CN101264551A - 飞秒激光在纯钛植入材料表面处理中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明飞秒激光在纯钛植入材料表面处理中的应用属于激光在材料表面处理中的应用，其步骤是：在空气中，将飞秒激光脉冲在经打磨及干燥处理的块状纯钛植入材料正上方垂直入射并聚焦，在该材料表面形成半径为5μm的光斑，设定飞秒激光加工参数为：脉冲重复频率1千赫兹，单脉冲能量5～200微焦耳，脉冲宽度50飞秒，脉冲中心波长800纳米，激光加工线间距10～100微米，激光扫描速度0.5～1.2mm/秒，调节激光偏振方向与激光扫描方向平行，用该飞秒激光扫描该纯钛植入材料整个表面，由此制得在纯钛植入材料表面形成有均匀的条纹、孔洞、沟槽或这几种构形组合的规则图案的，即形成有均匀粗糙度的，并在钛表面生成氧化层的钛基生物医学材料。

Description

飞秒激光在纯钛植入材料表面处理中的应用

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。

飞秒激光加工具有烧蚀阈值小、可快速产生蒸汽和等离子体、其热导几乎可以忽略、并且不产生液相、对基体的热影响小的优点，目前主要应用于超大容量信息传输、超快实时光谱测量、基因手术、光频精密测量、惯性约束核聚变、激光引雷、角膜整形(LASIK)等信息、环境、能源、医疗、材料等领域。飞秒激光材料精密微纳加工方面的工作目前还处于初步研究阶段，主要研究集中在对材料的切割及样品上点的加工。目前利用飞秒激光在固体材料中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。而对不透明的金属材料的加工主要研究集中在对材料的切割【An optimal process offemtosecond laser cutting of NiTi shape memory alloy for fabrication of miniaturedevices，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)】、及样品上点的加工[Tsukamoto，M.，K.Asuka，H.Nakano，et al.，Periodic microstructures produced by femtosecondlaser irradiation on titanium plate.Vacuum，2006.80(11-12)]，关于利用飞秒激光对固体材料整个表面进行处理的报道则很少，对医用金属材料表面加工的报道更是未曾见到。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供飞秒激光在纯钛植入材料表面处理中的应用方法，通过利用激光器辅助聚焦控制焦点，控制飞秒激光的能量、加工间距、扫描速度、以及偏振方向，由此在纯钛植入材料表面形成有均匀的条纹、孔洞、沟槽或这几种构形组合的规则的图案，即表面形成均匀的粗糙度，同时在钛表面生成氧化层，有利于诱导细胞的定向生长和促进钛植入材料植入后的伤口愈合，以克服用现有喷砂后酸蚀法、离子反应刻蚀法、电化学法、普通激光加工方法或等离子喷涂法来处理钛植入材料的表面，很难得到均匀的粗糙度、不能得到规则的表面图案、生物活性层容易脱落和加工过程复杂的缺点。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：飞秒激光在纯钛植入材料表面处理中的应用，其步骤是：

第一步，先将块状纯钛植入材料打磨，再在去离子水中超声清洗后取出在室温下密闭干燥，然后置于三轴移动样品台上，调整纯钛植入材料表面使其保持水平状态；

第二步，在空气中，将飞秒激光脉冲在第一步中所处理的块状纯钛植入材料正上方垂直入射，利用Nd:YAG激光器并通过10倍物镜辅助聚焦，飞秒激光脉冲在该块状纯钛植入材料表面聚焦，形成半径为5μm的光斑；

第三步，设定飞秒激光加工参数为：脉冲重复频率1千赫兹；单脉冲能量5～200微焦耳；脉冲宽度50飞秒；脉冲中心波长800纳米；激光加工线间距10～100微米，激光扫描速度0.5～1.2mm/秒，调节激光偏振方向与激光扫描方向平行，用该飞秒激光扫描该块状纯钛植入材料整个表面，由此制得在纯钛植入材料表面形成有均匀的条纹、孔洞、沟槽或这几种构形组合的规则图案的，即形成有均匀粗糙度的，并在钛表面生成氧化层的钛基生物医学材料。

