吳茂忠，王成勇，鄭李娟，陳志樺，劉志華

（廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣州 510000）

磨削加工是現(xiàn)代制造領(lǐng)域中實現(xiàn)精密與超精密加工最有效的工藝技術(shù)之一，在加工硬度較大的材料時具有不可替代的優(yōu)勢。隨著高速、精密磨削技術(shù)的不斷進(jìn)步以及磨削加工理論的快速發(fā)展，磨削加工技術(shù)憑借低沖擊、高精度的加工特點，逐步被應(yīng)用到生物組織加工當(dāng)中。從機(jī)械加工的角度來說，生物組織的磨削加工主要是利用高速旋轉(zhuǎn)中磨頭上的細(xì)小磨粒對軟硬組織進(jìn)行少量、多次去除，達(dá)到對組織修整或者去除的目的。根據(jù)作用組織的不同，有骨組織磨削、皮膚磨削、牙科磨削和血管鈣化組織磨削等，常用的磨削工具包括金剛石線鋸、金剛石磨頭、金剛石車針和血管鈣化組織旋磨頭，如表1所示。

表1 生物組織的磨削加工Tab.1 Grinding in medical operation

磨削加工是一種能量密集型的加工方式，加工過程伴隨著熱和力的產(chǎn)生。這些能量將直接作用于人體并對人體產(chǎn)生影響。同時，生物組織的磨削加工也是一個復(fù)雜的過程，其磨削質(zhì)量的好壞關(guān)系到手術(shù)效果和術(shù)后的康復(fù)。因此，針對不同作用組織的磨削加工技術(shù)逐漸受到臨床醫(yī)生及工程學(xué)的重視，越來越多的學(xué)者對生物組織的磨削加工技術(shù)開展研究，為減少手術(shù)并發(fā)癥和提高手術(shù)安全性提供支持[1-3]。

1 骨組織磨削

1.1 神經(jīng)外科骨磨

骨磨削是神經(jīng)外科手術(shù)中的重要環(huán)節(jié)。在腦腫瘤切除手術(shù)中，神經(jīng)外科醫(yī)生以鼻內(nèi)窺鏡擴(kuò)張入路，采用高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速＞ 50 000 r/min）的微型磨頭對視神經(jīng)、海綿竇和三叉神經(jīng)分支周圍的骨質(zhì)進(jìn)行磨除，以充分暴露顱底區(qū)腫瘤的位置[4]。相比于其他磨削方式，骨磨削是一種能量密集的操作過程，大部分的磨削功率都轉(zhuǎn)化成了熱量，這些熱量從磨削區(qū)域傳遞到骨組織內(nèi)部、磨頭和骨屑中。神經(jīng)組織對高溫特別敏感。一般認(rèn)為熱損傷開始的臨界溫度為43 ℃，過高的溫度會損傷周圍的神經(jīng)組織，可能導(dǎo)致失明、面部肌肉失去控制，或因血液凝固而導(dǎo)致中風(fēng)。另外，神經(jīng)外科骨磨的磨削力過大或者過小都不能達(dá)到理想的手術(shù)效果。

預(yù)測磨削區(qū)域的磨削溫度和磨削力將有利于神經(jīng)外科醫(yī)生開展手術(shù)[5]。SHIH 等[6]指出磨削過程中引起的熱量可能會使手術(shù)區(qū)域周圍的神經(jīng)組織溫度升至50 ℃。TAI 等[7]提出了一種利用電機(jī)PWM 信號對顱底神經(jīng)外科手術(shù)中骨磨削溫升預(yù)測的方法，通過該方法預(yù)測的熱量和溫度與試驗測量值相比，誤差小于20%。WANG 等[8]建立了基于二維磨削理論的熱模型來計算神經(jīng)外科骨磨削過程中的溫度分布，利用試驗數(shù)據(jù)結(jié)合反傳熱方法對熱通量分布進(jìn)行了數(shù)學(xué)估計，結(jié)果證實熱通量隨時間幾乎不變，而在空間分布上沿磨頭橫移方向呈近似三角形分布。YANG 等[9]通過搭建多自由度顱骨外科磨削試驗平臺，能夠準(zhǔn)確測量其磨削溫度和磨削力。

