[发明专利]飞秒激光在纯钛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纯钛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。良好的骨结合是纯钛种植体正常行使功能和确保手术成功的生物学基础。为增加骨结合的效果，种植体表面规则图案化可加强细胞、生物分子的生物学作用，如细胞的分化、增殖，加快新骨的长入。研究表明，细胞的生长对植入材料的表面形态是有选择性的，通常细胞在沟槽构形的表面将沿突起部分或是纤维进行取向和迁移。这以现象称为细胞培养的接触诱导，在具有沟槽构形的植入材料表面，细胞的生长将沿沟槽方向爬行，细胞足紧紧抓住沟槽构形表面，显著提高了细胞的贴附力。在具有拓扑构形的植入材料粗糙表面，能够为细胞提供多种不同的粗糙度以适合细胞不同部位的贴附。特别是具有孔洞构形的植入材料表面更有利于细胞伪足的攀附，增加细胞与基质材料之间的作用力。而且孔洞的基底有利于水分、无机盐以及其他营养物质和细胞代谢产物的运输与交换，故更有利于细胞的生长。研究表明，植入材料表面孔洞构形能显著增加成纤维细胞、软骨细胞的生长速度，细胞分泌物增多。因此，如何实现种植体表面规则图案化，使植入材料的表面具有沟槽构形或/和孔洞构形，以赋予种植体的生物功能性，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，其基本手段则是应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纯钛植入材料表面得到沟槽、较大孔洞等简单构形，无法得到多种构形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，涂层厚度达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。