鉆頭表面改性對(duì)骨骼切削熱影響的實(shí)驗(yàn)研究

1、<p>　　單位代碼 10006 </p><p>　　學(xué) 號(hào) 10101039 </p><p>　　分類號(hào) TP242 </p><p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)</b></p><p>　　鉆頭表面改性對(duì)骨骼切

2、削熱影響的</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)研究 </b></p><p><b>　　2014年 5 月</b></p><p><b>　　北京航空航天大學(xué)</b></p><p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書(shū)</p><p>　?、?、畢業(yè)設(shè)計(jì)（

3、論文）題目：</p><p>　　鉆頭表面改性對(duì)骨骼切削熱影響的實(shí)驗(yàn)研究 </p><p>　?、?、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）使用的原始資料（數(shù)據(jù)）及設(shè)計(jì)技術(shù)要求：</p><p>　　基于深圳市科技研發(fā)基金基礎(chǔ)研究計(jì)劃的項(xiàng)目擴(kuò)展研究的要求：1）優(yōu)化改進(jìn)已有的骨骼鉆削實(shí)

4、驗(yàn)平臺(tái)；2）分別使用等離子清洗和ta-C涂層對(duì)實(shí)驗(yàn)用鉆頭進(jìn)行處理；3）使用牛骨開(kāi)展骨骼鉆削實(shí)驗(yàn)，測(cè)試等離子清洗和ta-C涂層對(duì)降低切削熱的效果，并對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理。 </p><p>　?、?、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作內(nèi)容：</p><p>　　1)文獻(xiàn)

5、調(diào)研，完成開(kāi)題報(bào)告 。 </p><p>　　2）骨骼鉆削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)優(yōu)化：在已有的骨骼鉆削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的基礎(chǔ)上，通過(guò)引入新型的測(cè)溫手段（如：熱電偶預(yù)埋等）優(yōu)化測(cè)溫方法，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的骨骼鉆削溫度測(cè)量。 　　　　　　　　　　　　 </p><p>　　3)

6、鉆頭等離子清洗對(duì)骨骼鉆削切削溫度的影響研究：嘗試用不同的條件對(duì)鉆頭進(jìn)行等離子清洗，然后用經(jīng)等離子清洗后的鉆頭進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，與普通鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以研究鉆頭等離子清洗對(duì)切削熱的影響規(guī)律。 </p><p>　　4) 鉆頭ta-C涂層對(duì)骨骼鉆削切削溫度的影響研究：對(duì)實(shí)驗(yàn)用鉆頭進(jìn)行ta-C涂層處理，然后用經(jīng)ta-C涂層處理后的鉆

7、頭進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，與普通鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以探索鉆頭ta-C涂層對(duì)切削熱的影響規(guī)律。 </p><p>　　5）完成相關(guān)畢業(yè)論文一篇。 </p><p><b>　?、?、主要參考資料：</b&

8、gt;</p><p>　　[1].Pandey R K, Panda S S. Drilling of bone: A comprehensive review[J]. Journal of Clinical Orthopaedics and Trauma, 2013 [In press].</p><p>　　[2]. Rodríguez-Villanueva C, Enci

9、nas N, Abenojar J, et al. Assessment of atmospheric plasma treatment cleaning effect on steel surfaces[J]. Surface and Coatings Technology, 2013, 236: 450-456.</p><p>　　[3]. Piazza F, Morell G. Wettability o

10、f hydrogenated tetrahedral amorphous carbon[J]. Diamond and Related Materials, 2009, 18(1): 43-50.</p><p>　　[4].Sugita N, Osa T, Mitsuishi M. Analysis and estimation of cutting-temperature distribution durin

11、g end milling in relation to orthopedic surgery. Medical Engineering & Physics, 2009, 31:101–107.</p><p>　　[5]. Augustin G, Davila S, Mihoci K, Udiljak T, Vedrina DS, Antabak A. Thermal osteonecrosis and

12、 bone drilling parameters revisited. Arch Orthop Trauma Surg. 2008, 128: 71-77.</p><p>　　[6]. Lundskog J. Heat and bone tissue. Scand J Plast Reconstr Surg Suppl. 1972, 9:1-80.</p><p>　　生物與醫(yī)學(xué)工程

13、院（系） 生物醫(yī)學(xué)工程 專業(yè)類 101012 班</p><p>　　學(xué)生 孫志彬 </p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）時(shí)間： 自 2014 年 3 月 3 日至 2014 年 6 月 18 日</p><p>　　答辯時(shí)間： 2014 年 6 月 10 日 成績(jī) </p><

14、;p>　　指導(dǎo)教師： 王豫 </p><p>　　兼職教師或答疑教師（并指出所負(fù)責(zé)部分）：</p><p>　　教研室主任 </p><p><b>　　本人聲明</b></p><p>　　我聲明，本論文及其研究工作是由本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下獨(dú)立完成的

15、，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。</p><p><b>　　作者：孫志彬</b></p><p><b>　　簽字：</b></p><p>　　日期：2014年5月</p><p>　　鉆頭表面改性對(duì)骨骼切削熱影響的實(shí)驗(yàn)研究</p><p>　　學(xué)

16、 生：孫志彬 </p><p><b>　　指導(dǎo)教師：王 豫</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　骨骼鉆削是骨科、顱頜面外科、口腔科等手術(shù)的最基本、最常見(jiàn)的手術(shù)操作方式之一。但是在骨骼鉆削過(guò)程中會(huì)有大量的切削熱產(chǎn)生，又由于骨骼是不良的熱傳導(dǎo)體，因此骨骼鉆削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量

17、是不容易消散的，而當(dāng)骨組織溫度超過(guò)一定閾值的時(shí)候就會(huì)造成不可逆的熱損傷。因此，研究骨骼切削熱的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素，探索一種行之有效的骨骼切削熱降低方法具有非常重要的意義和應(yīng)用前景。表面改性技術(shù)是通過(guò)機(jī)械、物理、化學(xué)等方法來(lái)改變材料表面的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài)，使材料表面具有較本體更好的機(jī)械性能。本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了兩種表面改性技術(shù)：Ta-C(非晶鉆石薄膜)涂層技術(shù)和等離子處理技術(shù)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究Ta-C涂層可以增大材

18、料的表面硬度和導(dǎo)熱性，而等離子處理后的材料表面親水性大大提高進(jìn)而在其表面形成水膜。到目前為止，關(guān)于骨骼鉆削中切削熱影響因素的研究幾乎沒(méi)有改變鉆頭表面性質(zhì)從而降低骨骼切削熱的論述，本研究著眼于材料科學(xué)、機(jī)械技術(shù)與生物科學(xué)的交叉點(diǎn)，從改變鉆頭的表面性質(zhì)出發(fā)，將Ta-C涂層技術(shù)和等離子處理技術(shù)應(yīng)用于骨骼鉆削中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證鉆頭表面改性對(duì)降低骨骼切削熱的有效性，同時(shí)探索研究對(duì)切削熱的更精</p><p>　　關(guān)鍵詞：

19、骨骼切削熱，表面改性，Ta-C涂層，等離子處理</p><p>　　Experimental Investigation of Cutting-temperature during Bone Drilling with Drill’s Surface-modification</p><p>　　Author : SUN Zhibin</p><p>　　Tutor

20、 : WANG Yu</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Bone drilling is one of the most basic and common ways in orthopedic surgery, craniofacial surgery and dental surgery. But a large amount

21、 of heat will be generated during the drilling process, and the bone is a poor heat conductor. Therefore, the heat generated during the drilling of bone is not easily dissipated, and the bone tissue when the temperature

22、exceeds a certain threshold value, will suffer irreversible heat damage. For this reason, researching on the mechanism and the influence factor</p><p>　　Key words：Cutting-heat, Surface-modification, Ta-C coa

23、ting, Plasma treatment</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1. 緒論1</b></p><p>　　1.1課題背景及目的：1</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況：2</p><p>　　1.2.