目前，大部分研究采用試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究神經(jīng)外科骨磨過程中的產(chǎn)熱及溫度變化問題。ZHANG 等[10]在牛皮質(zhì)骨上進(jìn)行熱電偶埋入磨削試驗，結(jié)果顯示：磨頭和骨接觸區(qū)域溫度超過200 ℃，在干磨的條件下，接觸區(qū)域周圍3 mm 范圍內(nèi)都可能造成熱損傷。SHAKOURI 等[11]通過紅外熱像儀研究磨削過程中的溫度變化，結(jié)果表明：高的磨頭轉(zhuǎn)速會導(dǎo)致摩擦產(chǎn)熱的增加，使60%～90%的磨削能量迅速傳遞進(jìn)入骨組織，導(dǎo)致其溫度迅速上升，造成神經(jīng)壞死。

磨削工藝參數(shù)將直接影響磨削過程中的磨削力和磨削熱，BABBAR 等[12]研究了磨削轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度和磨削深度3 個工藝參數(shù)對磨削過程中產(chǎn)生的切向力、推力和扭矩的影響，研究結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)速的增加，切向力和扭矩呈減小趨勢，而進(jìn)給深度和磨削深度的增加導(dǎo)致上述3 個力的增大。ZHANG 等[13]利用溫度傳感器和力傳感器，研究磨削工藝參數(shù)(包括磨削深度、進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速)對神經(jīng)外科骨磨削性能的影響，以優(yōu)化磨削工藝，研究結(jié)果表明：磨削深度對磨削溫度和法向力的影響最大，而主軸轉(zhuǎn)速對切向力的影響最大。主軸轉(zhuǎn)速高會使溫度升高到一定程度，但是顯著降低了磨削力。在一定的主軸轉(zhuǎn)速下，降低磨削深度和進(jìn)給速度有利于降低磨削溫度和磨削力。

通過在磨削過程中加入冷卻劑、能場輔助以及研制新型砂輪等手段，可有效抑制神經(jīng)外科骨磨削過程中溫度的上升。目前，有效的冷卻方式有鹽水沖洗、低溫噴霧和納米粒子射流噴霧[14]。 ZHANG 等[15]發(fā)現(xiàn)，相比于液滴冷卻，低溫噴霧反向磨削能夠加強(qiáng)磨削區(qū)的換熱強(qiáng)度，抑制磨削熱損傷，并改善手術(shù)區(qū)域的能見度，如圖1所示。

圖1 神經(jīng)外科骨磨冷卻對比試驗Fig.1 Comparative experiment of bone grinding cooling in neurosurgery

YANG 等[16]對比了干磨削、滴流冷卻、噴霧冷卻和納米粒子射流噴霧冷卻等4 種不同條件下的微磨削溫度場，結(jié)果表明：納米粒子冷卻效果最好。此外，接觸區(qū)的納米顆粒在高溫高壓下熔化或者燒結(jié)形成連續(xù)的填料，與摩擦副的基材精密結(jié)合，實現(xiàn)了摩擦面的自我修復(fù)，如圖2所示。

圖2 納米粒子實現(xiàn)摩擦面自我修復(fù)Fig.2 Nanoparticles realize self-healing of friction surfaces

由于冷卻劑基本為水溶液，因此提高砂輪表面的親水性對于改善冷卻效果具有促進(jìn)作用。ENOMOTO等[17]開發(fā)了一種具有較高親水性的亞微米級TiO2顆粒涂層的新型金剛石砂輪，砂輪表面形成的水膜阻止了砂輪的負(fù)載，使磨削扭矩和骨溫升顯著降低。BABBAR 等[18]進(jìn)行了超聲振動輔助骨磨削的試驗，結(jié)果表明：提供給砂輪的超聲波振動導(dǎo)致磨削部位骨的溫度顯著降低。

1.2 脊柱骨磨削

由于脊柱手術(shù)需要在神經(jīng)血管周圍對骨組織進(jìn)行大量操作，而對脊柱骨組織的手術(shù)復(fù)雜性以及手術(shù)操作難度、精細(xì)程度的要求不斷提高，常規(guī)的脊柱外科器械已經(jīng)無法滿足[19]。高速磨鉆具有沖擊小、噪聲低、減壓徹底等優(yōu)點，而且相對于常規(guī)器械，其使用安全、節(jié)省時間、出血少，同時手術(shù)感染率低。因此，微型磨鉆磨削技術(shù)被廣泛應(yīng)用于脊柱外科手術(shù)，而脊柱骨磨削主要被用于切除病變組織和建立介入器械通道[20]。在脊柱骨磨削過程中，高速磨鉆常見的問題包括磨頭打滑、高溫灼傷和神經(jīng)損傷等。長時間使用容易引起磨鉆溝槽內(nèi)殘存的骨泥碳化，導(dǎo)致其表面光滑，影響磨削效果的同時也容易出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。高速磨鉆與骨面摩擦產(chǎn)生會超過100 ℃的高溫，高溫會對周圍的組織產(chǎn)生灼傷，因此，需要不斷地用生理鹽水進(jìn)行冷卻。磨鉆表面并無銳利的凸起，理論上不會對軟組織造成損傷，但是在壓力過大的情況下，其可能纏繞軟組織造成撕裂損傷[21]。