本发明的有益效果是：

飞秒激光直接对钛种植体表面改性具有加工层薄、对基体影响小、能同时加工多种不同图案、所生成的表面氧化层与基体结合紧密的优点，能有效提高种植体短期和长期植入的生物相容性。

本发明应用飞秒激光处理纯钛植入材料表面，在纯钛植入材料表面形成有均匀的条纹、孔洞、沟槽或这几种构形组合的规则的拓扑图案，即表面形成均匀粗糙度，并在钛表面生成氧化层。CN1712566和CN1392799都是采用强酸对植入材料表面进行腐蚀以获得一定的粗糙度，这类化学方法很难在植入材料表面得到均匀的粗糙度，而且不能形成规则的表面图案，另外，由于强酸的作用，在处理过程中容易造成植入材料表面的氢化，影响植入材料的生物活性。与喷砂后酸蚀法或等离子喷涂法处理植入材料表面相比，本发明方法通过利用激光器辅助聚焦控制焦点，控制飞秒激光的能量、加工间距、扫描速度、以及偏振方向，由此在纯钛植入材料表面形成有均匀的条纹、孔洞、沟槽或这几种构形组合的规则的拓扑表面图案及表面氧化层(见附图1和附图5)，同时该方法还具有没有杂质离子污染和加工工艺过程简便的优点。从细胞培养结果可见，经本发明方法处理后的纯钛植入材料表面，细胞生长数量多且沿激光加工方向定向生长(见附图3和附图6)，细胞生长出较多的伪足(见附图4和附图7)，这些伪足伸进纯钛植入材料表面的微孔或抓住表面的条纹，增强了细胞与基体的结合力，所得到的表面拓扑图案结构表现出明显的对细胞生长的诱导作用，而且细胞的定向生长将有利于材料植入后的伤口愈合，而喷砂后酸蚀处理的纯钛植入材料表面细胞数量少(见附图9)，生长的伪足也少。对用不同方法制得的块状纯钛材料上细胞分泌碱性磷酸酶能力的分析结果表明(见附图10)，在本发明方法处理的纯钛植入材料表面上细胞分泌碱性磷酸酶的能力明显高于经喷砂酸蚀处理的纯钛植入材料表面上细胞分泌碱性磷酸酶的能力，这说明本发明方法制得的块状纯钛材料表面的规则图案有利于促进组织的矿化能力。

本发明的这些有益效果在下面的实施例中也得到充分证明。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明实施例1纯钛植入材料表面经飞秒脉冲激光加工后的扫描电镜照片。

图2为图1中的条纹及显微孔洞的放大照片。

图3为本发明实施例1所制得的纯钛植入材料表面细胞生长情况扫描照片。

图4为图3中细胞在表面生长的放大照片。

图5为本发明实施例2纯钛植入材料表面经飞秒脉冲激光加工后的扫描电镜照片。

图6为本发明实施例2所制得的纯钛植入材料表面细胞生长情况扫描照片。

图7为图6中细胞在表面生长的放大照片。

图8为本发明各实施例的纯钛植入材料表面的X射线衍射曲线，其中，A为纯钛的X射线衍射曲线，B为本发明实施例1所制得的纯钛植入材料表面的X射线衍射曲线，C为本发明实施例2所制得的纯钛植入材料表面的X射线衍射曲线。

图9为喷砂后酸蚀法处理纯钛植入材料表面细胞生长情况的扫描照片。

图10为本发明各实施例及喷砂后酸蚀法处理纯钛植入材料表面后的细胞分泌碱性磷酸酶能力柱状图。其中，A为用喷砂后酸蚀法处理纯钛植入材料表面后的细胞分泌碱性磷酸酶能力柱状图，B为本发明实施例1所制得的纯钛植入材料表面的细胞分泌碱性磷酸酶能力柱状图，C为本发明实施例2所制得的纯钛植入材料表面的细胞分泌碱性磷酸酶能力柱状图。

