超聲輔助法提取人工關(guān)節(jié)磨屑的實(shí)驗(yàn)研究*

賈玉梅，劉洪濤，曹希傳

（1.中國礦業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 徐州221116;2.中國礦業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，江蘇 徐州221116）

前言

在人工關(guān)節(jié)摩擦磨損試驗(yàn)中，血清具有極好的生物性而被用作潤滑液，人工關(guān)節(jié)磨屑沉積于關(guān)節(jié)滑膜或分散于關(guān)節(jié)液中，其中的雜質(zhì)將對磨屑的分離起阻礙作用，而人工關(guān)節(jié)磨屑特別是超高相對分子質(zhì)量聚乙烯磨屑具有非磁性和非金屬性，密度與人工關(guān)節(jié)潤滑液非常接近，磨屑的有效提取成為研制人工關(guān)節(jié)磨屑分離裝備的一個(gè)關(guān)鍵問題.根據(jù)摩擦副種類和摩擦副材質(zhì)不同，人工關(guān)節(jié)磨屑提取一般分為酸消化法［1，2］、堿消化法［3～7］和酶降解法［8］.酸消化法會(huì)引起金屬磨屑反應(yīng);堿消化法只適用于對陶瓷、聚乙烯、鈦合金等磨屑的提取，且所需時(shí)間較長，在納米磨屑提取之后觀測形態(tài)時(shí)易受堿結(jié)晶體的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可信度低;酶降解法可以用于任何關(guān)節(jié)頭和關(guān)節(jié)臼的配伍，易于操作，所需時(shí)間較短，磨屑提取結(jié)果可信度高，但成本較高.

懸浮液中固體顆粒的分離新方法一直是研究者們感興趣的課題.傳統(tǒng)的方法包括篩分法（機(jī)械篩、過濾床或過濾膜），重力驅(qū)動(dòng)法（根據(jù)兩項(xiàng)的密度差上浮或沉降分離）以及外場作用（離心力、電場、磁場等）來實(shí)現(xiàn)異相分離的技術(shù).但當(dāng)夾雜物和介質(zhì)之間存在較大的相互作用力或顆粒很小時(shí)，上述方法的應(yīng)用受到了限制，超聲分離在固液分離技術(shù)日臻成熟的今天占有重要一席.其不僅可實(shí)現(xiàn)非電性或非磁性微粒的分離或聚集，也可以分離體積相同而密度不同的生物微粒，在化工及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注.

超聲波作用下夾雜物收到的輻射力與微粒和介質(zhì)的特性以及它們的聲學(xué)特性都有密切的關(guān)系.因此在超聲波的作用下設(shè)計(jì)水模型實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，除滿足幾何相似外還要滿足動(dòng)力相似.超高相對分子質(zhì)量聚乙烯是應(yīng)用最為廣泛的人工關(guān)節(jié)材料，而且是產(chǎn)生磨屑病的重要條件之一，本文以密度為940 g/cm3超高相對分子質(zhì)量聚乙烯磨屑為研究對象.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

牛血清白蛋白（相對分子質(zhì)量67 000，杭州四季青生物工程有限公司產(chǎn)品），超高相對分子質(zhì)量聚乙烯（相對分子質(zhì)量6 000 000，中國石化齊魯股份有限公司產(chǎn)品），去離子水.

1.2 儀器與設(shè)備

EV－60 紫外可見分光光度計(jì)（美國Thermo 公司產(chǎn)品）;40kHz 聲化學(xué)處理系統(tǒng)（浙江斧正超聲波科技有限公司產(chǎn)品）.試驗(yàn)裝置如圖1 所示.

圖1 試驗(yàn)裝置簡圖

1.3 方法

1.3.1 微粒懸液制備

本文作者選用的UHMWPE 原始粉末基本為不規(guī)則球狀顆粒，平均粒徑18.43 μm，液體介質(zhì)是體積分?jǐn)?shù)25%的小牛血清去離子水的稀釋液.由于UHMWPE 顆粒具有極強(qiáng)的疏水性，作者選用低級醇——乙醇作為表面活性劑降低其表面張力，提高親水性.以與其密度接近的水和酒精的混合液作為分散劑，制得超高相對分子質(zhì)量聚乙烯懸浮液，混合液中水和酒精的體積比為3∶ 5，再加入體積分?jǐn)?shù)25%的小牛血清去離子水的稀釋液中，懸浮狀態(tài)良好.

1.3.2 牛血清蛋白降解程度測試

利用EV－60 紫外可見分光光度計(jì)對不同功率、不同超聲作用時(shí)間下的牛血清蛋白降解程度進(jìn)行測試.其原理在于:蛋白質(zhì)分子中，酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸殘基的苯環(huán)含有共軛雙鍵，使蛋白質(zhì)具有吸收紫外光的特性，其吸收峰在260 ～280 nm 范圍內(nèi)，且這一波長范圍內(nèi)的吸收值與蛋白質(zhì)濃度成正比.根據(jù)朗伯－比爾定律，將260 ～280 nm 處的吸光度值控制在0.2 ～0.8 之間.此操作簡便，測定迅速，不消耗樣品，只需紫外分光光度計(jì)及石英比色皿.