眾多學(xué)者對微型磨鉆在脊柱骨磨削中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。在頸椎和胸椎入路手術(shù)中，應(yīng)采用由淺入深、逐層進(jìn)行的方式磨除椎骨；在磨骨過程中，加冷卻劑可以降低磨削溫度，采用吸引器吸去積血及碎骨粒能夠保證視野清晰[22]。馬鈞峰等[23]研究發(fā)現(xiàn)：相比于傳統(tǒng)咬骨鉗，采用顯微鏡下的淺行性高速磨鉆能夠更完整地磨除骨贅。HOSONO 等[24]采用新鮮豬腰椎進(jìn)行試驗，發(fā)現(xiàn)：在金剛石磨頭磨削時，溫度可達(dá)77 ℃，產(chǎn)生的熱量會損傷周圍骨組織，尤其是神經(jīng)根，通過540 mL/h的水冷卻能夠有效降低溫度。徐國康等[25]采用經(jīng)皮椎間孔鏡結(jié)合鏡下磨鉆技術(shù)治療各種復(fù)雜類型的腰椎間盤突出癥，發(fā)現(xiàn)80 例患者均順利完成了手術(shù)。其中，1例80 歲女患者的復(fù)雜退變性腰椎間盤突出癥通過經(jīng)皮椎間孔鏡結(jié)合鏡下磨鉆技術(shù)得到了治療，如圖3所示。

圖3 經(jīng)皮椎間孔鏡結(jié)合鏡下磨鉆治療復(fù)雜退變性腰椎間盤突出癥Fig.3 Treatment of complex degenerative lumbar disc herniation with percutaneous foraminoscopy combined with endoscopic grinding

1.3 下頜角磨削

下頜角（見圖4）肥大又稱“方頜畸形”。東方人普遍認(rèn)為女性以“瓜子臉”為美，因此通過手術(shù)改變臉型的人越來越多，而隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，磨骨術(shù)逐漸在下頜角肥大的整形中得到應(yīng)用[26]。下頜角磨削整形是采用磨頭將下頜角和下頜體部外層皮質(zhì)骨磨除，不切除下頜角。采用合適的磨頭可以將下頜角磨除少許或略上提，磨掉的厚度有限，最多只有6 mm，改善效果沒有截骨手術(shù)明顯，但是相對安全，出血少。下頜角磨骨目前已經(jīng)形成多種手術(shù)入路，如口內(nèi)切口入路、耳后切口入路和下頜角下緣切口入路[27]等。相對于其他方式，口內(nèi)切口入路不會留下疤痕，但是操作比較困難。學(xué)者們探討了磨削法在下頜角肥大矯正術(shù)應(yīng)用中的安全性和有效性，結(jié)果表明：絕大部分的下頜角肥大患者術(shù)后恢復(fù)快，無嚴(yán)重的并發(fā)癥，改型效果好[28-30]。

圖4 下頜骨和下頜角Fig.4 Mandible and mandibular angle

2 皮膚磨削

皮膚磨削術(shù)（磨皮術(shù)）是醫(yī)學(xué)美容換膚技術(shù)在臨床上最為常用的一種方法，采用砂石磨頭或者金剛石磨頭對表皮和真皮淺層進(jìn)行可控制的機(jī)械性磨削，以完成對皮膚的治療和美容[31]。磨皮術(shù)是一項歷史悠久的技術(shù)，相關(guān)學(xué)者系統(tǒng)描述了皮膚磨削的方法，并發(fā)展了這一技術(shù)，將改進(jìn)的牙科動力設(shè)備用于磨皮術(shù)，使磨皮術(shù)得到普遍推廣[32]。有文字記載，最早使用的皮膚磨削工具是古埃及人所用的氮化硅砂紙，將其包裹在無菌紗布卷或者注射器外部即可進(jìn)行磨削。ASHIQUE 等[33]自制了3 種對白癜風(fēng)患者進(jìn)行砂紙磨皮的簡單工具，其對于眼瞼邊緣區(qū)域磨皮非常有效。20世紀(jì)50年代之后，陸續(xù)出現(xiàn)了金屬刷和金剛石磨頭等機(jī)械磨削設(shè)備，由于高速旋轉(zhuǎn)的磨頭打磨力度較大，對于操作時掌握磨削的深淺程度要求較高，因此傳統(tǒng)的磨削術(shù)很大概率會引發(fā)并發(fā)癥。GRUBER 等[34]采用電動變速磨皮機(jī)和金剛石砂輪對患者外眥區(qū)眼周皮炎進(jìn)行磨皮治療（見圖5），該方法具有經(jīng)濟(jì)和相對無色素的優(yōu)點。圖6為外眥區(qū)磨皮術(shù)前和術(shù)后18 個月的效果對比。

