專利名稱：飛秒激光在純鈦植入材料表面處理中的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明的技術方案涉及激光在材料表面處理中的應用，具體地說是飛秒激光在純鈦 植入材料表面處理中的應用。
背景技術：
金屬種植技術修復骨骼或牙齒損傷興起于20世紀。種植純鈦或鈦合金材料手術作為 骨骼和牙齒修復的重要手段，由于能兼顧美觀性和功能性的要求，近年來越來越多地被 臨床所采用。然而，種植體植入后引起的應力環(huán)境的巨大改變以及相應的周圍骨的適應 性重建常常導致種植體松動和脫位，致使手術失敗。良好的骨結合是純鈦種植體正常行 使功能和確保手術成功的生物學基礎。為增加骨結合的效果，種植體表面規(guī)則圖案化可 加強細胞、生物分子的生物學作用，如細胞的分化、增殖，加快新骨的長入。研究表明， 細胞的生長對植入材料的表面形態(tài)是有選擇性的，通常細胞在溝槽構形的表面將沿突起 部分或是纖維進行取向和遷移。這以現(xiàn)象稱為細胞培養(yǎng)的接觸誘導，在具有溝槽構形的 植入材料表面，細胞的生長將沿溝槽方向爬行，細胞足緊緊抓住溝槽構形表面，顯著提 高了細胞的貼附力。在具有拓撲構形的植入材料粗糙表面，能夠為細胞提供多種不同的 粗糙度以適合細胞不同部位的貼附。特別是具有孔洞構形的植入材料表面更有利于細胞 偽足的攀附，增加細胞與基質材料之間的作用力。而且孔洞的基底有利于水分、無機鹽 以及其他營養(yǎng)物質和細胞代謝產(chǎn)物的運輸與交換，故更有利于細胞的生長。研究表明， 植入材料表面孔洞構形能顯著增加成纖維細胞、軟骨細胞的生長速度，細胞分泌物增多。 因此,如何實現(xiàn)種植體表面規(guī)則圖案化，使植入材料的表面具有溝槽構形或/和孔洞構形， 以賦予種植體的生物功能性，提高其表面穩(wěn)定性、耐磨性能和力學相容性，是現(xiàn)階段的 主要研究任務，其基本手段則是應用金屬種植體的表面改性技術。當前，金屬種植體的表面改性技術有噴砂后酸蝕法、離子反應刻蝕法、電化學法、 普通激光加工方法和等離子噴涂法。噴砂后酸蝕法制備的表面圖案粗糙度不均勻，所獲 得孔隙的深度和直徑不可控；離子反應刻蝕法和電化學法容易引入雜質離子，影響種植 體的生物活性；普通激光加工只能在純鈦植入材料表面得到溝槽、較大孔洞等簡單構形， 無法得到多種構形的組合以適應細胞生長。等離子噴涂能夠在制備表面羥基磷灰石涂層 的同時提供粗糙表面，但是噴涂只能提供較厚的涂層，涂層厚度達30 150 ym，而在 高溫噴涂后的冷卻過程中，由于材料的熱膨脹系數(shù)不同，容易造成表面涂層與基體間產(chǎn) 生較大應力甚至涂層脫落，這也容易導致材料植入后的植入失敗。另外，等離子噴涂所 用原料為純HA粉，價格昂貴，設備造價高。而且上述工藝過程復雜、操作困難、影響因素多，不利于其廣泛應用。已報道用于鈦或鈦合金種植體表面處理以增強種植體與骨組織結合的表面改性方法 的文獻有CN1712566公開了電化學法在鈦或鈦合金植入材料表面處理中的應用，是采 用0. 5 3M的H2S(V溶液對鈦或鈦合金植入材料表面進行腐蝕以獲得表面一定的粗糙度； CN1392799披露了用鈦和其他材料制成的植入體和假體的表面處理方法，是用氫氟酸、 硫酸和鹽酸三種不同酸來連續(xù)和單獨對植入體區(qū)段進行腐蝕處理。