24、1 關(guān)于骨骼鉆削的研究:2</p><p>　　1.2.2 關(guān)于表面改性對(duì)骨骼切削熱的影響8</p><p>　　1.3課題研究方法11</p><p>　　1.3.1骨骼鉆削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)優(yōu)化11</p><p>　　1.3.2 鉆頭等離子處理對(duì)骨骼鉆削切削溫度的影響研究11</p><p>　　1.3.3 鉆

25、頭ta-C涂層對(duì)骨骼鉆削切削溫度的影響研究11</p><p>　　1.4論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容11</p><p>　　2. 骨骼鉆削平臺(tái)優(yōu)化及預(yù)實(shí)驗(yàn)13</p><p>　　2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)化13</p><p>　　2.1.1原實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所用的設(shè)備13</p><p>　　2.1.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)化

26、16</p><p>　　2.2 等離子處理的預(yù)實(shí)驗(yàn)18</p><p>　　2.3 骨鉆削預(yù)實(shí)驗(yàn)21</p><p>　　2.3.1 骨樣本的選擇21</p><p>　　2.3.2 骨骼鉆削參數(shù)優(yōu)化22</p><p>　　3. 骨骼鉆削實(shí)驗(yàn)23</p><p>　　3.1 實(shí)驗(yàn)流

27、程23</p><p>　　3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果24</p><p>　　3.2.1 普通鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果24</p><p>　　3.2.2 等離子處理鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果24</p><p>　　3.2.3 Ta-C 涂層鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果24</p><p>　　3.2.4 Ta-C 涂層后等離子處理鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

28、25</p><p><b>　　結(jié) 論26</b></p><p><b>　　致 謝27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p><b>　　1. 緒論</b></p><p><

29、;b>　　課題背景及目的： </b></p><p>　　近年來(lái)，現(xiàn)代人由于受到生活壓力、工作繁重、環(huán)境污染等因素的諸多影響，人們的骨頭越來(lái)越“脆弱”，提前“老化”現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，使得我國(guó)骨病發(fā)病率成逐年上升的趨勢(shì)。數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)60歲以上老人中，有55%的人患有關(guān)節(jié)疾病、有56%的人患有骨質(zhì)疏松癥，女性發(fā)病率高達(dá)60%至70%；其中，椎間盤(pán)突出癥是引起腰腿痛最常見(jiàn)的疾病，在西方總發(fā)

30、病率15.2%～30%，國(guó)內(nèi)統(tǒng)計(jì)達(dá)到18%。全國(guó)大約有7%-10%的人患上了頸腰椎病，50-60歲年齡段頸腰椎病的發(fā)病率約20%-30%；60-70歲年齡段達(dá)50%。生活質(zhì)量下降、生命受到嚴(yán)重威脅是骨病患者的常態(tài)，值得注意的是，在臨床中年齡在20多歲的年輕患者呈增多的趨勢(shì)。</p><p>　　骨骼鉆削是骨科、顱頜面外科、口腔科等手術(shù)的最基本、最常見(jiàn)的手術(shù)操作方式之一。但是在骨骼鉆削過(guò)程中會(huì)有大量的切削熱產(chǎn)生，又

31、由于骨骼是不良的熱傳導(dǎo)體，因此骨骼鉆削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量是不容易消散的，而當(dāng)骨組織溫度超過(guò)一定閾值的時(shí)候就會(huì)造成不可逆的熱損傷[1]。因此，研究骨骼切削熱的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素，探索一種行之有效的骨骼切削熱降低方法具有非常重要的意義和應(yīng)用前景。表面改性技術(shù)是通過(guò)機(jī)械、物理、化學(xué)等方法來(lái)改變材料表面的形貌、化學(xué)成分、相組成、微觀結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)或應(yīng)力狀態(tài), 使材料表面具有較本體更高的耐蝕、耐磨、耐高溫和抗疲勞等性能, 從而充分發(fā)揮金屬材料的潛力

32、[2]。本實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了兩種表面改性技術(shù)：Ta-C(非晶鉆石薄膜)涂層技術(shù)和等離子處理技術(shù)，實(shí)驗(yàn)表明，等離子清洗后的材料表面具有強(qiáng)親水性[3]，從而可以吸附水膜達(dá)到冷卻鉆頭的作用。而ta-C涂層可以有效降低鉆頭的摩擦系數(shù)[4]，進(jìn)而減少鉆削過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦熱量。到目前為止，關(guān)于骨骼鉆削中切削熱影響因素的研究幾乎沒(méi)有改變鉆頭表面性質(zhì)從而降低骨骼切削熱的論述，本研究著眼于材料科學(xué)、機(jī)械技術(shù)與生物科學(xué)的交叉點(diǎn)，從改變鉆頭的表面性質(zhì)出發(fā)，將Ta-

33、</p><p><b>　　國(guó)內(nèi)外研究狀況：</b></p><p>　　1.2.1 關(guān)于骨骼鉆削的研究:</p><p>　　骨骼鉆削是骨科、顱頜面外科、口腔科等手術(shù)的一種常見(jiàn)的手術(shù)操作方式，尤其是在骨折內(nèi)固定、人工關(guān)節(jié)置換術(shù)中起到了非常重要的作用。由于在骨骼切削過(guò)程中的塑性變形和骨與鉆頭之間的劇烈摩擦?xí)斐纱罅康那邢鳠岬漠a(chǎn)生，而骨骼又具有

34、不良的熱傳導(dǎo)性質(zhì)，導(dǎo)致骨鉆削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量是非常難以消散的，所以其溫度的提高是不可避免的[5]。當(dāng)骨骼溫度上升到一定閾值保持一定時(shí)間以后就很有可能造成骨壞死。骨壞死（ON）是一種暫時(shí)性或永久性血液供應(yīng)缺失造成的疾病。在缺乏血液供應(yīng)的情況下，骨組織可能會(huì)壞死。有多種原因會(huì)造成骨骼的血供缺失：外傷性骨壞死的造成原因是外傷，而非外傷而非創(chuàng)傷性壞死可能是藥物、凝血功能障礙或過(guò)度使用酒精所致。熱創(chuàng)傷是一種亞型創(chuàng)傷性壞死，被稱為骨熱壞死或熱骨壞死

35、[1]。</p><p>　　骨骼鉆削過(guò)程中的熱壞死是一個(gè)非常復(fù)雜的現(xiàn)象[6]。熱對(duì)或組織的損害的程度與溫度升高的幅度和持續(xù)時(shí)間有關(guān)。熱壞死與溫度的關(guān)系分布在已廣泛的范圍內(nèi)（44℃ -100℃ ），從很早的時(shí)候開(kāi)始，就已經(jīng)有關(guān)于骨熱壞死的閾值測(cè)定的研究：Bonfield and Li (1968)[7]對(duì)狗骨進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)：溫度超過(guò)70℃就會(huì)使狗上皮細(xì)胞立即損傷；Lundskog (1972)[8] 對(duì)兔骨研究發(fā)現(xiàn)