圖5 外眥區(qū)磨皮Fig.5 Epicanthal dermabrasion

圖6 外眥區(qū)磨皮術(shù)前和術(shù)后的對比Fig.6 Comparison of the effect of microdermabrasion in the lateral canthal area before and after surgery

隨著技術(shù)的進(jìn)步，逐漸研制出微晶磨削、激光磨削和電弧磨削等方法[35]。利用化學(xué)惰性晶體的研磨特性，微晶磨皮術(shù)實現(xiàn)了部分皮膚的消融（見圖7）[36]。作為一種非侵入性的微創(chuàng)手術(shù)，微晶磨皮術(shù)是一個閉環(huán)過程，在真空的狀況下，將小如沙粒狀的晶體高速噴射在皮膚表面，然后由另一管道吸回，將表層的死皮細(xì)胞磨去。氧化鋁是最常用的微晶體（見圖8），其硬度僅次于鉆石，并且是惰性的，其他使用的晶體還包括氯化鈉、碳酸鈉和氯化鎂。通過改變真空壓力、晶體速度、顆粒大小、撞擊角度、晶體通過次數(shù)和探頭移動速度等，可以控制微晶磨皮的消融深度。從技術(shù)上來說，微晶磨皮術(shù)治療方法簡單，副作用少，風(fēng)險低[37]。TSAI 等[38]最先驗證了微晶磨皮術(shù)在面部瘢痕治療中的有效性，其采用微晶磨皮器對41 例不同類型面部瘢痕（痤瘡、創(chuàng)傷、水痘和燒傷疤痕）患者進(jìn)行治療，結(jié)果表明：所有的患者都得到良好的臨床改善。TAN 等[39]表示微晶磨皮術(shù)有助于特定藥物的經(jīng)皮給藥，但是對于皮膚變色和痤瘡的治療效果有限。

圖7 微晶磨皮術(shù)Fig.7 Microdermabrasion

圖8 氧化鋁微晶體SEMFig.8 SEM image of alumina microcrystals

3 齒科磨削

口腔疾病已經(jīng)成為繼癌癥和腦血管疾病之后又一影響人類健康的疾病。口腔疾病中的牙體、牙列缺損、畸形、齲齒和智齒阻生等是人類的常見病和多發(fā)病，因此，口腔修復(fù)工作變得日趨重要[40]。在牙科領(lǐng)域，用高速氣渦輪手機(jī)（見圖9）和牙科車針或磨頭高速磨削牙齒硬組織是牙體修復(fù)、治療以及切除的關(guān)鍵工序。一般來說，采用硬質(zhì)合金車針加工實際上是銑削過程，具有較高的切削效率，常用于微創(chuàng)拔牙；而用金剛石磨頭加工則本質(zhì)上是一種磨削方法，磨頭上的金剛石磨粒分為粗磨粒和細(xì)磨粒，分別適用于粗磨和精磨，常用于牙科修復(fù)、牙體準(zhǔn)備等[41]。牙齒是人類重要的器官，主要由牙釉質(zhì)、牙本質(zhì)以及牙骨質(zhì)等組成，如圖10 所示。牙科磨削主要是對牙體最外層的牙釉質(zhì)進(jìn)行修復(fù)整形，其是一種天然的生物復(fù)合材料，是人體中最堅硬的物質(zhì)，鈣化程度高，具備了硬脆材料的典型特征。磨削加工在牙科修復(fù)中的應(yīng)用包括對病牙或缺失牙進(jìn)行去齲及外形修正，也包括對裝入口腔內(nèi)的修復(fù)體進(jìn)行調(diào)磨、修整以及對修復(fù)體與牙齒的準(zhǔn)確嚙合所采取的進(jìn)一步精細(xì)調(diào)磨[42-43]。