然而，應用化學酸腐 蝕的方法來處理鈦或鈦合金植入材料的表面，很難得到均勻的粗糙度，而且不能得到規(guī) 則的表面圖案，不利于誘導細胞的定向生長及促進鈦或鈦合金材料植入后的傷口愈合。飛秒激光加工具有燒蝕閾值小、可快速產(chǎn)生蒸汽和等離子體、其熱導幾乎可以忽略、 并且不產(chǎn)生液相、對基體的熱影響小的優(yōu)點，目前主要應用于超大容量信息傳輸、超快 實時光譜測量、基因手術、光頻精密測量、慣性約束核聚變、激光引雷、角膜整形(LASIK) 等信息、環(huán)境、能源、醫(yī)療、材料等領域。飛秒激光材料精密微納加工方面的工作目前 還處于初步研究階段，主要研究集中在對材料的切割及樣品上點的加工。目前利用飛秒 激光在固體材料中的加工主要是在透明材質上進行的飛秒脈沖激光雙光子微納加工技 術及其應用，科學通報，2008,53(1)，原因是在透明材質上飛秒激光的聚焦不受表面的 限制，可以在材料內部聚焦，只要保證焦點的相對位置就能加工出相應的圖案。而對不 透明的金屬材料的加工主要研究集中在對材料的切割An optimal process of femtosecond laser cutting of NiTi shape memory alloy for fabrication of miniature devices, Optics and Lasers in Engineering 44 (2006) 1078 - 1087、打孔飛秒激 光制備陣列孔金屬微濾膜，中國激光，2007,34(8)、及樣品上點的加工[Tsukamoto， M.， K. Asuka， H. Nakano， et al., Periodic microstructures produced by femtosecond laser irradiation on titanium plate. Vacuum' 2006. 80(11-12)]，關于利用飛秒激 光對固體材料整個表面進行處理的報道則很少，對醫(yī)用金屬材料表面加工的報道更是未 曾見到。發(fā)明內容本發(fā)明所要解決的技術問題是提供飛秒激光在純鈦植入材料表面處理中的應用方 法，通過利用激光器輔助聚焦控制焦點，控制飛秒激光的能量、加工間距、掃描速度、 以及偏振方向，由此在純鈦植入材料表面形成有均勻的條紋、孔洞、溝槽或這幾種構形 組合的規(guī)則的圖案，即表面形成均勻的粗糙度，同時在鈦表面生成氧化層，有利于誘導細 胞的定向生長和促進鈦植入材料植入后的傷口愈合，以克服用現(xiàn)有噴砂后酸蝕法、離子 反應刻蝕法、電化學法、普通激光加工方法或等離子噴涂法來處理鈦植入材料的表面， 很難得到均勻的粗糙度、不能得到規(guī)則的表面圖案、生物活性層容易脫落和加工過程復 雜的缺點。本發(fā)明解決該技術問題所采用的技術方案是飛秒激光在純鈦植入材料表面處理中 的應用，其步驟是第一步，先將塊狀純鈦植入材料打磨，再在去離子水中超聲清洗后取出在室溫下密 閉干燥，然后置于三軸移動樣品臺上，調整純鈦植入材料表面使其保持水平狀態(tài)；第二步，在空氣中，將飛秒激光脈沖在第一步中所處理的塊狀純鈦植入材料正上方 垂直入射，利用Nd:YAG激光器并通過10倍物鏡輔助聚焦，飛秒激光脈沖在該塊狀純鈦 植入材料表面聚焦，形成半徑為5pm的光斑；第三步，設定飛秒激光加工參數(shù)為脈沖重復頻率1千赫茲；單脈沖能量5 200 微焦耳；脈沖寬度50飛秒；脈沖中心波長800納米；激光加工線間距10 100微米， 激光掃描速度0.5 1.2mm/秒，調節(jié)激光偏振方向與激光掃描方向平行，用該飛秒激光 掃描該塊狀純鈦植入材料整個表面，由此制得在純鈦植入材料表面形成有均勻的條紋、 孔洞、溝槽或這幾種構形組合的規(guī)則圖案的，即形成有均勻粗糙度的，并在鈦表面生成 氧化層的鈦基生物醫(yī)學材料。