CN108555437A - 一种定向调控生物金属材料表面细胞生长的激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种定向调控生物金属材料表面细胞生长的激光加工方法。相对未处理的生物金属材料表面，激光重熔加工过程中，材料表面局部区域温度骤升熔化，随后快速冷却凝固，使得合金的成分偏析减少，获得接近均匀的表层组织，而金属表面的腐蚀速率也随之下降。后在激光织构过程中，聚焦光束在计算机控制下在材料表面进行刻蚀，实现预定的微图案形貌加工，而织构加工后区域的腐蚀速率也发生回升。通过激光重熔和激光织构的工艺复合，能够人为地控制生物金属表面区域腐蚀速率的不同，在植入材料应用上能够实现对细胞粘附、生长、延伸产生定向调控的影响，进而达到预期的功能设计。

Description

一种定向调控生物金属材料表面细胞生长的激光加工方法
技术领域
本发明涉及一种定向调控生物金属材料表面细胞生长的激光加工方法。可将该方法广泛应用于生物金属材料的表面处理，利用激光重熔和织构处理快速获得能够定向调控细胞区域生长的金属表面，属于材料表面加工技术领域。
背景技术
镁、钛、铁等合金作为生物医用金属植入材料成为了近年来的研究热点之一。生物医用合金具有良好的生物相容性。镁作为人体常量元素之一，是骨生长的必需元素，过量的镁可通过尿液排出体外，不会引起中毒反应。此外，镁合金具有良好的力学相容性，比强度和比刚度高，密度和弹性模量更接近自然骨，能够有效缓解应力遮挡效应，防止二次骨折。然而镁的标准电极电位低，易发生腐蚀，体液中的Cl-会加快镁合金的腐蚀，较快的降解速率会导致植入材料过早腐蚀失效，从而造成植入材料治疗的失败。同时，过快的降解速率会伴随氢气的释放，在植入体周围形成气泡，植入体周围体液局部pH值也会随之升高，从而影响植入体周围组织的技能和植入部位的治疗。铁作为人体必需的微量元素之一，70％的铁以血红蛋白、肌红蛋白等形式存在，直接参与体内氧的转运、交换和组织呼吸过程。然而植入过程过量溶出的铁，可能会对肝脏造成直接损害，引起肝纤维化和肝硬化、肝细胞癌等。钛及钛合金被称为是生物惰性金属材料，对人体血液的浸泡环境中具有优异的耐腐蚀性能，保证了与人体血液及细胞组织的相容性好，但在实际应用中同样存在金属离子溶出问题，降低了其细胞适应性且有可能对人体造成危害。
从上可以看出，生物金属材料在人体内较快的降解速率和金属离子溶出往往是是其在临床实际应用中面临的重要问题之一，因此，提高生物医用金属材料的耐蚀性性能具有重要意义。激光表面处理作为一种日益成熟的新型表面处理技术,具有操作灵活、无污染、可有选择性地对零件局部表面进行改性等特点,通过激光重熔和激光织构工艺，能够提高生物金属材料表面的耐腐蚀性能，并且能对表面的降解速率进行区域设计，从而实现对生物金属材料表面细胞生长的定向调控。在激光重熔过程中，材料表层温度骤升骤降，金属材料凝固后合金的成分偏析得到减小，由此提高了生物金属材料表面的耐腐蚀性能。此外，在激光织构过程中，织构结构处由于表面积和比表面积大的增大，腐蚀速率也发生一定回升，通过预设织构形貌实现对生物金属材料表面腐蚀速率的区域设计。
发明内容
本发明的目的在于提供一种定向调控生物金属材料表面细胞生长的激光加工方法，通过激光重熔和激光织构等激光加工工艺，区域性地定向改变生物金属材料表面的腐蚀降解速率，利用生物金属材料表面降解的区域差别控制细胞的附着、分布、生长、延伸，从而实现对细胞生长的定向调控。它在提高生物金属材料表面耐腐蚀性能的同时，还能有效地满足植入材料要求的特定细胞粘附效果。
本发明一种定向调控生物金属材料表面细胞生长的激光加工方法，其具体步骤为：