圖9 高速氣渦輪手機(jī)Fig.9 High-speed air driven handpieces

圖10 牙齒剖面結(jié)構(gòu)圖Fig.10 Section structure of teeth

牙科磨削修復(fù)的本質(zhì)是通過牙科手機(jī)車針或者磨頭的高速旋轉(zhuǎn)帶動表面黏結(jié)的金剛石磨粒與牙釉質(zhì)之間的相互磨削，每個磨粒相當(dāng)于一個鋒利的刀刃，相當(dāng)于通過旋轉(zhuǎn)多個切刃，不斷地對牙釉質(zhì)進(jìn)行犁割[44]。這個過程將產(chǎn)生動態(tài)的三維磨削力并伴隨大量的磨削熱[45]，三維磨削力的存在會導(dǎo)致牙體表面出現(xiàn)應(yīng)力集中或內(nèi)部殘余應(yīng)力等問題，磨削力和磨削振動較大會導(dǎo)致患者舒適感較差。而磨削過程中的磨削熱將很快傳遞到牙周組織，導(dǎo)致其周圍區(qū)域溫度驟然升高，嚴(yán)重時可損傷到牙髓內(nèi)的神經(jīng)組織。另外，金剛石顆粒在磨削過程中對牙釉質(zhì)的擠壓和刮擦可能導(dǎo)致其表層損傷。LI 等[46]研究發(fā)現(xiàn)：磨削力與磨削深度和磨削速度呈正比關(guān)系，控制磨削力可以有效降低表面粗糙度，并且當(dāng)磨削方向與釉質(zhì)取向垂直時，表面質(zhì)量最好。XU等[47]研究發(fā)現(xiàn)：在牙體預(yù)備過程中，牙釉質(zhì)的亞表面損傷表現(xiàn)為中位裂紋和分布的微裂紋，并且這些裂紋優(yōu)先沿牙釉質(zhì)棒之間的邊界擴(kuò)展，個別牙釉質(zhì)棒內(nèi)可以觀察到微裂紋（圖11）。WILSON 等[48]量化了馬牙齒磨削過程中牙髓溫度的變化，隨著馬齡的增加牙本質(zhì)可以有效阻隔摩擦熱傳遞到牙髓，減少牙髓損傷。ZHENG 等[49]對比了有無超聲振動輔助對天然牙摩擦磨損性能的影響，結(jié)果表明：超聲振動輔助磨削不僅能降低天然牙的摩擦系數(shù)，而且能降低天然牙的縱向磨損深度（圖12）。

圖11 牙釉質(zhì)磨削表層損傷Fig.11 Surface damage of enamel grinding

圖12 有無超聲振動輔助磨削表面結(jié)構(gòu)對比Fig.12 Comparison of surface structure with and without ultrasonic vibration assisted grinding

4 血管鈣化組織磨削

血管鈣化組織是由脂質(zhì)、鈣化物、斑塊內(nèi)血腫和纖維帽部分或全部成分組成的多組分結(jié)構(gòu)，也稱血管斑塊[50]，如圖13 所示。血管斑塊的形成是一個非常復(fù)雜的過程：斑塊形成的早期，主要局限于動脈內(nèi)膜，呈現(xiàn)黃色脂肪條紋，其體積小，對血管影響很小，不會引發(fā)臨床癥狀；隨著病變的不斷加重，血管內(nèi)的脂肪條紋會逐漸發(fā)展成纖維斑塊，其會造成血管狹窄、血流不暢；當(dāng)纖維斑塊中的脂質(zhì)沉積過多，斑塊的中央基底部因營養(yǎng)不良而發(fā)生壞死、崩解，這些崩解物質(zhì)與脂質(zhì)混合形成粥糜樣物質(zhì)斑塊；血管內(nèi)膜纖維組織增生以及鈣質(zhì)的沉積形成動脈粥樣硬化組織，隨著鈣質(zhì)的不斷積累和動脈壁增厚變硬，最后形成鈣化或重度鈣化組織，血管內(nèi)腔也不斷狹窄，最終完全阻塞[51-52]，如圖13b所示。斑塊的形成會使血液循環(huán)不順暢，導(dǎo)致一些血管疾病的發(fā)生，嚴(yán)重影響人體健康。

圖13 血管鈣化組織及其形成過程Fig.13 Vascular calcified tissue and its formation process

由于血管鈣化組織硬度大，類似于骨、石膏或者羥基磷灰石塊[53]，常規(guī)的治療手段無法將鈣化組織完全清除，因此血管斑塊旋磨術(shù)依然是首選。血管斑塊旋磨術(shù)通過高速旋轉(zhuǎn)的金剛石磨頭將斑塊研磨和消融（圖14）。20世紀(jì)90年代，血管斑塊旋磨術(shù)成為球囊血管成形術(shù)的替代方法。目前，血管斑塊旋磨術(shù)主要作為復(fù)雜和典型鈣化冠狀病變的支架輸送的輔助手段。