本發(fā)明的有益效果是飛秒激光直接對鈦種植體表面改性具有加工層薄、對基體影響小、能同時加工多種 不同圖案、所生成的表面氧化層與基體結合緊密的優(yōu)點，能有效提高種植體短期和長期 植入的生物相容性。本發(fā)明應用飛秒激光處理純鈦植入材料表面，在純鈦植入材料表面形成有均勻的條 紋、孔洞、溝槽或這幾種構形組合的規(guī)則的拓撲圖案，即表面形成均勻粗糙度，并在鈦 表面生成氧化層。CN1712566和CN1392799都是采用強酸對植入材料表面進行腐蝕以獲 得一定的粗糙度，這類化學方法很難在植入材料表面得到均勻的粗糙度，而且不能形成 規(guī)則的表面圖案，另外，由于強酸的作用，在處理過程中容易造成植入材料表面的氫化， 影響植入材料的生物活性。與噴砂后酸蝕法或等離子噴涂法處理植入材料表面相比，本 發(fā)明方法通過利用激光器輔助聚焦控制焦點，控制飛秒激光的能量、加工間距、掃描速 度、以及偏振方向，由此在純鈦植入材料表面形成有均勻的條紋、孔洞、溝槽或這幾種 構形組合的規(guī)則的拓撲表面圖案及表面氧化層(見附圖1和附圖5)，同時該方法還具有 沒有雜質離子污染和加工工藝過程簡便的優(yōu)點。從細胞培養(yǎng)結果可見，經(jīng)本發(fā)明方法處 理后的純鈦植入材料表面，細胞生長數(shù)量多且沿激光加工方向定向生長(見附圖3和附 圖6)，細胞生長出較多的偽足(見附圖4和附圖7)，這些偽足伸進純鈦植入材料表面的 微孔或抓住表面的條紋，增強了細胞與基體的結合力，所得到的表面拓撲圖案結構表現(xiàn) 出明顯的對細胞生長的誘導作用，而且細胞的定向生長將有利于材料植入后的傷口愈合， 而噴砂后酸蝕處理的純鈦植入材料表面細胞數(shù)量少(見附圖9)，生長的偽足也少。對用 不同方法制得的塊狀純鈦材料上細胞分泌堿性磷酸酶能力的分析結果表明(見附圖10)， 在本發(fā)明方法處理的純鈦植入材料表面上細胞分泌堿性磷酸酶的能力明顯高于經(jīng)噴砂酸 蝕處理的純鈦植入材料表面上細胞分泌堿性磷酸酶的能力，這說明本發(fā)明方法制得的塊 狀純鈦材料表面的規(guī)則圖案有利于促進組織的礦化能力。本發(fā)明的這些有益效果在下面的實施例中也得到充分證明。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。 圖1為本發(fā)明實施例1純鈦植入材料表面經(jīng)飛秒脈沖激光加工后的掃描電鏡照片。 圖2為圖1中的條紋及顯微孔洞的放大照片。圖3為本發(fā)明實施例1所制得的純鈦植入材料表面細胞生長情況掃描照片。 圖4為圖3中細胞在表面生長的放大照片。圖5為本發(fā)明實施例2純鈦植入材料表面經(jīng)飛秒脈沖激光加工后的掃描電鏡照片。 圖6為本發(fā)明實施例2所制得的純鈦植入材料表面細胞生長情況掃描照片。 圖7為圖6中細胞在表面生長的放大照片。圖8為本發(fā)明各實施例的純鈦植入材料表面的X射線衍射曲線，其中，A為純鈦的X 射線衍射曲線，B為本發(fā)明實施例1所制得的純鈦植入材料表面的X射線衍射曲線，C 為本發(fā)明實施例2所制得的純鈦植入材料表面的X射線衍射曲線。