具体实施方式

实施例1

第一步，先将10×10×3mm³大小的块状纯钛植入材料用400-800号水砂纸逐级打磨，再在去离子水中超声清洗后在室温下密闭干燥，然后置于三轴移动样品台上，调整纯钛植入材料表面使其保持水平状态；

第二步，在空气中，将飞秒激光脉冲在第一步中所处理的块状纯钛植入材料正上方垂直入射，利用Nd:YAG激光器并通过10倍物镜辅助聚焦，飞秒激光脉冲在该块状纯钛植入材料表面聚焦，形成半径为5μm的光斑；

第三步，设定飞秒激光加工参数为：脉冲重复频率1千赫兹；单脉冲能量5微焦耳；脉冲宽度50飞秒；脉冲中心波长800纳米；激光加工线间距10微米，激光扫描速度0.5mm/秒，调节激光偏振方向与激光扫描方向平行，用该飞秒激光扫描该块状纯钛植入材料整个表面，由此制得在纯钛植入材料表面形成有均匀的条纹构形的规则图案的，即形成有均匀粗糙度的，并在钛表面生成氧化层的钛基生物医学材料。

在本实施例所制得的块状纯钛植入材料表面的氧化层上进行小鼠成骨细胞培养以验证其生物活性。所使用的细胞与培养方法为：本实验所使用的细胞系为动物成骨细胞，取自小鼠头盖骨，命名为OCT-1细胞。细胞经初代培养，再由病毒基因磷酸盐沉淀技术转染后，获得永生性，成为连续性细胞系。进行细胞转染的根本目的在于增加细胞生成时间，保证在有效传代次数中，细胞具有相同基本属性和生理功能。OCT-1细胞在复苏3天后用来进行实验。一般情况下，如果实验物对培养细胞有毒性，在培养后48小时可以表现出来。细胞培养基采用DMEM培养基+体积分数为0.10的胎牛血清+80U/mL庆大霉素。在无菌条件下，将本实施例所制得的块状纯钛植入材料放入培养皿中，用鼠尾胶粘牢，倒入调制好的细胞悬液，将本实施例所制得的块状纯钛植入材料完全覆盖。培养皿放入培养箱内在37±0.5℃温度下静置培养。培养4天后取出本实施例所制得的块状纯钛植入材料立即投入3％戊二醛溶液固定，用扫描电镜观察本实施例所制得的块状纯钛植入材料表面细胞附着情况。一组本实施例所制得的块状纯钛植入材料分别培养2、7、12天，然后用碱性磷酸酶法分析本实施例所制得的块状纯钛植入材料上细胞的组织矿化能力。

从图1本实施例纯钛植入材料表面经飞秒脉冲激光加工后的扫描电镜照片可以看出，本实施例制得的纯钛植入材料表面形成均匀的条纹构形的规则图案，图1的放大照片图2显示，该纯钛植入材料表面形成的条纹上覆盖有大量的纳米颗粒，条纹间存在微米级的孔洞。从图8B本实施例的纯钛植入材料表面的X射线衍射曲线与图8A纯钛的X射线衍射曲线的对比分析表明，本实施例制得的纯钛植入材料表面产生了明显的钛的氧化物。从图3本实施例所制得的纯钛植入材料表面细胞生长情况扫描照片可以看出，细胞在该纯钛植入材料表面垂直条纹方向定向爬行生长，且在表面贴附状况和生长形态良好。图4为图3中细胞在表面生长的放大照片，从该照片可见细胞生长出大量伪足，这些伪足紧紧抓住该纯钛植入材料表面的条纹构形表面，说明细胞与该纯钛植入材料表面具有良好的结合。图10中的B为本实施例1所制得的纯钛植入材料表面的细胞分泌碱性磷酸酶能力柱状图，与图10中的A用喷砂后酸蚀法处理纯钛植入材料表面后的细胞分泌碱性磷酸酶能力柱状图相比，表明细胞在本实例所制得的纯钛植入材料表面上具有良好的组织矿化能力。