36、：55℃持續(xù)30秒將會(huì)導(dǎo)致兔骨細(xì)胞不可逆的死亡；Eriksson and Albrektsson (1983)[9] 也對(duì)兔骨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)得出：47℃持續(xù)1分鐘會(huì)引起兔皮質(zhì)骨的熱壞死 Moritz AR等研究發(fā)現(xiàn)，溫度增加超過(guò)70℃ 后將導(dǎo)致骨細(xì)胞的直接損害[8]，如圖1.1。骨壞死出現(xiàn)的部位常常是溫度等于或高于70℃。人的骨組織與動(dòng)物骨組織從微觀上是不相同的。因此，人皮質(zhì)骨因過(guò)熱而死亡的確切的溫度閾值是尚未可知的。然而，大多數(shù)的

37、作者認(rèn)為，平均溫度47℃，持續(xù)時(shí)間1分鐘可以認(rèn)為是閾值，超過(guò)該閾值人骨將發(fā)生壞死。</p><p>　　圖1.1 上皮細(xì)胞的熱壞死時(shí)間-溫度曲線</p><p>　　鉆骨參數(shù)對(duì)鉆骨過(guò)程中的切削熱的產(chǎn)生起著十分重要的作用。過(guò)去幾十年里，有許多這方面研究。骨骼鉆削過(guò)程中產(chǎn)生的切削熱的多少取決于各種參數(shù)，最重要的參數(shù)大致可分為兩類：1）鉆削參數(shù)和2）鉆頭規(guī)格。</p><p&

38、gt;　　在骨骼鉆削參數(shù)方面：有人認(rèn)為溫度隨鉆頭轉(zhuǎn)速的增加而減少，而另一些人的觀點(diǎn)則正好相反。Thompson[11]研究發(fā)現(xiàn)，在骨骼栓插入體內(nèi)過(guò)程中，從鉆頭鉆點(diǎn)2.5mm到5.0mm的位置，當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?25rpm的速度不斷增加至2000 rpm時(shí)，溫度增加。Vaughan和Peyton[12]在窩洞制備過(guò)程中發(fā)現(xiàn)隨鉆頭轉(zhuǎn)速的增加，溫度上升。Matthews和Hirsch[13]研究在人類尸體的股骨過(guò)程中發(fā)現(xiàn)鉆頭轉(zhuǎn)速?gòu)?45rpm增加到2

39、900rpm，在鉆削過(guò)程中并沒(méi)有觀察到任何顯著的溫度變化。但是他們發(fā)現(xiàn)，增加軸向力和最高溫度與其持續(xù)時(shí)間的下降有關(guān)。在他們測(cè)量的過(guò)程中，施加的軸向力從19.6N增加到117.6 N，鉆頭的轉(zhuǎn)速?gòu)?45rpm增加到2900rpm，最后得出結(jié)論：50℃以上的溫度和持續(xù)時(shí)間都會(huì)隨所施加的軸向負(fù)載的增加而減小。類似的結(jié)果也出現(xiàn)在Augustin[14]等人得出的結(jié)論中，他們發(fā)現(xiàn)在鉆削過(guò)程中的峰值溫度是隨著進(jìn)給速率增加而減小的。Brisman[1

40、5]的鉆削牛皮質(zhì)骨實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鉆頭轉(zhuǎn)速為1800rpm和軸向負(fù)載1.2kg與鉆頭轉(zhuǎn)速為2400rpm和2.4kg的軸向負(fù)載產(chǎn)生的熱</p><p>　　在由Boyne[20]，Moss[21]和Spartz[22]進(jìn)行的骨科手術(shù)過(guò)程中，研究了的高速旋轉(zhuǎn)工具對(duì)骨骼的組織學(xué)的效果。這些研究表明，高轉(zhuǎn)速比低轉(zhuǎn)速可能對(duì)骨骼造成較少的有害影響。Abouzgia[23]等對(duì)牛的股骨進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，不用冷卻液，軸向載荷的范圍從1

41、.5 N 到9.0 N和鉆頭的轉(zhuǎn)速為49,000 rpm。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，軸向載荷小于 4.0 N時(shí)，溫度隨軸向載荷的增加而升高，當(dāng)軸向載荷大于4.0 N時(shí)溫度隨軸向載荷的增加而減小。最后他們得出結(jié)論，隨著軸向載荷增加發(fā)熱率增加，但鉆骨時(shí)間明顯降低，因而產(chǎn)生較少的熱量，于是建議在骨骼鉆削時(shí)使用更大的力。但較高的軸向載荷應(yīng)用在鉆骨過(guò)程中，可能會(huì)導(dǎo)致骨骼的微裂紋或鉆頭破損。因此，除了保持鉆骨盡可能短的時(shí)間，有必要找出最佳的進(jìn)給速度，以使鉆削力不超

42、過(guò)會(huì)造成鉆頭破損或骨骼微裂紋的鉆削力。Iyer[24]等對(duì)兔脛骨進(jìn)行了研究。他們測(cè)量了在鉆頭鉆速為低（2000rpm），中（30,000 rpm），高（400,000 rpm）時(shí)產(chǎn)生的切削熱量，并觀察鉆頭轉(zhuǎn)速與產(chǎn)生的熱量之間的反比關(guān)系。他們還評(píng)估了鉆在上述三種鉆頭轉(zhuǎn)速兔脛骨在鉆削后愈合的速度和質(zhì)</p><p>　　Udiljak[26]等對(duì)豬骨進(jìn)行了高速鉆削實(shí)驗(yàn)，速度范圍在140m/min?225m/min，使

43、用4.5mm鉆，恒定的每齒進(jìn)給為0.1mm。他們得出結(jié)論，對(duì)于這兩種類型的測(cè)試鉆頭，高速鉆孔（140m/min）造成的溫度上升相比標(biāo)準(zhǔn)速度鉆削（6.53m/min）要低。他們還得出，鉆速高于140m/min的骨骼鉆削不會(huì)引起顯著的溫度降低，因此，增加速度至140m/min以上是沒(méi)有意義的。Tu[27]等人在骨鉆削實(shí)驗(yàn)中對(duì)鉆削熱進(jìn)行了研究計(jì)算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著鉆削速度和進(jìn)給推力的增加，鉆削熱隨之降低（如圖1.2,1.3）。</p>

44、<p>　　圖1. 2 使用不同鉆削速度時(shí)骨鉆削溫度隨時(shí)間的變化[27]</p><p>　　圖1. 3使用不同進(jìn)給推力時(shí)骨鉆削溫度隨時(shí)間的變化[27]</p><p>　　冷卻劑也是影響骨科手術(shù)中鉆削熱的一個(gè)重要的因素，因?yàn)樗@著降低在鉆削過(guò)程中的溫度。骨科鉆削過(guò)程中冷卻劑的供給通常采用兩種方法，內(nèi)部和外部冷卻（如圖1.4）。除了帶走熱量，冷卻劑還提供了潤(rùn)滑和沖洗功能。Ma

45、tthews和Hirsch[13]對(duì)人的皮質(zhì)骨進(jìn)行鉆削過(guò)程中時(shí)使用冷卻劑，他們發(fā)現(xiàn)冷卻是非常有效地限制了峰值溫度升高, 在室溫下，用水在300，500和1000ml/min的流速下沖洗。他們發(fā)現(xiàn)，較高的沖洗速率降低了骨鉆削過(guò)程中的產(chǎn)生的溫度，沖洗率為500ml/min或以上時(shí)，溫度不會(huì)增加超過(guò)50℃。</p><p>　　圖1.4 （a）外部冷卻和（b）內(nèi)部冷卻的方法[1]</p><p>

