贾玉梅，刘洪涛，曹希传

（1.中国矿业大学化工学院，江苏 徐州221116;2.中国矿业大学材料学院，江苏 徐州221116）

前言

在人工关节摩擦磨损试验中，血清具有极好的生物性而被用作润滑液，人工关节磨屑沉积于关节滑膜或分散于关节液中，其中的杂质将对磨屑的分离起阻碍作用，而人工关节磨屑特别是超高相对分子质量聚乙烯磨屑具有非磁性和非金属性，密度与人工关节润滑液非常接近，磨屑的有效提取成为研制人工关节磨屑分离装备的一个关键问题.根据摩擦副种类和摩擦副材质不同，人工关节磨屑提取一般分为酸消化法［1，2］、碱消化法［3～7］和酶降解法［8］.酸消化法会引起金属磨屑反应;碱消化法只适用于对陶瓷、聚乙烯、钛合金等磨屑的提取，且所需时间较长，在纳米磨屑提取之后观测形态时易受碱结晶体的影响，实验结果可信度低;酶降解法可以用于任何关节头和关节臼的配伍，易于操作，所需时间较短，磨屑提取结果可信度高，但成本较高.

悬浮液中固体颗粒的分离新方法一直是研究者们感兴趣的课题.传统的方法包括筛分法（机械筛、过滤床或过滤膜），重力驱动法（根据两项的密度差上浮或沉降分离）以及外场作用（离心力、电场、磁场等）来实现异相分离的技术.但当夹杂物和介质之间存在较大的相互作用力或颗粒很小时，上述方法的应用受到了限制，超声分离在固液分离技术日臻成熟的今天占有重要一席.其不仅可实现非电性或非磁性微粒的分离或聚集，也可以分离体积相同而密度不同的生物微粒，在化工及生物医学等领域受到越来越多的关注.

超声波作用下夹杂物收到的辐射力与微粒和介质的特性以及它们的声学特性都有密切的关系.因此在超声波的作用下设计水模型实验方案时，除满足几何相似外还要满足动力相似.超高相对分子质量聚乙烯是应用最为广泛的人工关节材料，而且是产生磨屑病的重要条件之一，本文以密度为940 g/cm3超高相对分子质量聚乙烯磨屑为研究对象.

1 实验部分

1.1 材料

牛血清白蛋白（相对分子质量67 000，杭州四季青生物工程有限公司产品），超高相对分子质量聚乙烯（相对分子质量6 000 000，中国石化齐鲁股份有限公司产品），去离子水.

1.2 仪器与设备

EV－60 紫外可见分光光度计（美国Thermo 公司产品）;40kHz 声化学处理系统（浙江斧正超声波科技有限公司产品）.试验装置如图1 所示.

图1 试验装置简图

1.3 方法

1.3.1 微粒悬液制备

本文作者选用的UHMWPE 原始粉末基本为不规则球状颗粒，平均粒径18.43 μm，液体介质是体积分数25%的小牛血清去离子水的稀释液.由于UHMWPE 颗粒具有极强的疏水性，作者选用低级醇——乙醇作为表面活性剂降低其表面张力，提高亲水性.以与其密度接近的水和酒精的混合液作为分散剂，制得超高相对分子质量聚乙烯悬浮液，混合液中水和酒精的体积比为3∶ 5，再加入体积分数25%的小牛血清去离子水的稀释液中，悬浮状态良好.

1.3.2 牛血清蛋白降解程度测试

利用EV－60 紫外可见分光光度计对不同功率、不同超声作用时间下的牛血清蛋白降解程度进行测试.其原理在于:蛋白质分子中，酪氨酸、苯丙氨酸和色氨酸残基的苯环含有共轭双键，使蛋白质具有吸收紫外光的特性，其吸收峰在260 ～280 nm 范围内，且这一波长范围内的吸收值与蛋白质浓度成正比.根据朗伯－比尔定律，将260 ～280 nm 处的吸光度值控制在0.2 ～0.8 之间.此操作简便，测定迅速，不消耗样品，只需紫外分光光度计及石英比色皿.

