[发明专利]飞秒激光在钛或钛合金植入材料表面处理中的应用

说明书

技术领域

本发明的技术方案涉及激光在材料表面处理中的应用，具体地说是飞秒激光在钛或钛合金植入材料表面处理中的应用。

背景技术

金属种植技术修复骨骼或牙齿损伤兴起于20世纪。种植纯钛或钛合金材料手术作为骨骼和牙齿修复的重要手段，由于能兼顾美观性和功能性的要求，近年来越来越多地被临床所采用。然而，种植体植入后引起的应力环境的巨大改变以及相应的周围骨的适应性重建常常导致种植体松动和脱位，致使手术失败。因此，如何赋予种植体生物功能性，提高其表面稳定性、耐磨性能和力学相容性，是现阶段的主要研究任务，其基本手段则是利用金属种植体的表面改性技术。

当前，金属种植体的表面改性技术有喷砂后酸蚀法、离子反应刻蚀法、电化学法、普通激光加工方法和等离子喷涂法。喷砂后酸蚀法制备的表面图案粗糙度不均匀，所获得孔隙的深度和直径不可控；离子反应刻蚀法和电化学法容易引入杂质离子，影响种植体的生物活性；普通激光加工只能在样品表面得到沟槽、较大孔洞等简单结构，无法得到多种结构的组合以适应细胞生长。等离子喷涂能够在制备表面羟基磷灰石涂层的同时提供粗糙表面，但是喷涂只能提供较厚的涂层，厚度为30～150μm，而在高温喷涂后的冷却过程中，由于材料的热膨胀系数不同，容易造成表面涂层与基体间产生较大应力甚至涂层脱落，这也容易导致材料植入后的植入失败。另外，等离子喷涂所用原料为纯HA粉，价格昂贵，设备造价高。而且上述工艺过程复杂、操作困难、影响因素多，不利于其广泛应用。

已报道用于钛或钛合金种植体表面处理以增强种植体与骨组织结合的表面改性方法的文献有：CN1712566公开了电化学法在钛或钛合金植入材料表面处理中的应用，是采用0.5～3M的H₂SO₄溶液对钛或钛合金植入材料表面进行腐蚀以获得表面一定的粗糙度；CN1392799披露了用钛和其他材料制成的植入体和假体的表面处理方法，是用氢氟酸、硫酸和盐酸三种不同酸来连续和单独对植入体区段进行腐蚀处理。然而，应用化学酸腐蚀的方法来处理钛或钛合金植入材料的表面，很难得到均匀的粗糙度，而且不能得到规则的表面图案，不利于诱导细胞的定向生长及促进钛或钛合金材料植入后的伤口愈合。

目前利用飞秒激光对固体材料的加工主要是在透明材质上进行的【飞秒脉冲激光双光子微纳加工技术及其应用，科学通报，2008，53(1)】，原因是在透明材质上飞秒激光的聚焦可以不受表面的限制，可以在材料内部聚焦，只要保证焦点的相对位置就能加工出相应的图案。而对不透明金属材料加工的研究，主要集中在对材料的切割【An optimalprocess of femtosecond laser cutting of NiTi shape memory alloy for fabricationof miniature devices，Optics and Lasers in Engineering 44(2006)1078-1087】、打孔【飞秒激光制备阵列孔金属微滤膜，中国激光，2007，34(8)】、及点的加工【Tsukamoto，M.，K.Asuka，H.Nakano，et al.，Periodic microstructures produced by femtosecondlaser irradiation on titanium plate.Vacuum，2006.80(11-12)】。在应用飞秒激光加工溶液中的块状钛或钛合金材料表面时，由于溶液对光的折射和非线性的影响，使激光在块状钛或钛合金材料表面聚焦变得困难。目前还未见到在液体中应用飞秒激光对块状钛或钛合金材料进行表面处理的报道。特别是在羟基磷灰石悬浊液中进行块状钛或钛合金材料表面处理加工时，由于液体中悬浮颗粒对光的散射作用，当悬浊液浓度过高时，造成激光强度的降低，影响表面图案化加工的效果；而悬浊液浓度过低时，又影响了钙磷盐的负载量。目前也未见到利用飞秒激光将液体中颗粒沉积到固体材料表面的报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供飞秒激光在钛或钛合金植入材料表面处理中的应用方法，通过控制飞秒激光参数和羟基磷灰石悬浊液的浓度，制得在钛或钛合金材料表面具有规则图案结构并负载钙磷盐的钛基生物医学材料，该材料表面有利于诱导细胞的定向生长和促进钛或钛合金植入材料植入后的伤口愈合，克服了现有电化学法及喷砂后酸蚀法、离子反应刻蚀法、普通激光加工方法和等离子喷涂法处理钛或钛合金植入材料的表面很难得到均匀的粗糙度，而且不能得到规则的表面图案的缺点，也克服了仿生生长方法制备的钙磷层与基体结合力差的缺点。