46、;　　Kirschner和Meyer[28]在牙科鉆削時(shí)采用了開(kāi)放式內(nèi)部冷卻系統(tǒng)。他們得出，作為內(nèi)部冷卻的冷卻劑供給在鉆頭的前端，對(duì)骨的沖洗和冷卻效果相結(jié)合，鉆骨的溫度低于外部冷卻或沒(méi)有冷卻劑的溫度。Lavelle和Wedgwood[29]在體外使用19 N的力和轉(zhuǎn)速為350 rpm的低轉(zhuǎn)速進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，得出內(nèi)部沖洗與外部沖洗相比能更有效的降低鉆削溫度。Haider[30]等對(duì)羊進(jìn)行圖像研究，比較外部和內(nèi)部冷卻的影響。他們的結(jié)論是在外部

47、表面上，外部冷卻更有效果，而內(nèi)部冷卻則在深部更有效。隨著深度的增加，內(nèi)部冷卻比外部冷卻有效程度增加。但Benington[31]等在實(shí)驗(yàn)中觀察到，在植入部位由于內(nèi)部和外部冷卻并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)熱量產(chǎn)生明顯差異。因此，他們得出的結(jié)論是使用昂貴的內(nèi)部冷卻來(lái)代替外部沖冷卻有任何好處。Kalidindi[32]發(fā)現(xiàn)鉆削時(shí)不用冷卻液有顯著的溫度上升。他用外部冷卻進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)，來(lái)觀察其對(duì)鉆削溫度的影響，并發(fā)現(xiàn)在鉆削過(guò)程中外部冷卻可以降低產(chǎn)生的溫度。Sen

48、er[33]等對(duì)牛下頜骨進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鉆削腔的表面上相比底面產(chǎn)生更多的熱量。因此，他們建議在鉆削過(guò)程中，外部沖洗可以提供足</p><p>　　鉆削深度和骨皮質(zhì)的厚度也會(huì)影響鉆削過(guò)程中的切削熱的產(chǎn)生。Eriksson[35]等進(jìn)行了在模擬體內(nèi)條件下的實(shí)驗(yàn)，觀察在鉆削兔，狗和人的脛骨鉆削過(guò)程中的溫度上升，他們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的溫度是最高的在人類脛骨中，其次是狗之后是兔。他們的結(jié)論是在給不同的物種進(jìn)行骨鉆削中測(cè)得的溫度的

49、變化是由于在平均的皮層厚度的差異。Hillery和Shuaib[16]同時(shí)對(duì)牛和人骨以一定鉆削參數(shù)和鉆頭規(guī)格進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)與人體骨骼相比牛骨有著較高的溫度。他們解釋說(shuō)，這樣的結(jié)果是由于在平均皮質(zhì)骨厚度的差異，牛（7mm到9mm）和人類尸體（3 mm到5mm）骨。Cordioli和Majzoub[36]對(duì)牛的股骨進(jìn)行了研究，2mm和3mm直徑的螺旋鉆在1500rpm，有外部沖洗的情況下運(yùn)行。他們觀察到，不論鉆頭直徑或是否有存在冷卻機(jī)制

50、，相比4 mm深度在8mm的深度有較高的溫度。Wiggins和Malkin[37]的發(fā)現(xiàn)，在鉆削過(guò)程中溫度的產(chǎn)生是正比于鉆削深度的。因?yàn)殂@槽由骨屑堵塞，導(dǎo)致隨著鉆孔深度的增加力矩和摩擦也會(huì)大幅增加。Oliveira等[38]研究表明，深度是引起骨鉆削期間產(chǎn)生切削熱的主要影響因素。Kalidi</p><p>　　預(yù)鉆對(duì)鉆削熱也有一定的影響。在單步鉆削中只需一個(gè)鉆頭直徑需要用來(lái)制造所需的孔，而在多步法鉆削也稱預(yù)鉆，

51、需要多個(gè)鉆頭，鉆頭直徑逐漸從最小增加到所需的直徑。Matthews[41]等對(duì)人類尸體皮質(zhì)骨進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)預(yù)鉆是減小溫度升高的非常有效的方法。Branemark[42]發(fā)現(xiàn)增加鉆削次數(shù)，逐漸從需要鉆削部位去除材料，可以產(chǎn)生較少的摩擦和并能更好的散熱。Itay和Tsur[43]還建議，預(yù)鉆鉆骨可以有效地減少鉆削過(guò)程中的切削熱。</p><p>　　鉆削能量為制造一個(gè)孔的能量消耗。鉆削能量與在鉆削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量直

52、接相關(guān)。增加消耗的能量意味著較多的熱量產(chǎn)生，并導(dǎo)致的溫度較高。低的切割能量與較少的殘留和熱損傷（開(kāi)裂和壞死）在相互關(guān)聯(lián)。使用較大的力鉆削意味著需要更高的鉆削能量來(lái)制造一個(gè)孔。在過(guò)去幾乎沒(méi)有研究人員完成了的骨鉆孔過(guò)程中能量消耗的計(jì)算。幾乎所有使用在材料的去除中的能量被轉(zhuǎn)換成熱量。Wiggins和Malkin[44]使用不同直徑的鉆頭進(jìn)行骨骼鉆削實(shí)驗(yàn)研究。在恒定推力時(shí)，測(cè)量了進(jìn)給速度，扭矩和比能量。他們已經(jīng)確定鉆頭的堵塞會(huì)導(dǎo)致在鉆削時(shí)扭矩的

53、大幅增加，因此需要增加特定的切割能源。他們沒(méi)有測(cè)量產(chǎn)生的溫度。Jacob和Berry[45]測(cè)量了在鉆削牛脛骨過(guò)程中的扭矩和推力，并使用了不同的鉆頭轉(zhuǎn)速和進(jìn)給率。他們發(fā)現(xiàn)，較低的轉(zhuǎn)速相比于更高的轉(zhuǎn)速，鉆削時(shí)力要高得多，隨著進(jìn)給量的增加力也增加。Karmani和Lam[46]研究了前角對(duì)切削效率的影響和在骨鉆孔??過(guò)程中的特定能量需求，并得發(fā)現(xiàn)，選擇最佳的前角有利于切削，這樣做提高了切削屑的流通并降低了特定切削能量。Abouzgia和Ja

54、mes[47]調(diào)查了鉆削過(guò)程中的能量消耗的影響，使用1</p><p>　　不同的鉆頭規(guī)格對(duì)切削熱也有不可[50]忽視的影響。Kalidindi[48]對(duì)不同直徑鉆頭在鉆削時(shí)的溫度進(jìn)行研究，分別使用直徑為2，3.5和4.3mm的三個(gè)不同的鉆頭并以0.42 mm / s進(jìn)給速率和1200 rpm轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出結(jié)論：隨鉆頭直徑增加，骨和鉆之間的接觸面也增加，所以整體的摩擦加大而導(dǎo)致產(chǎn)熱上升。Hillery和Shu

55、aib[16]對(duì)不同切削前角鉆頭在鉆削時(shí)的溫度進(jìn)行研究，建議最佳的前角為20°-30°，此時(shí)可以充分清除切屑，并產(chǎn)生非常小的軸向力。Karmani和Lam[46]對(duì)外科手術(shù)鉆頭設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)查研究，表明骨鉆削的鉆頭的最佳間隙角在范圍12 °到15°內(nèi)。Davidson和James[50]認(rèn)為，增大螺旋角可以使溫度一致地降低，并且進(jìn)行鉆削操作時(shí)的最佳螺旋角為28°。Augustin[51]等人