步骤一，对生物金属材料基体进行抛光、去油清洗处理；
步骤二，采用连续激光器对经过抛光、去油清洗处理后的生物金属材料表面进行激光重熔处理，在生物金属材料表面获得均匀的重熔层；
步骤三，采用脉冲激光器对经过激光重熔处理后的生物金属材料表面进行激光织构处理，在生物金属材料表面获得微结构阵列；
步骤四，对加工后的生物金属材料进行清洁。
其中，所述的生物金属材料为可以用于生物医学材料的镁基合金、钛基合金以及不锈钢等材料；
其中，步骤二中采用连续激光器进行激光重熔处理，其具体参数为：激光波长为193～1070nm，激光功率为30～2000W，扫描速度为20～1500mm/s，光斑重叠率为5～90％。
其中，步骤三中采用脉冲激光器进行激光织构处理，其具体参数为：激光波长为193～1070nm，激光功率为1～300W,脉冲频率1k～5M Hz，脉宽为0.01～500ns，扫描速度为10～3000mm/s。
其中，步骤三中激光织构获得的微结构阵列，其包括：凹坑阵列、沟槽阵列、一定角度交错的网格结构、以及上述结构的组合阵列。凹坑直径为20～100μm，凹槽宽度为20～100μm，阵列间距为30～500μm，结构深度为5～50μm。
本发明公开的一种定向调控生物金属材料表面细胞生长的激光加工方法。相对未处理的生物金属材料表面，激光重熔加工过程中，材料表面局部区域温度骤升熔化，随后快速冷却凝固，使得合金的成分偏析减少，获得接近均匀的表层组织，而金属表面的腐蚀速率也随之下降。后在激光织构过程中，材料被瞬间高温熔化或汽化，每一个激光脉冲都在物体表面溅射出一个微孔，在计算机控制下，激光光斑进行连续运动打孔，实现预定的微图案形貌加工。而织构加工后区域的腐蚀速率也随着发生腐蚀的面积增加而发生回升。通过激光重熔和激光织构的工艺复合，能够人为地控制生物金属表面区域腐蚀速率的不同，在植入材料应用上能够实现对细胞粘附、生长、延伸产生定向调控的影响，进而达到预期的功能设计。
本发明的优点在于：
(1)该方法利用激光加工，能够通过改变激光参数，能适应各种生物金属材料的重熔加工要求，并且能对织构图案轨迹以及织构深度进行精确控制。
(2)该方法利用激光加工，对材料表面局部快速加热及冷却，热影响小，能够保持生物金属材料基体原有的机械性能。
(3)该方法加工灵活，加工速度快，能够适应各种形状、尺寸的材料加工。
附图说明：
图1本发明工艺加工的流程示意图
图2实施例1中各步骤镁合金样片的电极极化曲线图
图3实施例1中重熔及织构加工后样品细胞培养形态的电镜图像
具体实施方式：
下面结合具体实施例，对本发明作进一步说明：
实施例1
步骤一，将Mg-6Gd-0.6Ca镁合金样片打磨抛光至1000目，酒精超声波清洗5分钟，干燥；
步骤二，将镁合金样片置于波长1060nm的连续激光器下，激光加工参数设置为：功率80W，扫描速度100mm/s，光斑重叠率40％，启动设备，进行激光重熔，重熔过程中采用氩气保护，在镁合金样品表面得到重熔层；
步骤三，将表面重熔后的镁合金样品置于Nd：YAG脉冲激光器(波长1064nm)下，对经过激光重熔处理后的镁合金表面进行激光织构处理，激光加工参数设置为：功率7W，脉宽600ps，频率500kHz，扫描速度100mm/s，扫描间距400μm，网格夹角90°，在镁合金表面获得方形网格结构阵列；
步骤四，对加工后的镁合金进行清洁。
实施例2
步骤一，将WE43镁合金样片打磨抛光至1000目，酒精超声波清洗5分钟，干燥；
步骤二，将镁合金样片置于波长1060nm的连续激光器下，激光加工参数设置为：功率200W，扫描速度300mm/s，光斑重叠率20％，启动设备，进行激光重熔，重熔过程中采用氩气保护，在镁合金样品表面得到重熔层；
