一种基于猪笼草表面微结构的仿生骨切削刀具及其制备方法

本发明属于骨切削刀具，具体涉及一种基于猪笼草表面微结构的仿生骨切削刀具及其制备方法。

背景技术：

1、骨科疾病在临床医学上属于常见的诊疗项目，并且近年来颈椎病等骨科疾病患者日益增加，对骨外科手术的需求与日俱增。目前骨科方面的疾病大多需要通过外科手术进行治疗，这也是所有治疗方式中应用频率最高且相对有效的方式。在进行骨外科手术的整个过程中必然会进行钻削、磨削等操作，以颈椎管过于狭窄这类病人为例，在对这类群体进行手术时需要对椎板进行减压，主刀医师需要磨削该类人群存在病变的椎板处，以此来扩展椎管处的空间，使压迫的神经被释放。随着科学技术的进步，对骨材料的切削加工研究被越来越多的学者们重视。但由于骨材料是一种生物活性材料，导热性能差，在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损伤和热损伤。并且，不恰当的切削加工会使骨材料出现裂纹，对骨组织造成致命破坏，严重阻碍患者术后恢复。在保证切削质量的同时，切削效率也需要保持高效，使手术在短时间内完成，以此来减少骨外科手术中的感染及并发症等情况发生。

2、将一些具有特殊功能的微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，这类刀具即为仿生切削刀具。国内外众多学者的研究结果表明，仿生刀具对改善切削性能具有良好的效果。切削力、切削温度、加工质量等特性与仿生刀具表面微结构的形貌特征、尺寸息息相关，直接影响骨材料的切削加工性能。现有仿生刀具结构可能不够稳定，在长时间使用或极端条件下可能会出现磨损或失效，影响耐用性和稳定性。不同的刀具材料对表面处理的响应不同，这意味着需要为每种材料开发不同的处理方法，增加了表面处理的兼容性问题。控制表面粗糙度以实现预期的性能指标也是一项挑战，尤其是在需要极高精度的应用中，仿生结构可能会受到环境因素如骨切削中人体组织液渗出及温度变化的影响，导致性能下降。

3、因此非常有必要开发一种新的仿生骨切削刀具。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种基于猪笼草表面微结构的仿生骨切削刀具及其制备方法。

2、食肉植物猪笼草生长在空气潮湿和土壤贫瘠的地方﹐其唇部和蜡质区功能表面极易使昆虫滑落，从而达到捕食获取营养的目的。可见，食肉猪笼草蜡质区的表面形态结构使其对昆虫足垫具有极低摩擦力与粘附力的，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。

3、为了实现以上目的，本发明的技术方案之一为：一种基于猪笼草蜡质区表面微结构的仿生骨切削刀具，包括刀具本体，所述刀具本体设有刀屑接触区，所述刀屑接触区设有若干新月形结构凹坑，所述若干新月形结构凹坑呈等间距规律性几何点阵排列。

4、在本发明的一个优选实施方案中，所述刀具本体为铣刀或钻头。

5、在本发明的一个优选实施方案中，所述新月形结构凹坑为新月形结构内圆弧曲面和新月形结构外圆弧曲面相交而得的双曲面立体，所述新月形结构内圆弧弧度为85.2-94.3°，新月形结构外圆弧弧度为165.4-173.8°，长度为62.47-66.39μm，宽度为16.25-19.20μm，深度为13.92-16.21μm；所述新月形结构内圆弧、新月形结构外圆弧与切削刃夹角均为0°-90°，相邻新月形凹坑结构横向间距为67.21-90.65μm，纵向间距为54.73-68.46μm。

6、为了实现以上目的，本发明的技术方案之二为：一种基于猪笼草蜡质区表面微结构的仿生骨切削刀具在骨切削中的应用。

7、为了实现以上目的，本发明的技术方案之三为：一种基于猪笼草蜡质区表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，包括如下步骤：