圖14 血管鈣化組織旋磨術(shù)Fig.14 Rotational atherectomy for vascular calcification

商業(yè)上主要用的斑塊旋磨系統(tǒng)是美國波士頓科學(xué)集團(tuán)的Rotablator 自轉(zhuǎn)型旋磨系統(tǒng)（簡稱RA 旋磨系統(tǒng)）（圖15）[54]和心血管系統(tǒng)公司的公轉(zhuǎn)型旋磨系統(tǒng)（簡稱OA 旋磨系統(tǒng)）（圖16）[55]。

圖15 RA 旋磨系統(tǒng)Fig.15 RA grinding system

圖16 OA 旋磨系統(tǒng)Fig.16 OA grinding system

RA 旋磨系統(tǒng)采用同心安裝的金剛石旋磨頭，外形呈橄欖形，磨頭表面為鍍鎳涂層。磨頭前半部分鑲嵌有2 000～3 000 顆金剛石，金剛石的顆粒大小為20 μm，而顆粒的突出部分高度僅為5 μm，如圖17 所示。OA旋磨系統(tǒng)采用偏心安裝的金剛石旋磨頭，如圖18 所示。同心安裝的旋磨頭通過前端研磨消融斑塊，因此可開通完全閉塞病變的血管，但是缺點是需要不同尺寸的旋磨頭實現(xiàn)不同的管腔增益，并且在旋磨過程中會導(dǎo)致血流無法正常通過。而偏心金剛石旋磨頭可通過增大轉(zhuǎn)速提高離心力，擴(kuò)大管腔增益，并且不會阻礙血液正常流動，但是該旋磨頭無法對完全閉塞病變的血管進(jìn)行開通[56]。

圖17 同心安裝的旋磨頭結(jié)構(gòu)Fig.17 Concentric mounted rotary grinding head structure

圖18 偏心安裝的旋磨頭結(jié)構(gòu)Fig.18 Eccentrically mounted rotary grinding head structure

血管斑塊旋磨術(shù)采用的金剛石旋磨頭上帶有金剛石顆粒，是根據(jù)“差異切割”原理選擇性地去除纖維化或鈣化的動脈硬化斑塊，如圖19 所示?！安町惽懈睢崩碚撝缚捎羞x擇性地切割一種物質(zhì)，同時保持鄰近組織完整性的能力。由于這種效應(yīng)，金剛石旋磨頭可優(yōu)先研磨和消融質(zhì)地硬的血管斑塊，特別是發(fā)生了鈣化的血管斑塊。在旋磨頭下，質(zhì)地較軟的彈性組織可發(fā)生偏移而不被損傷到[57]。金剛石旋磨頭運轉(zhuǎn)時的轉(zhuǎn)速可超過100 000 r/min，如此高的轉(zhuǎn)速可以將鈣化和纖維化的病變斑塊組織研磨及消融為比紅細(xì)胞還小的微小顆粒而被人體吸收。

圖19 差異性切割原理Fig.19 Differential cutting principle

血管鈣化旋磨術(shù)本質(zhì)上是采用一種機(jī)械的方法將鈣化組織清除，在旋磨過程中產(chǎn)生的熱、力以及斑塊磨屑將直接作用于人體血管、血液和周邊組織[58-60]。有研究表明：斑塊旋磨過程中溫度過高將對血管造成損傷，表現(xiàn)為平滑肌增殖增加和血管再狹窄率提高；血液成分也會受到影響，表現(xiàn)為紅細(xì)胞團(tuán)聚和血小板活化[61]。斑塊旋磨過程中磨削力也是一個需要注意的問題，磨削力過大會引起血管夾層、痙攣，甚至血管穿孔等并發(fā)癥。并且高速旋轉(zhuǎn)的金剛石磨頭不僅對血管中的血液產(chǎn)生大的擾動作用，同時較大的切向力也會引發(fā)血細(xì)胞團(tuán)聚導(dǎo)致慢流或者無復(fù)流[62]。理論上，斑塊旋磨產(chǎn)生的磨屑小于30 μm，該尺寸被認(rèn)為是能夠被人體吸收的安全尺寸，但是考慮到磨削尺寸存在一定的分布范圍，無法保證所有的磨屑都小于30 μm，較大的磨削會隨著血液流向遠(yuǎn)端，造成毛細(xì)血管阻塞，若阻塞出現(xiàn)在心臟或者腦部中，嚴(yán)重時還會導(dǎo)致心肌梗死或腦死亡[63]。斑塊旋磨過程中過大的磨削力、磨屑尺寸和過高的磨削溫度是引起諸多并發(fā)癥的主要原因。