1.3.3 超聲強(qiáng)化磨屑提取的實(shí)驗(yàn)過程

將體積分?jǐn)?shù)為25%的小牛血清去離子水溶液放入40 kHz 聲化學(xué)處理系統(tǒng)中，調(diào)整容器高度，使變幅桿頭部進(jìn)入液面中20 mm 以上，打開聲化學(xué)處理系統(tǒng)電源，將功率檔位分別調(diào)整為0，30，40，50 W，超聲作用時(shí)間分別設(shè)定為0，3，6，9 min，啟動(dòng)超聲波處理，考察超聲作用對牛血清蛋白水溶液降解效果的影響.將配制好的500 mL 牛血清－UHMWPE 懸浮液放入40 kHz 聲化學(xué)處理系統(tǒng)中，打開聲化學(xué)處理系統(tǒng)電源，將功率檔位調(diào)整為30 W，超聲作用時(shí)間分別設(shè)定為5，10，15，20 s，啟動(dòng)超聲波處理，觀察容器中懸浮液的UHMWPE 分布情況.

2 結(jié)果與討論

2.1 超聲對牛血清蛋白降解效果的影響

對體積分?jǐn)?shù)為25%的小牛血清去離子水稀釋液進(jìn)行超聲作用，考察超聲作用對牛血清蛋白降解效果的影響，如圖2 所示.

由圖2a ～c 可知，潤滑液在波長280 nm 處均出現(xiàn)明顯的蛋白質(zhì)吸光度高峰，表明潤滑液中仍含有蛋白質(zhì).牛血清蛋白分別在30，40，50 W 超聲作用下，蛋白質(zhì)量濃度均隨超聲作用時(shí)間降低，說明超聲破碎對高分子蛋白具有一定的降解作用，但不會(huì)從根本上改變牛血清蛋白的結(jié)構(gòu)等.由圖2d ～f 可知，牛血清蛋白分別在超聲作用3，6，9 min 后，其蛋白濃度均隨超聲功率的升高降低.羅昭鋒［9］等認(rèn)為:超聲破碎是一個(gè)持續(xù)過程，由于其熱效應(yīng)、氣液界面的形成以及自由基的產(chǎn)生，會(huì)對目標(biāo)分子產(chǎn)生多方面的影響，包括聚集、變性、降解等.

圖2 超聲作用對牛血清蛋白降解的影響

2.2 超聲對超高相對分子質(zhì)量聚乙烯磨屑提取效果的影響

對配制好的500 mL 牛血清－UHMWPE 懸浮液，考察超聲作用對超高相對分子質(zhì)量聚乙烯磨屑提取效果的影響，如圖3 所示.

圖3 超聲作用對牛血清中懸浮UHMWPE 的聚集作用

由圖3 可知，聚集體的含量隨著超聲處理時(shí)間的延長而增多，聚集體體積隨著超聲處理時(shí)間的延長而減小.

牛血清中懸浮UHMWPE 的聚集的原因可能有以下幾個(gè)方面.

1）超聲空化作用引起的熱效應(yīng) 該熱效應(yīng)包括整體溫度的升高和空穴產(chǎn)生與復(fù)合伴隨的局部高溫高壓的變化.空穴破裂時(shí)產(chǎn)生的局部高溫高壓能引起聚集;超聲處理時(shí)無法完全避免氣泡的產(chǎn)生，所以認(rèn)為氣液界面是聚集產(chǎn)生的原因之一.

2）超聲振動(dòng)引起的機(jī)械效應(yīng) 該機(jī)械效應(yīng)使氣、液媒質(zhì)中懸浮粒子以不同速度運(yùn)動(dòng)、增加碰撞機(jī)會(huì).含氣的懸浮液在超聲波作用下，隨著超聲波輸入功率的增加，超聲凝聚效應(yīng)增強(qiáng).

3）超聲引起的聲射流效應(yīng) 該聲射流效應(yīng)使聚集體大多是在容器的上半部空間形成.這是因?yàn)樵趽Q能器附近強(qiáng)烈的聲流作用使夾雜物還未來得及潛入容器底部就形成了聚集體.

3 結(jié)論

1）牛血清蛋白在30，40，50 W 超聲作用下，蛋白濃度均隨超聲作用時(shí)間降低;在超聲作用3，6，9 min 后，其蛋白濃度均隨超聲功率的升高降低.說明超聲破碎對高分子蛋白具有一定的降解作用，但不會(huì)從根本上改變牛血清蛋白的結(jié)構(gòu)等.

2）超聲對牛血清超高相對分子質(zhì)量聚乙烯懸浮液中顆粒具有凝聚作用，聚集體的含量隨著超聲處理時(shí)間的延長而增多，聚集體體積隨著超聲處理時(shí)間的延長而減小.

3）超聲對牛血清超高相對分子質(zhì)量聚乙烯懸浮液中顆粒的凝聚效應(yīng)，可以強(qiáng)化人工關(guān)節(jié)磨屑的提取.

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