实施例2

第一步，同实施例1；

第二步，同实施例1；

第三步，设定飞秒激光加工参数为：脉冲重复频率1千赫兹；单脉冲能量150微焦耳；脉冲宽度50飞秒；脉冲中心波长800纳米；激光加工线间距100微米，激光扫描速度0.5mm/秒，调节激光偏振方向与激光扫描方向平行，用该飞秒激光扫描该块状纯钛植入材料整个表面，由此制得在纯钛植入材料表面形成有均匀的条纹、孔洞和沟槽构形组合的规则图案的，即形成有均匀粗糙度的，并在钛表面生成氧化层的钛基生物医学材料。

在所得到的氧化层上进行小鼠成骨细胞培养以验证其生物活性，所使用的细胞与培养方法同实施例1。

从图5本实施例的纯钛植入材料表面经飞秒脉冲激光加工后的扫描电镜照片可以看出，纯钛植入材料表面形成了形成有均匀的条纹、孔洞和沟槽构形组合的规则图案。从图8C本实施例的纯钛植入材料表面的X射线衍射曲线与图8A纯钛的X射线衍射曲线的对比分析表明，本实施例的纯钛植入材料表面产生了明显的钛的氧化物。从图6本实施例所制得的纯钛植入材料表面细胞生长情况扫描照片可以看出，细胞在纯钛植入材料表面沿沟槽方向定向爬行生长，且在纯钛植入材料表面贴附状况和生长形态良好，图7为图6中细胞在表面生长的放大照片，从中可见细胞生长出大量伪足，这些伪足伸进纯钛植入材料表面孔洞中，说明细胞与纯钛植入材料表面具有良好的结合。图10中的C为本实施例方法处理纯钛植入材料表面后的细胞分泌碱性磷酸酶能力柱状图，与图10中的A用喷砂后酸蚀法处理纯钛植入材料表面后的细胞分泌碱性磷酸酶能力柱状图相比，表明细胞在本实例所制得的纯钛植入材料表面上具有良好的组织矿化能力。

实施例3

其他步骤同实施例2，不同之处在于设定激光单脉冲能量为100微焦耳，激光扫描速度为0.8mm/秒，激光加工线间距为100微米。结果同实施例2。

实施例4

其他步骤同实施例1，不同之处在于设定激光单脉冲能量为50微焦耳，激光扫描速度为1.2mm/秒，激光加工线间距为50微米。结果同实施例1。

实施例5

其他步骤同实施例1，不同之处在于设定激光单脉冲能量为30微焦耳，激光扫描速度为0.6mm/秒，激光加工线间距为20微米。结果同实施例1。

实施例6

其他步骤同实施例2，不同之处在于设定激光单脉冲能量为200微焦耳，激光扫描速度为0.5mm/秒，激光加工线间距为90微米。结果同实施例2。

Claims (2)

1.飞秒激光在纯钛植入材料表面处理中的应用，其步骤是：

第一步，先将块状纯钛植入材料打磨，再在去离子水中超声清洗后取出在室温下密闭干燥，然后置于三轴移动样品台上，调整纯钛植入材料表面使其保持水平状态；

第二步，在空气中，将飞秒激光脉冲在第一步中所处理的块状纯钛植入材料正上方垂直入射，利用Nd:YAG激光器并通过10倍物镜辅助聚焦，飞秒激光脉冲在该块状纯钛植入材料表面聚焦，形成半径为5μm的光斑；

第三步，设定飞秒激光加工参数为：脉冲重复频率1千赫兹；单脉冲能量5～200微焦耳；脉冲宽度50飞秒；脉冲中心波长800纳米；激光加工线间距10～100微米，激光扫描速度0.5～1.2mm/秒，调节激光偏振方向与激光扫描方向平行，用该飞秒激光扫描该块状纯钛植入材料整个表面，由此制得在纯钛植入材料表面形成有均匀的条纹、孔洞、沟槽或这几种构形组合的规则图案的，即形成有均匀粗糙度的，并在钛表面生成氧化层的钛基生物医学材料。

2.根据权利要求1所述飞秒激光在纯钛植入材料表面处理中的应用，其特征在于：第一步中所述块状纯钛植入材料的大小为10×10×3mm³，打磨方法是用400-800号水砂纸逐级打磨。

Images