斑塊旋磨作為一種能量密集型加工方式，在手術(shù)過程中會產(chǎn)生大量的熱，通過導(dǎo)管注入生理鹽水既可以對高速旋轉(zhuǎn)的傳動軸進(jìn)行潤滑，又可以起到冷卻作用[64]。在醫(yī)學(xué)研究中普遍認(rèn)為血液溫度超過43 ℃就會對人體造成熱損傷[65-66]。GEHANI 等[67]運用高分辨率紅外成像系統(tǒng)研究豬主動脈在旋磨過程中的溫度變化以及潛在的熱損傷，在沒有用液體沖洗冷卻時，溫度高達(dá)52.8 ℃，明顯高于采用液體沖洗冷卻的11.8 ℃。REISMAN 等[61]對比旋磨過程中磨頭連續(xù)推進(jìn)和間歇推進(jìn)試驗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：連續(xù)推進(jìn)溫升為13.9 ℃，明顯高于間歇推進(jìn)的2.6 ℃。 ERBEL 等[68]通過建立一個體外模型對斑塊旋磨溫升進(jìn)行測試，實驗發(fā)現(xiàn)磨頭在高轉(zhuǎn)速時會造成血液微空化，并且空化持續(xù)時間越長，血液溫升越高。前人對于旋磨過程溫升的研究集中于討論磨削過程產(chǎn)生的熱量，忽略了旋磨裝置的產(chǎn)熱影響。針對這個問題，LIU 等[64-69]在體外搭建了一個溫度測量試驗平臺，研究斑塊旋磨過程中磨削熱和柔性傳動軸的摩擦生熱問題，研究結(jié)果表明：旋磨時，92%的溫升來源于導(dǎo)管內(nèi)部傳動軸與導(dǎo)絲和導(dǎo)管之間的摩擦，磨頭與鈣化組織產(chǎn)生的磨削熱對血液影響小。當(dāng)磨頭轉(zhuǎn)速為175 000 r/mim 時，如果在旋磨過程中出現(xiàn)慢血流或者無復(fù)流，導(dǎo)管出口處的生理鹽水溫升將超過6 ℃。因此，建議采用預(yù)冷至0 ℃的生理鹽水，并將其流速控制在14 mL/min，有效消除旋磨過程中潛在的熱損傷。

通過驅(qū)動軸驅(qū)動，磨頭高速旋轉(zhuǎn)，對斑塊進(jìn)行研磨消融。在這個過程中，磨頭與鈣化組織和血管壁相互作用產(chǎn)生磨削力，過大的磨削力將導(dǎo)致一系列并發(fā)癥的發(fā)生。KIM 等[70]采用激光束對不銹鋼旋磨頭的表面進(jìn)行雕刻修整，在12 000 r/min 的轉(zhuǎn)速下，其對羥基磷灰石/聚丙交酯（HA/PLA）復(fù)合材料的最大凈磨削力為0.72 N。ADAMS 等[71-72]對OA 系統(tǒng)旋磨過程中旋磨頭離心力和血管接觸力進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：旋磨頭離心力與軌道直徑有關(guān)，在60 000 r/min、90 000 r/min和120 000 r/min 等3 個典型的轉(zhuǎn)速下得出血管接觸力峰值范圍為0.1～0.4 N。ZHENG 等[73-74]對斑塊旋磨過程中的磨削力進(jìn)行了建模和研究，得出：磨頭的碰撞力正比于磨頭繞血管公轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速和磨頭的質(zhì)量，磨頭磨削力主要是由少數(shù)高度較高的磨粒確定，97%的磨削力來源于磨頭與鈣化組織的碰撞；在介入治療的過程中，采用輕質(zhì)的磨頭可以有效減小磨削力，減少對正常血管組織的損傷。

在斑塊的旋磨過程中，產(chǎn)生的磨屑會留在人體當(dāng)中，過大的磨屑則會堵塞毛細(xì)血管引發(fā)血液慢流和無再流等并發(fā)癥。 HELGESON 等[75]通過測量流出物和在動脈內(nèi)殘留物的大小分布來識別磨屑顆粒在血管壁上的集聚，結(jié)果顯示：磨屑顆粒并沒有集聚到血管壁上。ADAMS 等[71]采用軌道旋磨術(shù)以120 000～160 000 r/min的轉(zhuǎn)速對石墨塊和尸體動脈粥樣硬化病變樣本進(jìn)行磨削，產(chǎn)生的磨屑顆粒平均直徑為3.0 μm，然后對石墨塊模型進(jìn)行粒度分析，結(jié)果表明：93.1%的磨屑粒徑小于5.0 μm。AHN 等[76-77]對人體血管鈣化組織旋磨后，將收集得到的磨屑分別注入狗和豬的動脈中，臨床和尸檢結(jié)果顯示這些磨屑并未造成狗和豬血管阻塞。LIU 等[78]對鈣化組織的旋磨成屑機(jī)理進(jìn)行了研究，用直徑為2.5 mm的磨頭對4.0 mm內(nèi)徑的牛骨進(jìn)行旋磨，隨著磨頭轉(zhuǎn)速從135 000 r/mim 到175 000 r/mim，磨屑從長條棒狀變?yōu)榍驙睿?0%的磨屑尺寸也從40.00 μm 降到25.29 μm。