56、對(duì)豬股骨進(jìn)行了鉆削實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估鉆頂角對(duì)（80°，100°和120°）在骨鉆孔過(guò)程中產(chǎn)生的溫度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在鉆削過(guò)程中使用不同的頂角對(duì)溫度上升沒(méi)有任何顯著差異。Allan[52]等人對(duì)豬下頜骨進(jìn)行體外實(shí)驗(yàn)，調(diào)查在鉆削過(guò)程中的鉆頭磨損對(duì)溫升的影響。他們檢驗(yàn)了了三種類型的鉆</p><p>　　1.2.2 關(guān)于表面改性對(duì)骨骼切削熱的影響</p><p>　　通過(guò)對(duì)

57、以往研究的綜述可以發(fā)現(xiàn)，目前為止幾乎沒(méi)有關(guān)于在外科手術(shù)方面使用不同的表面改性技術(shù)對(duì)骨骼切削熱影響的研究。因此，本實(shí)驗(yàn)研究將采用表面改性的方式來(lái)觀察其對(duì)骨切削熱的影響。</p><p>　　等離子清洗在完成清洗去污的同時(shí)，還能改變材料本身的表面性質(zhì)，愛(ài)荷華州大學(xué)的Swart KM[53]等研究發(fā)現(xiàn)，短時(shí)間的等離子清洗可以提高鈦合金的生物相容性，有助于成骨細(xì)胞在鈦合金上的附著。Shen Tang[54]等的實(shí)驗(yàn)得出，

58、等離子處理后不銹鋼板的濕潤(rùn)性和表面自由能都得到了提高。Rodríguez-Villanueva C[3]等的實(shí)驗(yàn)證明等離子清洗可以提高材料表面的親水性，這使得清洗后的鉆頭表會(huì)面附著一層水膜，這在骨鉆削過(guò)程中可以起到冷卻鉆頭的作用。圖1.5為本實(shí)驗(yàn)所使用的低壓等離子清洗機(jī)的原理圖</p><p>　　圖1.5 低壓等離子清洗機(jī)的原理圖</p><p>　　ta-C涂層作為超硬類金

59、剛石碳受到越來(lái)越多的關(guān)注，其硬度高，化學(xué)惰性高還具有良好的干運(yùn)行能力[55]，Stefan Makowski[56]等的實(shí)驗(yàn)得出有ta-C涂層的鋼材表面的摩擦系數(shù)比沒(méi)有ta-C涂層的鋼材表面摩擦系數(shù)降低了50%。圖1.5和圖1.6分別為在經(jīng)過(guò)200次鉆孔之后未涂層的K10VHM轉(zhuǎn)位鉆刀和接受ta-C涂層的K10VHM轉(zhuǎn)位鉆刀的電鏡圖片?？偠灾?，具有高硬度、大楊氏模量、低摩擦系數(shù)、高耐磨和耐腐蝕等性能[4]，正是由于ta-C涂層的這些優(yōu)

60、異的性質(zhì)使得它可以有效降低鉆削過(guò)程中的摩擦熱量。圖1.7為ta-C涂層處理后的鉆頭。</p><p>　　圖1.5 在經(jīng)過(guò)200次鉆孔之后，未涂層的K10 VHM轉(zhuǎn)位鉆刀上所出現(xiàn)的刀瘤</p><p>　　圖1.6 接受ta-C涂層的K10 VHM轉(zhuǎn)位鉆刀在經(jīng)過(guò)200次鉆孔之后的磨損狀況</p><p>　　圖1.7 ta-C涂層處理后的鉆頭</p>

61、;<p><b>　　課題研究方法</b></p><p>　　1.3.1骨骼鉆削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)優(yōu)化</p><p>　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，優(yōu)化現(xiàn)有的骨骼鉆削平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆削中進(jìn)給力及鉆削部位骨骼溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。在這一部分主要的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)骨骼在鉆削過(guò)程中的溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量，經(jīng)過(guò)調(diào)研，本實(shí)驗(yàn)最終決定使用光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)。</p><p>　　1

62、.3.2 鉆頭等離子處理對(duì)骨骼鉆削切削溫度的影響研究</p><p>　　嘗試用不同條件對(duì)鉆頭進(jìn)行等離子處理，然后用經(jīng)等離子清洗后的鉆頭進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，與普通鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以研究鉆頭等離子清洗對(duì)切削熱的影響規(guī)律。</p><p>　　1.3.3 鉆頭ta-C涂層對(duì)骨骼鉆削切削溫度的影響研究</p><p>　　對(duì)實(shí)驗(yàn)用鉆頭進(jìn)行ta-C涂層處理，然后用經(jīng)ta-C

63、涂層處理后的鉆頭進(jìn)行鉆削實(shí)驗(yàn)，與普通鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以探索鉆頭ta-C涂層對(duì)切削熱的影響規(guī)律。</p><p><b>　　論文構(gòu)成及研究?jī)?nèi)容</b></p><p><b>　　本論文的構(gòu)成包括：</b></p><p>　　第一章緒論，主要介紹本實(shí)驗(yàn)研究的背景意義，以及國(guó)內(nèi)外對(duì)骨骼鉆削的研究進(jìn)展，著重介紹了不同條

64、件對(duì)骨骼鉆削的切削熱的影響的實(shí)驗(yàn)研究，分析總結(jié)了各種鉆削參數(shù)對(duì)切削熱的影響效果，然后又介紹了本實(shí)驗(yàn)中所用的實(shí)驗(yàn)研究方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容作了一個(gè)簡(jiǎn)要的闡述；</p><p>　　第二章為本實(shí)驗(yàn)研究的預(yù)實(shí)驗(yàn)情況，預(yù)實(shí)驗(yàn)是為了更好的確定及優(yōu)化正式實(shí)驗(yàn)的條件設(shè)置。預(yù)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括三個(gè)方面包括：（1）骨骼鉆削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆削中進(jìn)給力及鉆削部位骨骼溫度的實(shí)時(shí)測(cè)量。（2）等離子處理效果的預(yù)實(shí)驗(yàn)研究，嘗試使用不同的條件

65、對(duì)樣品進(jìn)行等離子處理，并測(cè)試處理后的效果，從而確定正式實(shí)驗(yàn)時(shí)所需的最佳條件。（3）骨骼鉆削的預(yù)實(shí)驗(yàn)，利用優(yōu)化好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行鉆削預(yù)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中使用不同的骨骼和不同的處理方式，比較不同條件下的鉆削結(jié)果，從而探索最優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方式。</p><p>　　第三章為骨骼鉆削正式實(shí)驗(yàn)以及結(jié)論，即利用預(yù)實(shí)驗(yàn)確定的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行骨骼鉆削實(shí)驗(yàn)，然后再分析處理在實(shí)驗(yàn)中獲得的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行誤差分析以及組間獨(dú)立T檢驗(yàn)，來(lái)確定不同組間是否有顯

66、著性差異。</p><p>　　2. 骨骼鉆削平臺(tái)優(yōu)化及預(yù)實(shí)驗(yàn)</p><p>　　2.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)化</p><p>　　原實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所用的設(shè)備</p><p>　　骨骼鉆削實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要包括：INSTRON ElectroPuls E10000萬(wàn)能電子動(dòng)靜態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)；YP-614夾頭調(diào)速電鉆；測(cè)溫系統(tǒng)。</p><p