1.3.3 超声强化磨屑提取的实验过程

将体积分数为25%的小牛血清去离子水溶液放入40 kHz 声化学处理系统中，调整容器高度，使变幅杆头部进入液面中20 mm 以上，打开声化学处理系统电源，将功率档位分别调整为0，30，40，50 W，超声作用时间分别设定为0，3，6，9 min，启动超声波处理，考察超声作用对牛血清蛋白水溶液降解效果的影响.将配制好的500 mL 牛血清－UHMWPE 悬浮液放入40 kHz 声化学处理系统中，打开声化学处理系统电源，将功率档位调整为30 W，超声作用时间分别设定为5，10，15，20 s，启动超声波处理，观察容器中悬浮液的UHMWPE 分布情况.

2 结果与讨论

2.1 超声对牛血清蛋白降解效果的影响

对体积分数为25%的小牛血清去离子水稀释液进行超声作用，考察超声作用对牛血清蛋白降解效果的影响，如图2 所示.

由图2a ～c 可知，润滑液在波长280 nm 处均出现明显的蛋白质吸光度高峰，表明润滑液中仍含有蛋白质.牛血清蛋白分别在30，40，50 W 超声作用下，蛋白质量浓度均随超声作用时间降低，说明超声破碎对高分子蛋白具有一定的降解作用，但不会从根本上改变牛血清蛋白的结构等.由图2d ～f 可知，牛血清蛋白分别在超声作用3，6，9 min 后，其蛋白浓度均随超声功率的升高降低.罗昭锋［9］等认为:超声破碎是一个持续过程，由于其热效应、气液界面的形成以及自由基的产生，会对目标分子产生多方面的影响，包括聚集、变性、降解等.

图2 超声作用对牛血清蛋白降解的影响

2.2 超声对超高相对分子质量聚乙烯磨屑提取效果的影响

对配制好的500 mL 牛血清－UHMWPE 悬浮液，考察超声作用对超高相对分子质量聚乙烯磨屑提取效果的影响，如图3 所示.

图3 超声作用对牛血清中悬浮UHMWPE 的聚集作用

由图3 可知，聚集体的含量随着超声处理时间的延长而增多，聚集体体积随着超声处理时间的延长而减小.

牛血清中悬浮UHMWPE 的聚集的原因可能有以下几个方面.

1）超声空化作用引起的热效应 该热效应包括整体温度的升高和空穴产生与复合伴随的局部高温高压的变化.空穴破裂时产生的局部高温高压能引起聚集;超声处理时无法完全避免气泡的产生，所以认为气液界面是聚集产生的原因之一.

2）超声振动引起的机械效应 该机械效应使气、液媒质中悬浮粒子以不同速度运动、增加碰撞机会.含气的悬浮液在超声波作用下，随着超声波输入功率的增加，超声凝聚效应增强.

3）超声引起的声射流效应 该声射流效应使聚集体大多是在容器的上半部空间形成.这是因为在换能器附近强烈的声流作用使夹杂物还未来得及潜入容器底部就形成了聚集体.

3 结论

1）牛血清蛋白在30，40，50 W 超声作用下，蛋白浓度均随超声作用时间降低;在超声作用3，6，9 min 后，其蛋白浓度均随超声功率的升高降低.说明超声破碎对高分子蛋白具有一定的降解作用，但不会从根本上改变牛血清蛋白的结构等.

2）超声对牛血清超高相对分子质量聚乙烯悬浮液中颗粒具有凝聚作用，聚集体的含量随着超声处理时间的延长而增多，聚集体体积随着超声处理时间的延长而减小.

3）超声对牛血清超高相对分子质量聚乙烯悬浮液中颗粒的凝聚效应，可以强化人工关节磨屑的提取.

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