨損顆粒最簡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困難，顆粒來源稀少，遠遠不能滿足實驗的需求。人工關節的金屬材料具有強度高、硬度高、韌性好、耐磨性好等性能，致使普通機床器械無法加工，需要特定方法[9]。國內文獻常用對磨、過篩或器械公司、國外研究機構贈送的顆粒，國外文獻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，顆粒的各項特性指標變異較大，大量的實驗數據無法重復和比較。本研究參考了Rogers[10]和賈慶衛等[11]報道的真空球磨方法，對金屬假體表面進行摩擦制備磨損顆粒，通過激光測度儀檢測顆粒粒度，以比較不同球磨時間對球磨顆粒粒度的影響，為大量制備金屬磨損顆粒提供實驗參考依據。

1 材料與方法

1.1 切割金屬假體磨塊 從人工關節翻修術中取出關節假體，采用進口線切割機（Sodic日本產型號AQ360Ls）將其切割成不同大小的磨塊，以增加球磨時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，沈陽市新科儀器機電設備廠）所有的組件按照ASTM F1903標準進行清洗，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無水乙醇作為保護液，抽真空，開始球磨，每2h需要停機15min，以避免球磨罐溫度過高發熱。用400目篩網過濾乙醇和磨損顆粒，等待乙醇完全揮發后收集顆粒，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。校準激光測度儀（BT-9300H型激光粒度分布儀分析系統），試樣槽用酒精浸泡15min，等待自然蒸發后，蒸餾水反復沖洗3次。取顆粒混懸液4ml置入測度儀后進行分析[9]。

2 結果

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（見表1）。

表1 不同球磨時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 （見圖1-圖4）。

3 討論

圖1 不同球磨時間獲得的顆粒中位徑大小

圖2 不同球磨時間獲得的顆粒體積平均徑

圖3 不同球磨時間獲得的面積平均徑

圖4 不同球磨時間98%的顆粒直徑范圍

金屬假體顆粒多見于以下幾個界面之間的摩擦產生：⑴金屬假體關節面之間；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，一系列炎癥介質釋放到周圍組織界膜之中，使得局部破骨細胞增生，導致假體周圍骨質吸收，引起無菌性松動[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，體內磨損顆粒的來源非常稀少。因此為進一步研究相關的機制，制備類似于人體內產生的金屬磨損粒是實驗研究的前提條件。而文獻中報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也不同，結果得出的細胞和組織的反應也不盡相同，因此嚴重限制了體內和體外的相關實驗研究。據文獻報道，顆粒的數量、直徑大小、粒度分布、表面形態以及構成的化學元素等理化性質均會產生不同程度地影響[19-22]。本研究的制備方法以期最大限度地獲得與體內近似的磨損顆粒，比較不同球磨時間對磨損顆粒粒度的影響。

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

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，保證球磨內的真空環境，而且墊圈不與容器的內壁接觸，防止墊圈磨損產生雜質，很好地避免了對制備顆粒的污染，保證了制備顆粒的純凈。而且，所有裝置的組件都進行了標準的清洗，75%的酒精浸泡，然后再高溫滅菌，以保證整個球磨過程都是在無污染的環境下進行[9]。

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

球磨時間過長會造成球罐內發熱溫度過高，本研究每次球磨時間2h，而后停機15min，待機器自然冷卻，很好地避免了高溫對球磨顆粒的影響。本實驗研磨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。本實驗得出在研磨48h以內，顆粒大小變化不大，可以選擇較少的研磨時間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間60h。這就為后期選擇合適的球磨時間，減少實驗成本提供了很好的參考依據。

3.2 顆粒粒度測定方法 本研究采用BT-9300H型激光粒度分布儀分析系統對顆粒進行粒度測定，利用測定激光束穿透顆粒混懸液的散射估計出顆粒的平均體積，如假設顆粒為標準球體，則可計算出顆粒直徑。和傳統光鏡或電鏡測量方法相比，具有快速，誤差小，精確度高，操作簡便，可定量分析的優勢，尤其適用于大樣本的測定。激光粒度分析儀的不足之處在于：忽略了顆粒的形狀，可能會對顆粒的計算結果產生一定的影響。

由于金屬顆粒的密度相對較大，在液體中很快就發生沉降，從而影響測量的結果。本實驗研究采用超聲粉碎儀使磨損顆粒均勻混合后，盡快進行測定。本實驗研究各組均獲得了直徑較為均勻的金屬顆粒，這就為相關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，又能最大限度節約球磨時間，減少實驗成本。