·712 工程科学学报，第41卷，第6期 100μm 骨单位断裂 黏合线 骨单位 骨单位断裂 装纹扩展方向 图3骨单位方向垂直于主切削刃方向时的断裂切削的。(a)断裂切削显微图像(b)切削方向和骨单位方向示意图 Fig.3 Fracture cutting in the transverse direction relative to osteon orientation (a)microscopic observation of fracture cutting:(b)schematic diagram of cutting direction relative to osteon 或扩大手术视野，常需要在病患骨处形成孔或腔的 增大，摩擦生热增多，传递给骨组织的能量增 界面，这就需要用到骨钻孔手术.在该手术过程中， 多0,24-.另一方面，钻头直径的增加使得出屑槽 由于骨组织的导热性差，骨组织的剪切变形以及钻 增大，更有利于骨屑排出和热量散失.骨材料的热 头和骨组织、骨屑之间的相互摩擦：加上人体组织特 容量和导热率较低，因此骨屑带走的热量比例很低 殊生理环境，为减少医源感染，医生一般不使用冷却 钻头可认为是两个单刃沿同一轴线环绕而成.因 液而直接采用干式钻削导致局部热量累积，温度急 此，较大的前角意味着切削刃更锋利，钻削力减小. 剧升高，很容易超过骨组织热坏死的临界温度 早在I999年Hillery和Shuaib就指出骨钻削的最优 47℃，造成骨坏死.在进行骨折固定术及关节重建 前角范围是20°~30.后角的存在是为了减少 时，由于骨热坏死导致的植入体松动或其他并发症， 己加工表面和钻头之间不必要的摩擦，过大的后角 将会严重影响治疗效果和伤口愈合.如在下肢骨连 降低了刃口强度.Karmani和Lam指出用于钻骨的 接手术中，植入失败率达到了2%~5%0，严重制 钻头最佳后角范围在12°~15m.螺旋槽又称为 约了手术成功，影响病人康复效果 刃沟，是钻体上的螺旋形沟槽，起到排屑、容屑的作 由于骨钻孔技术在临床上的广泛使用，近年来 用.Bertollo等2图发现三槽钻头相对于双槽钻头钻 国内外对骨钻削的研究也显著增加.当前骨钻削的 削效率更高，生热时间更短，但钻削最高温度却没有 研究主要是集中钻削热的传递及热损伤.影响骨钻 降低.原因可能是骨钻孔产生的切屑很少，螺旋槽 削温度的因素可以大致分为三类：(1)骨自身材质 的优化设计对降低钻削温度的影响有限.值得注意 差异，包括种类、密度、性别、年龄等：(2)钻头规格， 的是三槽钻头的项角是44°而双槽钻头顶角为 即钻头几何尺寸参数，包括钻头前角、后角、螺旋角、 970.螺旋角是钻头螺旋槽上最外圆的螺旋线展 顶角、横刃角度等；(3)钻削工艺参数，包括转速、进 开成直线后与钻头轴线的夹角.Lee等网对牛股骨 给率等，下面将从这几方面归纳近年来骨钻削的研 的钻削研究中发现钻削的最高温度随螺旋角的增大 究成果 而降低，顶角起到定位作用，使得钻头不至于在骨 骨作为一种具有多样性的生物材料，不同生物 组织表面滑动.因此较小的顶角会使钻头更容易刺 体骨质差异明显.即使同种动物不同年龄阶段、不 入工件材料，同时让初始时刻参与钴削的切削刃部 同部位的骨组织生物成分不同，导致骨组织的力学 分减少，进而温度升高.众多学者对顶角对钻削温 性能差别较大.2011年，Karaca等发现雌性牛胫 度的影响进行了研究，没有得出一致性结论 骨的钻削温度在同等工艺条件下总是高于雄性，他 Augustin等在对猪股骨钻削时分别采用80°、100°和 推测与雌性牛骨中钙含量较多有关，未得到相关证 120的顶角，发现顶角改变对温度影响很小0.同 实，同时还发现钻削温度随着骨密度增加而增大. 期Udiljak等的研究发现顶角对钻削力影响显著，对 随后Sezek等网证实骨密度增加会导致施加的轴 温度的影响同样很小0.2011年，Lee等9和Ka- 向力增大从而使得钻削温度升高 raca等在各自的研究中发现钻削温度随顶角的 骨钻削是一种复杂的切削过程，医疗钻头几何 增大而增大. 形态参数在一定程度上决定了钻削性能.众多研究 钻削工艺参数是决定钻削力和钻削热的主要因 表明0，”，钻头直径的增大会导致钻削温度的升 素，用于常规口腔调磨领域的骨钻转速范围通常在 高，这是由于钻头直径增大导致钻头和骨接触面积 3600~7500r·min-1,而骨外科手术的钻骨转速只有工程科学学报，第 41 卷，第 6 期 图 3 骨单位方向垂直于主切削刃方向时的断裂切削［16］． ( a) 断裂切削显微图像 ( b) 切削方向和骨单位方向示意图 Fig． 