67、>　　（1）INSTRON ElectroPlus E10000 萬(wàn)能電子動(dòng)靜態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)（如圖2.1）：是在廣泛的動(dòng)靜態(tài)測(cè)試試驗(yàn)領(lǐng)域?yàn)椴牧虾筒考O(shè)計(jì)的最先進(jìn)的材料試驗(yàn)機(jī)。 具有無(wú)油源設(shè)計(jì)專利，線性馬達(dá)技術(shù)，滿足清潔及安靜的測(cè)試環(huán)境需求。為各種材料和部件的動(dòng)靜態(tài)測(cè)試而設(shè)計(jì)，大于100Hz的高動(dòng)態(tài)測(cè)試性，±10kN動(dòng)態(tài)載荷容量和±7kN的靜態(tài)載荷能力，由單相電源提供電能，無(wú)需液壓伺服或氣壓提供動(dòng)能，溫

68、控空氣冷卻系統(tǒng)，作動(dòng)器與上端橫梁高硬度雙立柱加載架精確對(duì)齊，可用于常規(guī)及非常規(guī)樣品的通用T字槽臺(tái)面，緊湊機(jī)型，空間需要0.8㎡。</p><p><b>　　系統(tǒng)要點(diǎn)：</b></p><p>　　動(dòng)態(tài)載荷能力：±10000 N (±2250 lbf)；</p><p>　　靜態(tài)測(cè)試能力：±7000N（±

69、1570lbf）</p><p>　　加載稱量精度：設(shè)定值的±5%或載荷傳感器容量（1-100%）的0.005%，取較大值</p><p>　　線性作動(dòng)器行程：60mm（2.36in.）</p><p>　　壓板間距：887mm（34.5in.）</p><p>　　配置：作動(dòng)缸安裝于雙立柱上端橫梁中間</p><

70、;p>　　裝配：落地，垂直安裝</p><p>　　升降與鎖定裝置：電動(dòng)升降并有手動(dòng)限位裝置</p><p>　　載荷傳感器：安裝在底座的±10kN DynaceII</p><p>　　重量：機(jī)架重950kg，控制器重18kg</p><p>　　電源：?jiǎn)雾?xiàng)220-240V，50/60Hz</p><p&

71、gt;<b>　　冷卻：空氣冷卻</b></p><p>　　工作溫度：+10-+30°C</p><p>　　圖2. 1 INSTRON ElectroPlus E10000萬(wàn)能電子動(dòng)靜態(tài)材料試驗(yàn)機(jī)</p><p>　?。?）一品YP-614夾頭調(diào)速電磨（如圖2.2）：由于無(wú)法直接將其固定在INSTRON材料實(shí)驗(yàn)機(jī)上，因此需要使用柔

72、性桿將電鉆與所需鉆頭間接相連，并把柔性桿固定于INSTRON試驗(yàn)機(jī)上。為此專門(mén)定做了“L”形夾具，它可以將柔性桿一頭固定在INSTRON試驗(yàn)機(jī)的傳感器下方。</p><p>　　圖2. 2一品YP-614夾頭調(diào)速電磨</p><p>　　圖2. 3 與鉆頭相連的柔性桿及定做夾具</p><p><b>　　調(diào)速電磨主要參數(shù)：</b></p

73、><p>　　夾頭尺寸: ￠10mm</p><p>　　無(wú)負(fù)載旋轉(zhuǎn)數(shù): 6000-32000r/min</p><p><b>　　功率: 280W</b></p><p>　　重量: 0.95KG</p><p>　?。?）測(cè)溫系統(tǒng)：實(shí)驗(yàn)臺(tái)原有的測(cè)溫系統(tǒng)為：BP-7033鉑電阻測(cè)溫模塊（如圖2.4

74、），它的有點(diǎn)是精度高、線性好、測(cè)溫范圍寬，穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性好，但是這種測(cè)溫方式是在鉆削結(jié)束后快速插入鉆孔從而測(cè)得切削熱，這種方法的缺點(diǎn)是由于插入傳感器的快慢不能確定等問(wèn)題，所以不能保證測(cè)溫的準(zhǔn)確性，也不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)溫。</p><p>　　圖2. 4 BP-7033鉑電阻測(cè)溫模塊</p><p>　?。?）其他所需設(shè)備：硬組織切片機(jī)用來(lái)處理樣本骨（如圖2.5），電腦一臺(tái)（操作INSTRON系

75、統(tǒng)），臺(tái)鉗用來(lái)夾住骨頭并穩(wěn)定在試驗(yàn)機(jī)平臺(tái)上（如圖2.6），接線板，手術(shù)刀，直尺，橡膠手套。</p><p>　　圖2. 5硬組織切片機(jī)</p><p><b>　　2.6 臺(tái)鉗</b></p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的優(yōu)化</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)溫，目前為止較好的方式是

76、使用熱傳感器植入式測(cè)溫法，植入式熱傳感器測(cè)溫的方法為：使用一個(gè)類似圖2.7所示的鉆削模板來(lái)確定鉆削位置和預(yù)埋熱傳感器的位置，3個(gè)熱傳感器水平距鉆削邊緣一定距離，預(yù)埋深度可調(diào)，可研究不同深度的切削熱的差異。</p><p>　　圖2.7 植入式熱傳感器溫度測(cè)量[1]</p><p>　　經(jīng)過(guò)調(diào)研市場(chǎng)上常用的幾種測(cè)溫傳感器，本實(shí)驗(yàn)最終決定使用光纖光柵溫度傳感器。光纖光柵是一種通過(guò)一定方法使光

77、纖纖芯的折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制而形成的衍射光柵，是一種無(wú)源濾波器件。光纖光柵利用光纖材料的光敏性，通過(guò)紫外光曝光的方法將入射光相干場(chǎng)圖樣寫(xiě)入纖芯，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位光柵，其作用實(shí)質(zhì)上是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過(guò)光纖光柵時(shí)，滿足光纖光柵布拉格條件的波長(zhǎng)將產(chǎn)生反射，其余的波長(zhǎng)透過(guò)光纖光柵繼續(xù)傳輸。由于光柵光纖具有體積小、熔接損耗小、全兼容于光纖、能

78、埋入智能材料等優(yōu)點(diǎn)，并且其諧振波長(zhǎng)對(duì)溫度、應(yīng)變、折射率、濃度等外界環(huán)境的變化比較敏感，因此在光纖通信和傳感領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，作為傳感器光纖光柵具有抗電磁干擾、抗腐蝕、電絕緣、高靈敏度和低成本以及和普通光纖的良好的兼容性等優(yōu)點(diǎn)。本實(shí)驗(yàn)選擇光纖光柵測(cè)溫的最重要原因是它的直徑很小，只有幾百微米，這樣就可以很方便的插入預(yù)埋孔里。圖2.8為本實(shí)驗(yàn)所用的光纖光柵解調(diào)儀，它的解調(diào)中心波長(zhǎng)范圍為1525-1565pm，圖2.9為實(shí)驗(yàn)用的光纖光柵。&

79、lt;/p><p>　　圖2.8光纖光柵解調(diào)儀</p><p><b>　　圖2.9 光纖光柵</b></p><p>　　2.2 等離子處理的預(yù)實(shí)驗(yàn)</p><p>　　在等離子處理的預(yù)實(shí)驗(yàn)中，為了方便檢測(cè)處理結(jié)果，即便于測(cè)量處理后樣品的親水性，實(shí)驗(yàn)使用了一塊厚度為1mm的不銹鋼平板來(lái)代替實(shí)驗(yàn)用鉆頭進(jìn)行等離子處理實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)

