发布日期：2025-04-03 来源：Engineering前沿

在骨科手术中，骨骼的精准磨削是决定手术成败的关键步骤。然而，传统磨削技术因高温、大磨削力等问题，易导致骨骼热坏死和周围神经损伤，成为困扰外科医生多年的技术瓶颈。近日，中国青岛理工大学联合多国科研团队在《机械工程前沿》发表重磅研究成果，提出一种名为“超声振动辅助纳米喷射雾冷却（U-NJMC）”的创新技术，成功将骨骼磨削力降低超75%，温度控制在26.2°C以下，为临床手术提供了更安全高效的解决方案。

传统技术困境：高温与视野受限的双重挑战

骨骼作为人体支撑结构，具有复杂各向异性特征，不同方向的力学性能差异显著。传统干磨削因缺乏冷却，磨削区温度可迅速升至47°C以上，仅需1分钟便会导致骨细胞热坏死；而滴灌冷却虽能降温，但大量生理盐水会模糊手术视野，增加操作难度。此外，磨削产生的碎屑易黏附工具，进一步加剧摩擦和温升。

现有微量润滑（MQL）技术通过雾化少量润滑液冷却，虽环保却因冷却能力有限，无法满足高强度手术需求。如何在不影响视野的前提下实现高效降温，成为亟待突破的技术难题。

技术创新：超声振动+纳米颗粒的“双剑合璧”

研究团队提出的U-NJMC技术，巧妙结合了超声振动（UV）与纳米喷射雾冷却（NJMC）两大核心优势：

超声振动“减阻”：通过20 kHz高频振动，使磨削工具与骨骼周期性分离，减少接触时间，从而降低平均摩擦力。实验表明，仅超声振动即可使磨削力减少53.1%，温度下降9.6%。

纳米润滑“降温”：在生理盐水中添加20纳米二氧化硅（SiO2）颗粒，形成纳米流体。这些颗粒通过“微轴承滚动效应”和“沉积膜润滑”机制，将滑动摩擦转化为滚动摩擦，同时增强热传导效率。数据显示，纳米润滑单独使用可使磨削温度降低33.3%。

当两者协同作用时，U-NJMC展现出惊人效果：与干磨削相比，法向磨削力从5.59 N降至1.39 N（降幅75.1%），摩擦系数降低31.3%，比磨削能耗减少83%，温度稳定在26.2°C，远低于热损伤阈值。

实验验证：多维度数据彰显技术优势

研究以牛胫骨为实验对象，对比了六种磨削条件（干磨削、滴灌、超声、MQL、NJMC、U-NJMC）的性能差异：

磨削力：U-NJMC的法向力和切向力仅为传统方法的1/4，极大减轻了手术器械对骨骼的机械损伤。

温度控制：U-NJMC的磨削温度比超声单独使用低33.5%，较纳米润滑单独使用低10%，有效避免了骨细胞坏死和神经损伤风险。

能效提升：比磨削能量（单位体积材料去除能耗）降至0.42×10⁴ J/mm³，较滴灌节能72.7%，显著提升了手术效率。

临床价值：为精准骨科手术开辟新路径

该技术的突破性在于，首次将超声动力学与纳米材料特性结合，解决了传统技术中冷却与视野不可兼得的矛盾。纳米SiO₂颗粒不仅安全可生物降解，还能通过表面修饰携带药物成分，在术后持续促进骨骼修复。此外，超声振动产生的空化效应可加速碎屑排出，保持工具清洁，进一步延长器械寿命。

研究团队表示，U-NJMC已在小动物实验中验证了安全性，下一步将推动临床转化。未来，这项技术有望应用于颅骨修复、关节置换等高精度手术，为患者缩短康复周期并减少并发症风险。

展望：智能磨削时代的来临

随着生物材料与机械工程的交叉融合，骨科手术正朝着“微创化”和“智能化”迈进。U-NJMC技术的成功，不仅为骨骼加工提供了新范式，也为其他硬脆生物材料（如牙齿、人工关节）的精密处理提供了借鉴。科学家预言，结合实时温度监控与自适应参数调节的“智能磨削系统”，或将成为下一代外科器械的核心发展方向。

这项研究再次证明，基础科学的创新往往是颠覆性医疗进步的源泉。当纳米颗粒与超声波在手术台上共舞，人类距离“无损伤骨科手术”的终极目标，又近了一步。