8、(1)去除刀具本体表面的氧化层，再进行超声波清洗、氮气吹干、真空烘干；

9、(2)在刀具本体的刀屑接触区采用激光加工若干新月形结构凹坑，其新月形结构凹面与切削刃相对；

10、(3)将经步骤(2)处理后的刀具本体依次置入酸蚀溶液进行酸蚀处理，消除熔渣定形得到仿生结构表面；

11、(4)对步骤(3)得到的仿生结构表面进行强化处理，然后沉积减摩耐磨涂层。

12、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(1)中刀具本体表面的氧化层通过微喷砂处理去除。

13、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)中的若干新月形结构凹坑呈点阵结构。

14、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(2)中激光加工包括采用红外激光在刀屑接触区进行粗加工，再用紫外激光进行精加工。

15、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(3)中酸蚀溶液依次为盐酸溶液、硝酸溶液、氢氟酸/硝酸混合溶液。

16、进一步优选的，所述盐酸溶液浓度为5-15wt％，硝酸溶液浓度为10-20wt％，氢氟酸/硝酸混合溶液中氢氟酸含量为4-8wt％、硝酸含量为5-12wt％。

17、在本发明的一个优选实施方案中，所述步骤(4)中强化处理方式为等离子体轰击，所述减摩耐磨涂层采用磁控溅射技术沉积而得。

18、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

19、1.本发明制得的仿猪笼草表面的仿生骨切削刀具通过在刀屑接触区加工出仿猪笼草表面微结构的点阵结构，包括分布于猪笼草蜡质区的新月形结构凹坑，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；

20、2.本发明制得的仿猪笼草表面的仿生骨切削刀具可以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。

1.一种基于猪笼草蜡质区表面微结构的仿生骨切削刀具，包括刀具本体，其特征在于，所述刀具本体设有刀屑接触区，所述刀屑接触区设有若干新月形结构凹坑，所述若干新月形结构凹坑呈等间距规律性几何点阵排列。

2.如权利要求1所述的基于猪笼草蜡质区表面微结构的仿生骨切削刀具，其特征在于，所述刀具本体为铣刀或钻头。

3.如权利要求1所述的基于猪笼草蜡质区表面微结构的仿生骨切削刀具，其特征在于，所述新月形结构凹坑为新月形结构内圆弧曲面和新月形结构外圆弧曲面相交而得的双曲面立体，所述新月形结构内圆弧弧度为85.2-94.3°，新月形结构外圆弧弧度为165.4-173.8°，长度为62.47-66.39μm，宽度为16.25-19.20μm，深度为13.92-16.21μm；所述新月形结构内圆弧、新月形结构外圆弧与切削刃夹角均为0°-90°，相邻新月形凹坑结构横向间距为67.21-90.65μm，纵向间距为54.73-68.46μm。

4.如权利要求1-3任一项所述的基于猪笼草蜡质区表面微结构的仿生骨切削刀具在骨切削中的应用。

5.一种如权利要求1-3任一项所述的基于猪笼草蜡质区表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

6.如权利要求5所述的基于猪笼草蜡质区表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中刀具本体表面的氧化层通过微喷砂处理去除。

7.如权利要求5所述的基于猪笼草蜡质区表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的若干新月形结构凹坑呈点阵结构。

8.如权利要求5所述的基于猪笼草蜡质区表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中激光加工包括采用红外激光在刀屑接触区进行粗加工，再用紫外激光进行精加工。

9.如权利要求5所述的基于猪笼草蜡质区表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中酸蚀溶液依次为盐酸溶液、硝酸溶液、氢氟酸/硝酸混合溶液，所述盐酸溶液浓度为5-15wt％，硝酸溶液浓度为10-20wt％，氢氟酸/硝酸混合溶液中氢氟酸含量为4-8wt％、硝酸含量为5-12wt％。

10.如权利要求5所述的基于猪笼草蜡质区表面微结构的仿生骨切削刀具的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中强化处理方式为等离子体轰击，所述减摩耐磨涂层采用磁控溅射技术沉积而得。