學(xué)者們在對血管斑塊旋磨過程中的熱、力和磨屑進(jìn)行體外模擬試驗研究時，采用的骨組織、石膏等替代斑塊與鈣化組織在力學(xué)性能上相似，但是在生物性能上有很大的差異。另外，絕大多數(shù)試驗并非在人體或者動物血管內(nèi)進(jìn)行，這與實際介入手術(shù)中的磨頭與斑塊的相互作用以及磨頭所處的生理環(huán)境不同。因此，這些試驗結(jié)果并不能確切反映斑塊旋磨過程中力、熱的產(chǎn)生和傳遞，以及磨屑的成屑和傳輸?shù)葐栴}，而在臨床手術(shù)中，這些問題會對術(shù)中安全性和術(shù)后并發(fā)癥產(chǎn)生深刻影響。另外，當(dāng)磨頭高速穿過慢性完全閉塞病變時，可能會導(dǎo)致驅(qū)動軸或者導(dǎo)絲因為扭力過大而發(fā)生斷裂[79]。由于橄欖形旋磨頭后端沒有鑲嵌金剛石顆粒，在磨頭回撤過程中可能發(fā)生卡死。盡管斑塊旋磨術(shù)在治療中度及重度血管鈣化方面已經(jīng)被證明是有效的，但如何提高手術(shù)的安全性和降低術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生依然是值得重視的問題。未來，隨著經(jīng)驗的積累和技術(shù)的成熟，斑塊旋磨術(shù)的安全性將進(jìn)一步提高。

5 結(jié)論與展望

從骨組織磨削、皮膚磨削、齒科磨削和血管鈣化組織磨削4 個方面闡述了生物組織的磨削加工研究情況，表2總結(jié)了當(dāng)前研究情況和未來研究方向[1,2,80-81]。

表2 醫(yī)療手術(shù)磨削加工當(dāng)前研究總結(jié)和未來研究方向Tab.2 Summary of current research and future research directions in medical surgical grinding

生物組織的磨削加工本質(zhì)上是利用高速旋轉(zhuǎn)中磨頭上的細(xì)小磨粒對軟硬組織進(jìn)行少量、多次去除，其有效提高了外科手術(shù)的精細(xì)程度和安全性。但是，作為一種能量密集型的加工方式，其在加工過程中產(chǎn)生的磨削熱和磨削力等將直接作用于人體，過高的磨削溫度和磨削力會導(dǎo)致周圍組織損傷，影響手術(shù)成敗、術(shù)后康復(fù)等。并且，由于人體不同組織器官具有不同的結(jié)構(gòu)組成、獨特的生物特性和力學(xué)性能，其磨削加工理論也不盡相同，相應(yīng)手術(shù)所需要的磨削刀具和加工參數(shù)也有所差異，這就要求有更加完善的磨削理論來指導(dǎo)外科醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)，同時對磨削器械的創(chuàng)新和外科醫(yī)生的臨床經(jīng)驗也提出了更高要求。

為了讓磨削技術(shù)給患者帶來更好的手術(shù)效果，并且減少術(shù)后并發(fā)癥的發(fā)生，未來需要研制出更加高效、安全、熱損傷低和機(jī)械損傷小的磨削工具。仿生微結(jié)構(gòu)和涂層技術(shù)將用于對工具表面的處理，能場輔助技術(shù)的應(yīng)用將有利于降低磨削過程中過高的熱量和力的產(chǎn)生。手術(shù)中磨削技術(shù)的廣泛應(yīng)用將會增加外科醫(yī)生的臨床經(jīng)驗，減少因為人為操作失誤造成的磨削損傷。隨著外科手術(shù)向微創(chuàng)化方向發(fā)展，以及通道技術(shù)和內(nèi)鏡技術(shù)的進(jìn)一步普及，磨削加工技術(shù)將提升外科手術(shù)質(zhì)量，滿足未來精準(zhǔn)微創(chuàng)手術(shù)臨床需求。