3 Fracture cutting in the transverse direction relative to osteon orientation［16］: ( a) microscopic observation of fracture cutting; ( b) schematic diagram of cutting direction relative to osteon 或扩大手术视野，常需要在病患骨处形成孔或腔的 界面，这就需要用到骨钻孔手术． 在该手术过程中， 由于骨组织的导热性差，骨组织的剪切变形以及钻 头和骨组织、骨屑之间的相互摩擦; 加上人体组织特 殊生理环境，为减少医源感染，医生一般不使用冷却 液而直接采用干式钻削导致局部热量累积，温度急 剧升 高，很容易超过骨组织热坏死的临界温度 47 ℃，造成骨坏死． 在进行骨折固定术及关节重建 时，由于骨热坏死导致的植入体松动或其他并发症， 将会严重影响治疗效果和伤口愈合． 如在下肢骨连 接手术中，植入失败率达到了 2% ～ 5%［20］，严重制 约了手术成功，影响病人康复效果． 由于骨钻孔技术在临床上的广泛使用，近年来 国内外对骨钻削的研究也显著增加． 当前骨钻削的 研究主要是集中钻削热的传递及热损伤． 影响骨钻 削温度的因素可以大致分为三类: ( 1) 骨自身材质 差异，包括种类、密度、性别、年龄等; ( 2) 钻头规格， 即钻头几何尺寸参数，包括钻头前角、后角、螺旋角、 顶角、横刃角度等; ( 3) 钻削工艺参数，包括转速、进 给率等，下面将从这几方面归纳近年来骨钻削的研 究成果． 骨作为一种具有多样性的生物材料，不同生物 体骨质差异明显． 即使同种动物不同年龄阶段、不 同部位的骨组织生物成分不同，导致骨组织的力学 性能差别较大． 2011 年，Karaca 等［21］发现雌性牛胫 骨的钻削温度在同等工艺条件下总是高于雄性，他 推测与雌性牛骨中钙含量较多有关，未得到相关证 实，同时还发现钻削温度随着骨密度增加而增大． 随后 Sezek 等［22］证实骨密度增加会导致施加的轴 向力增大从而使得钻削温度升高． 骨钻削是一种复杂的切削过程，医疗钻头几何 形态参数在一定程度上决定了钻削性能． 众多研究 表明［20，22--23］，钻头直径的增大会导致钻削温度的升 高，这是由于钻头直径增大导致钻头和骨接触面积 增大，摩 擦 生 热 增 多，传递给骨组织的能量增 多［20，24--25］． 另一方面，钻头直径的增加使得出屑槽 增大，更有利于骨屑排出和热量散失． 骨材料的热 容量和导热率较低，因此骨屑带走的热量比例很低． 钻头可认为是两个单刃沿同一轴线环绕而成． 因 此，较大的前角意味着切削刃更锋利，钻削力减小． 早在 1999 年 Hillery 和 Shuaib 就指出骨钻削的最优 前角范围是 20° ～ 30°［26］． 后角的存在是为了减少 已加工表面和钻头之间不必要的摩擦，过大的后角 降低了刃口强度． Karmani 和 Lam 指出用于钻骨的 钻头最佳后角范围在 12° ～ 15°［27］． 螺旋槽又称为 刃沟，是钻体上的螺旋形沟槽，起到排屑、容屑的作 用． Bertollo 等［28］发现三槽钻头相对于双槽钻头钻 削效率更高，生热时间更短，但钻削最高温度却没有 降低． 原因可能是骨钻孔产生的切屑很少，螺旋槽 的优化设计对降低钻削温度的影响有限． 值得注意 的是三 槽 钻 头 的 顶 角 是 44° 而双槽钻头顶角为 97°［20］． 螺旋角是钻头螺旋槽上最外圆的螺旋线展 开成直线后与钻头轴线的夹角． Lee 等［29］对牛股骨 的钻削研究中发现钻削的最高温度随螺旋角的增大 而降低． 顶角起到定位作用，使得钻头不至于在骨 组织表面滑动． 因此较小的顶角会使钻头更容易刺 入工件材料，同时让初始时刻参与钻削的切削刃部 分减少，进而温度升高． 众多学者对顶角对钻削温 度的 影 响 进 行 了 研 究，没有得出一致性结论． Augustin 等在对猪股骨钻削时分别采用 80°、100°和 120°的顶角，发现顶角改变对温度影响很小［20］． 同 期 Udiljak 等的研究发现顶角对钻削力影响显著，对 温度的影响同样很小［30］． 2011 年，Lee 等［29］和 Ka￾raca 等［21］在各自的研究中发现钻削温度随顶角的 增大而增大． 钻削工艺参数是决定钻削力和钻削热的主要因 素，用于常规口腔调磨领域的骨钻转速范围通常在 3600 ～ 7500 r·min － 1，而骨外科手术的钻骨转速只有 · 217 ·