步骤三，将表面重熔后的镁合金样品置于Nd：YAG脉冲激光器(波长1064nm)下，对经过激光重熔处理后的镁合金表面进行激光织构处理，激光加工参数设置为：功率10W，脉宽600ps，频率500kHz，加工次数10，扫描间距100μm，在镁合金表面获得凹坑结构阵列；
步骤四，对加工后的镁合金进行清洁。
实施例3
步骤一，将Ti13Nb13Zr钛合金样片打磨抛光至1000目，酒精超声波清洗5分钟，干燥；
步骤二，将钛合金样片置于波长1060nm的连续激光器下，激光加工参数设置为：功率200W，扫描速度70mm/s，光斑重叠率70％，启动设备，进行激光重熔，重熔过程中采用氩气保护，在钛合金样品表面得到重熔层；
步骤三，将表面重熔后的钛合金样品置于Nd：YAG脉冲激光器(波长1064nm)下，对经过激光重熔处理后的钛合金表面进行激光织构处理，激光加工参数设置为：功率15W，脉宽600ps，频率500kHz，扫描速度100mm/s，扫描间距400μm，，在钛合金表面获得沟槽结构阵列；
步骤四，对加工后的钛合金进行清洁。
实施例4
步骤一，将316L不锈钢样片打磨抛光至1000目，酒精超声波清洗5分钟，干燥；
步骤二，将不锈钢样片置于波长1060nm的连续激光器下，激光加工参数设置为：功率120W，扫描速度120mm/s，光斑重叠率30％，启动设备，进行激光重熔，重熔过程中采用氩气保护，在不锈钢样品表面得到重熔层；
步骤三，将表面重熔后的不锈钢样品置于Nd：YAG脉冲激光器(波长1064nm)下，对经过激光重熔处理后的不锈钢表面进行激光织构处理，激光加工参数设置为：功率20W，脉宽10ns，频率10kHz，扫描速度200mm/s，扫描间距300μm，网格夹角60°，在不锈钢表面获得菱形网格结构阵列；
步骤四，对加工后的不锈钢样品进行清洁。

Claims (5)

1.一种定向调控生物金属材料表面细胞生长的激光加工方法，其特征在于，包含以下步骤：
步骤一，对生物金属材料基体进行抛光、去油清洗处理；
步骤二，采用连续激光器对经过抛光、去油清洗处理后的生物金属材料表面进行激光重熔处理，在生物金属材料表面获得均匀的重熔层；
步骤三，采用脉冲激光器对经过激光重熔处理后的生物金属材料表面进行激光织构处理，在生物金属材料表面获得微结构阵列；
步骤四，对加工后的生物金属材料进行清洁。
2.根据权利要求1所述的定向调控生物金属材料表面生长的激光加工方法，其特征在于，所述的生物金属材料为可以用于生物医学材料的镁基合金、钛基合金以及不锈钢等材料。
3.根据权利要求1所述的定向调控生物金属材料表面生长的激光加工方法，其特征在于，所述的步骤二中采用连续激光器进行激光重熔处理，其具体参数为：激光波长为193～1070nm，激光功率为30～2000W，扫描速度为20～1500mm/s，光斑重叠率为5～90％。
4.根据权利要求1所述的定向调控生物金属材料表面生长的激光加工方法，其特征在于，所述的步骤三中采用脉冲激光器进行激光织构处理，其具体参数为：激光波长为193～1070nm，激光功率为1～300W,脉冲频率1k～5M Hz，脉宽为0.01～500ns，扫描速度为10～3000mm/s。
5.根据权利要求1所述的定向调控生物金属材料表面生长的激光加工方法，其特征在于，所述的步骤三中激光织构获得的微结构阵列，其包括：凹坑阵列、沟槽阵列、一定角度交错的网格结构、以及上述结构的组合阵列。凹坑直径为20～100μm，凹槽宽度为20～100μm，阵列间距为30～500μm，结构深度为5～50μm。
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