[发明专利]一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具及其制备方法

说明书

本发明属于骨切削刀具制造技术领域，特别是涉及一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具及其制备方法。在刀屑接触区加工出仿蜣螂表面微结构的织构阵列，包括分布于蜣螂头部的半椭球凸包微结构和分布于蜣螂背部的半椭球凹坑微结构，能够降低刀具切削骨材料过程中的切削温度，并使切削过程更加稳定，抑制裂纹产生，提高表面质量。该仿生刀具可广泛应用于骨干切削手术，不仅能够降低切削温度，还能抑制裂纹产生，从而改善骨材料切削表面质量，不对病人造成二次伤害。

技术领域

本发明涉及骨切削刀具领域，特别是一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具及其制备方法。

背景技术

近年来骨质增生、骨坏死、腰椎间盘突出、颈椎病等骨科疾病患者日益增加，在假体植入和矫形外科技术中对骨外科手术的需求与日俱增。骨外科手术中往往需要对骨材料进行修整加工，如在关节置换和骨折修复手术中，需对骨头进行切削加工，才能满足人工关节和固定钢板的安装匹配的要求。骨材料切削加工的核心技术之一是切削刀具的设计与制造。而采用传统刀具对骨材料进行切削过程中，容易对骨周围组织、血管以及神经组织带来机械和热损伤。特别是当切削温度达到55℃并且持续30s时，骨细胞会严重的坏死；此外，切削过程中容易产生裂纹从对已受损骨骼、周围的骨组织和神经再次造成伤害，阻碍病人术后恢复。

目前，为了提高骨切削手术的可靠性，采取的方法主要包括两个方面：刀具几何尺寸设计和切削工艺参数优化。近些年来，仿生学的研究显示，将具有特殊功能的生物表面微观结构加工到刀具表面上，使刀具在切削加工时实现特殊功能，引起了国内外学术界和产业界的极大关注，为骨切削刀具的研究提供了新的方向。

蜣螂长年在土壤中穿行，其表面微结构尤其是密集排布的头部凸包结构和背部凹坑结构的存在，使其能够大大减少在土壤中的穿行阻力。可见，蜣螂表面形态结构使其具有优秀的抵抗阻力的能力，将其运用在刀具表面上可有效降低摩擦阻力，减少切削热产生。凸包和凹坑微结构边缘对流动切屑易产生“衍生切削”(即二次切削)，使切屑底面部分切屑脱落利于断屑，有效抑制骨材料在切屑分离区域因切屑振动和牵拉产生的裂纹。

中国专利“申请号：200910127238.X”报道了一种齿槽骨切削装置，主要包含一切削组件与一连结组件。切削组件具有一用以研磨切削齿槽骨的研磨切削面，且在研磨切削面开设一主流体流出口。连结组件包含一切削驱动组件与一流体通道。当切削驱动组件驱动切削组件研磨切削出植牙孔，使植牙孔邻接于上颚窦黏膜时，自流体通道经由主流体流出口喷出的一流体，使上颚窦黏膜自植牙孔处与齿槽骨分离，以形成一供进行植牙手术的填骨空间，提高植牙手术成功率。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种新型的基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具及其制备方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于蜣螂表面微结构的仿生骨切削刀具，包括刀具本体，该刀具本体设有刀屑接触区，其特征在于：该刀屑接触区设有点阵结构，其包括若干半椭球凸包和若干半椭球凸包，该若干半椭球凸包和若干半椭球凹坑交错排列在刀屑接触区。

所述半椭球凸包为椭圆旋成体，旋转轴线为椭圆旋成面长轴，其椭圆旋成面长轴为143.2-183.9μm，短轴为55.2-94.7μm。

所述半椭球凸包的椭圆旋成面长轴延长线与切削横刃夹角为0°-90°，相邻半椭球凸包横向间距为155.1-201.4μm，纵向间距为88.4-133.6μm，高度值同半椭球凸包椭圆旋成面半短轴长度，为27.6-47.35μm。

所述半椭球凹坑为椭圆旋成体，旋转轴线为椭圆旋成面长轴，其椭圆旋成面长轴为60.5-115.8μm，椭圆短轴为35.6-85.8μm。