80、使用YZD08-5C等離子清洗儀（如圖2.10）來(lái)對(duì)樣品進(jìn)行等離子處理，使用JY-83C視頻接觸角測(cè)定儀（如圖2.11）來(lái)測(cè)定處理后材料表面的親水性。</p><p>　　圖2.11 YZD08-5C等離子清洗儀</p><p>　　圖2.11 JY-83C視頻接觸角測(cè)定儀</p><p><b>　　實(shí)驗(yàn)過(guò)程為：</b></p>

81、<p>　　實(shí)驗(yàn)前先用酒精清洗不銹鋼板的表面，去除油漬等污垢，讓后用視頻接觸角測(cè)定儀測(cè)量其表面親水性；</p><p>　　打開(kāi)等離子清洗儀艙口，放入清潔后的不銹鋼板；</p><p>　　關(guān)閉等離子清洗儀艙口，開(kāi)始抽真空；</p><p>　　當(dāng)?shù)入x子清洗儀抽到真空度接近100且基本不再發(fā)生變化，繼續(xù)抽真空并開(kāi)始等離子清洗；</p>&

82、lt;p>　　清洗一定時(shí)間后結(jié)束清洗，關(guān)閉抽真空，開(kāi)始放氣，當(dāng)真空度為0時(shí)打開(kāi)艙口，取出實(shí)驗(yàn)樣品，關(guān)閉艙口。</p><p>　　再次進(jìn)行接觸角測(cè)定，對(duì)比處理前后樣品表面的親水性。</p><p>　　等離子處理預(yù)實(shí)驗(yàn)本分主要進(jìn)行了兩組：</p><p>　　不同處理時(shí)間的對(duì)比：處理前不銹鋼板的親水性測(cè)定結(jié)果如圖2.12，從圖中我們可以清楚的觀測(cè)到樣品表面的疏

83、水性很高，接觸角已經(jīng)超過(guò)了90°，圖2.13是等離子處理1min后的親水性測(cè)試結(jié)果，從圖中我們可以看到，接觸角已經(jīng)減小到了50.18°，親水性有了改善。圖2.14是等離子處理3min后的親水性測(cè)試結(jié)果，從圖中我們可以看到，接觸角已經(jīng)減小到了0°左右，親水性得到了極大的提高。</p><p>　　圖2.12 處理前不銹鋼板的親水性測(cè)定結(jié)果</p><p>　　圖

84、2.13 等離子處理1min后的親水性測(cè)試結(jié)果</p><p>　　圖2.14 等離子處理3min后的親水性測(cè)試結(jié)果</p><p>　　等離子處理后親水性隨時(shí)間的變化：樣品經(jīng)過(guò)等離子處理后其親水性不是一成不變的，而是隨著時(shí)間的增加親水性在逐漸降低，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得出樣品在等離子處理后接觸角的變化情況如圖2.15。</p><p>　　圖2.15 等離子處理后親水性隨時(shí)間

85、的變化</p><p>　　最后，綜合上述兩組實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，本實(shí)驗(yàn)的等離子處理組的處理?xiàng)l件選為：</p><p><b>　　處理氣體：空氣</b></p><p><b>　　處理時(shí)間：3min</b></p><p>　　處理后保存：浸入蒸餾水中保存，防止親水性下降。</p><

86、;p>　　2.3 骨鉆削預(yù)實(shí)驗(yàn)</p><p>　　2.3.1 骨樣本的選擇</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，因?yàn)槭沁x用植入式光纖光柵傳感器，而光纖光柵傳感器的測(cè)溫段長(zhǎng)度為10mm左右，所以實(shí)驗(yàn)中要打的孔的深度必須超過(guò)10mm，而且測(cè)溫時(shí)要可以觀測(cè)到明顯升溫。綜合這些因素，實(shí)驗(yàn)中作了以下嘗試：</p><p>　　使用豬骨（如圖2.16）：使用豬骨的優(yōu)點(diǎn)是：

87、豬股骨價(jià)格便宜而且容易獲得。缺點(diǎn)是：豬骨皮質(zhì)骨部分太薄，在鉆削的時(shí)候很容易鉆到骨髓腔，這樣的結(jié)果是很難測(cè)到明顯的升溫。因此用豬骨作為樣本的想法被否定了。</p><p>　　圖2.16 豬骨做樣本</p><p>　　使用牛骨：牛骨的皮質(zhì)骨部分較厚，但是切開(kāi)、去除骨髓后發(fā)現(xiàn)牛骨的皮質(zhì)骨最厚的部分仍然不能超過(guò)10mm，所以無(wú)法像常規(guī)骨鉆削那樣沿徑向鉆削，所以本實(shí)驗(yàn)選則沿著軸向鉆削（如圖2.1

88、7）</p><p>　　圖2.17 軸向鉆削</p><p>　　2.3.2 骨骼鉆削參數(shù)優(yōu)化</p><p>　　在骨骼鉆削正式實(shí)驗(yàn)之前有幾個(gè)參數(shù)需要優(yōu)化和確定，包括骨骼鉆削時(shí)間，下降速度，鉆削深度，鉆孔中心到測(cè)溫中心的距離和測(cè)溫點(diǎn)的分布方式。</p><p>　　對(duì)于骨骼鉆削時(shí)間，下降速度和鉆削深度，這三個(gè)參數(shù)密不可分，確定其中兩個(gè)就可

89、以確定剩下的那一個(gè)。由于光纖光柵熱敏范圍大于10mm的原因，為了使光纖光柵的熱敏段盡可能不與空氣接觸又不會(huì)埋的太深導(dǎo)致浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)材料，所以最后研究決定鉆孔深度為20mm。因?yàn)殂@頭在鉆削過(guò)程中下降速度太慢的話不但會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，而且費(fèi)時(shí)間，所以本實(shí)驗(yàn)選擇的下降速度為40mm/min。</p><p>　　如果只考慮測(cè)溫的準(zhǔn)確性的話，鉆孔中心到測(cè)溫中心的距離越近越好，但是又因?yàn)殂@孔中心到測(cè)溫中心太近的話就會(huì)在鉆削的

90、過(guò)程中不小心把光纖光柵鉆斷所以綜合考慮測(cè)溫和儀器安全問(wèn)題，本實(shí)驗(yàn)中測(cè)溫中心到鉆孔中心的距離為5mm。</p><p>　　對(duì)于測(cè)溫點(diǎn)的分布問(wèn)題，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)是從軸向鉆削的，而實(shí)驗(yàn)用鉆頭的直徑為4mm，牛骨皮質(zhì)骨部分的厚度有限，所以只能在鉆孔的兩側(cè)各預(yù)埋一個(gè)光纖光柵測(cè)溫傳感器。這樣就需要在鉆孔之前在與鉆孔的位置兩側(cè)到鉆孔中心5mm的地方各打一個(gè)深20mm，直徑1mm的預(yù)埋孔。</p><p>

91、<b>　　其他參數(shù)：</b></p><p><b>　　環(huán)境溫度：室溫</b></p><p><b>　　鉆頭直徑：4mm</b></p><p>　　鉆頭鉆速：8000轉(zhuǎn)/min</p><p><b>　　3. 骨骼鉆削實(shí)驗(yàn)</b></p&

92、gt;<p><b>　　3.1 實(shí)驗(yàn)流程</b></p><p>　　本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要可分為以下步驟：</p><p>　　鉆頭表面處理，本實(shí)驗(yàn)所需要做的表面處理有三種：</p><p>　　等離子處理：將鉆頭用酒精擦洗干凈后，放入等離子清洗儀里處理3min，然后浸入蒸餾水中待用；</p><p>　

93、　Ta-C涂層：由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，這一過(guò)程由相關(guān)單位代為完成；</p><p>　　Ta-C涂層后等離子處理：將做過(guò)Ta-C涂層后的鉆頭用酒精擦洗干凈后，放入等離子清洗儀里處理3min，然后浸入蒸餾水中待用；</p><p>　　實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備：實(shí)驗(yàn)研究選用牛股骨作為骨樣本進(jìn)行骨骼鉆削實(shí)驗(yàn)。使用硬組織切片機(jī)（如圖2.5）將骨切成段。實(shí)驗(yàn)前一小時(shí)，將骨樣本浸入恒溫水浴鍋內(nèi)解凍一小時(shí)，溫度設(shè)置

94、為室溫；去除解凍后骨樣本表面的肌肉、骨膜等附著物；將骨樣本固定在樣本夾具上，調(diào)整骨樣本位置保證預(yù)鉆削位置表面與鉆頭基本垂直。</p><p>　　測(cè)溫傳感器預(yù)埋：在鉆削之前，先在與鉆孔的位置兩側(cè)到鉆孔中心5mm的地方各打一個(gè)深20mm，直徑1mm的預(yù)埋孔，再將光纖光柵的熱敏部分涂上導(dǎo)熱硅脂后插入預(yù)埋孔里。</p><p>　　鉆削實(shí)驗(yàn)：開(kāi)始測(cè)溫并記錄溫度之后再打開(kāi)電鉆，然后力學(xué)實(shí)驗(yàn)機(jī)的按照

95、預(yù)設(shè)好的程序運(yùn)行，開(kāi)始鉆削。本實(shí)驗(yàn)所用鉆頭共有四種：普通鉆頭，等離子處理后的鉆頭，Ta-C涂層的鉆頭，Ta-C涂層后等離子處理的鉆頭。每次鉆削結(jié)束后，立即拔出鉆頭，在樣本冷卻至室溫后，再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　數(shù)據(jù)處理：記錄實(shí)驗(yàn)中的鉆孔兩側(cè)溫度，并求出在鉆削過(guò)程中的最大值，觀測(cè)對(duì)比不同表面處理情況下的切削熱的量。</p><p><b>　　3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果</b&

96、gt;</p><p>　　3.2.1 普通鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　普通鉆頭一共選用了三根進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，普通鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3.1：</p><p>　　表3.1 普通鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　由表3.1可知普通鉆頭所得的平均溫度為70.38。</p><p>　　3.2.2 等離子處理鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)

97、果</p><p>　　離子處理處理鉆頭實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3.2</p><p>　　表3.2 等離子處理鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　由表3.2可知等離子處理鉆頭所得的平均溫度為66.49。</p><p>　　3.2.3 Ta-C 涂層鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　Ta-C 涂層鉆頭一共選用了三根進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，其

98、實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3.3：</p><p>　　表3.3 Ta-C涂層鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　由表3.3可知Ta-C 涂層鉆頭所得的平均溫度為64.14。</p><p>　　3.2.4 Ta-C 涂層后等離子處理鉆頭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　Ta-C 涂層后等離子處理鉆頭實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3.4：</p><p

99、>　　表3.4 Ta-C 涂層后等離子處理鉆頭實(shí)驗(yàn)結(jié)果</p><p>　　由表3.4可知Ta-C 涂層后等離子處理鉆頭所得的平均溫度為68.87。</p><p>　　由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，等離子出和Ta-C 涂層都可以在一定程度降低骨骼鉆削的切削熱。對(duì)各個(gè)實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組（普通鉆頭組）間做獨(dú)立T檢驗(yàn)，結(jié)果如表3.5。</p><p>　　表3.5 實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照

100、組間的獨(dú)立T檢驗(yàn)</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　隨著社會(huì)的發(fā)展時(shí)代的進(jìn)步，人們受到生活壓力、工作繁重、環(huán)境污染等因素的諸多影響，越來(lái)越多的人患有骨骼疾病，其中作為骨科手術(shù)中最常見(jiàn)的骨鉆削手術(shù)方式漸漸受到人們的重視。近三十年來(lái)，許多科學(xué)研究都是針對(duì)如何有效降低骨骼切削熱這一領(lǐng)域。從改變骨骼鉆削的參數(shù)到研究鉆頭的結(jié)構(gòu)，都從一定層面上介紹

101、并解決了降低切削熱的方式方法。然而，在前人的研究中，降低切削熱的方法都沒(méi)有涉及表面改性，因此在前人的理論基礎(chǔ)上，我們對(duì)鉆頭進(jìn)行表面改性處理，來(lái)探索新型有效降低骨骼切削熱的途徑。</p><p>　　從第三章的實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及結(jié)果分析看來(lái)，我們得出了比較清晰明確的結(jié)論：通過(guò)對(duì)鉆頭表面改性實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組普通鉆頭結(jié)果對(duì)比分析，等離子處理和Ta-C 涂層都在一定程度上可以降低骨骼切削熱。</p><p&g

102、t;<b>　　致 謝</b></p><p>　　為期一個(gè)學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)馬上就要進(jìn)入尾聲，回顧整個(gè)過(guò)程，覺(jué)得感慨良多，從開(kāi)始時(shí)準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)材料、做預(yù)實(shí)驗(yàn)，到后來(lái)開(kāi)始正式實(shí)驗(yàn)，這個(gè)過(guò)程免不了有各種磕磕絆絆，太大的問(wèn)題沒(méi)有，大小問(wèn)題也是層出不窮，但總的來(lái)說(shuō)都已經(jīng)被克服了。在這個(gè)過(guò)程中我同時(shí)也學(xué)到了很多東西，有很多人讓我發(fā)自內(nèi)心的感激。</p><p>　　首先，我要感謝王

103、豫老師，如果沒(méi)有他就沒(méi)有這個(gè)課題。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中我遇到各種困難，可是每次都能得到王豫老師的耐心協(xié)助，他教會(huì)了我許多東西，沒(méi)有他的孜孜不倦，也沒(méi)有我實(shí)驗(yàn)的成功完成。</p><p>　　其次我要感謝陳堯和師述昌兩位學(xué)弟，在他們的幫助下我得以更好地完成實(shí)驗(yàn)，如果沒(méi)有他們實(shí)驗(yàn)將無(wú)法順利完成</p><p>　　還有要感謝我的家人和505寢室的各位舍友，我與他們分享了實(shí)驗(yàn)中的各種苦與樂(lè)，也是他們的

104、支持和傾情奉獻(xiàn)才讓我能夠在之前的3個(gè)月長(zhǎng)周期實(shí)驗(yàn)中堅(jiān)持下來(lái)。</p><p>　　在畢業(yè)論文即將截稿之際，我內(nèi)心充滿感慨，回顧之前的畢設(shè)歷程，有太多的人要感謝，各位老師學(xué)長(zhǎng)學(xué)姐以及同學(xué)們給了我無(wú)言的幫助，使得我能夠順利完成此文，謝謝你們！</p><p><b>　　孫志彬 </b></p><p><b>　　二〇一四年六月&l

105、t;/b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　Pandey R K, Panda S S. Drilling of bone: A comprehensive review[J]. Journal of Clinical Orthopaedics and Trauma, 2013 [In press].</p>&l

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