圖9為噴砂后酸蝕法處理純鈦植入材料表面細胞生長情況的掃描照片。 圖10為本發(fā)明各實施例及噴砂后酸蝕法處理純鈦植入材料表面后的細胞分泌堿性 磷酸酶能力柱狀圖。其中，A為用噴砂后酸蝕法處理純鈦植入材料表面后的細胞分泌堿 性磷酸酶能力柱狀圖，B為本發(fā)明實施例1所制得的純鈦植入材料表面的細胞分泌堿性 磷酸酶能力柱狀圖，C為本發(fā)明實施例2所制得的純鈦植入材料表面的細胞分泌堿性磷 酸酶能力柱狀圖。
具體實施方式
實施例1第一步，先將10X10X3咖3大小的塊狀純鈦植入材料用400-800號水砂紙逐級打 磨，再在去離子水中超聲清洗后在室溫下密閉干燥，然后置于三軸移動樣品臺上，調整 純鈦植入材料表面使其保持水平狀態(tài)；第二步，在空氣中，將飛秒激光脈沖在第一步中所處理的塊狀純鈦植入材料正上方 垂直入射，利用Nd:YAG激光器并通過10倍物鏡輔助聚焦，飛秒激光脈沖在該塊狀純鈦 植入材料表面聚焦，形成半徑為5^un的光斑；第三步，設定飛秒激光加工參數(shù)為脈沖重復頻率l千赫茲；單脈沖能量5微焦耳;脈沖寬度50飛秒；脈沖中心波長800納米；激光加工線間距10微米，激光掃描速度0.5mm/秒，調節(jié)激光偏振方向與激光掃描方向平行，用該飛秒激光掃描該塊狀純鈦植入 材料整個表面，由此制得在純鈦植入材料表面形成有均勻的條紋構形的規(guī)則圖案的，即 形成有均勻粗糙度的，并在鈦表面生成氧化層的鈦基生物醫(yī)學材料。在本實施例所制得的塊狀純鈦植入材料表面的氧化層上進行小鼠成骨細胞培養(yǎng)以驗證其生物活性。所使用的細胞與培養(yǎng)方法為本實驗所使用的細胞系為動物成骨細胞，取自小鼠頭蓋骨，命名為OCT-l細胞。細胞經(jīng)初代培養(yǎng)，再由病毒基因磷酸鹽沉淀技術 轉染后，獲得永生性，成為連續(xù)性細胞系。進行細胞轉染的根本目的在于增加細胞生成時間，保證在有效傳代次數(shù)中，細胞具有相同基本屬性和生理功能。0CT-1細胞在復 蘇3天后用來進行實驗。 一般情況下，如果實驗物對培養(yǎng)細胞有毒性，在培養(yǎng)后48小 時可以表現(xiàn)出來。細胞培養(yǎng)基采用DMEM培養(yǎng)基+體積分數(shù)為0. 10的胎牛血清+80 U/mL 慶大霉素。在無菌條件下，將本實施例所制得的塊狀純鈦植入材料放入培養(yǎng)皿中，用鼠 尾膠粘牢，倒入調制好的細胞懸液，將本實施例所制得的塊狀純鈦植入材料完全覆蓋。 培養(yǎng)皿放入培養(yǎng)箱內在37土0.5'C溫度下靜置培養(yǎng)。培養(yǎng)4天后取出本實施例所制得的 塊狀純鈦植入材料立即投入3%戊二醛溶液固定，用掃描電鏡觀察本實施例所制得的塊 狀純鈦植入材料表面細胞附著情況。 一組本實施例所制得的塊狀純鈦植入材料分別培養(yǎng) 2、 7、 12天，然后用堿性磷酸酶法分析本實施例所制得的塊狀純鈦植入材料上細胞的組 織礦化能力。從圖1本實施例純鈦植入材料表面經(jīng)飛秒脈沖激光加工后的掃描電鏡照片可以看 出，本實施例制得的純鈦植入材料表面形成均勻的條紋構形的規(guī)則圖案，圖l的放大照 片圖2顯示，該純鈦植入材料表面形成的條紋上覆蓋有大量的納米顆粒，條紋間存在微 米級的孔洞。從圖8B本實施例的純鈦植入材料表面的X射線衍射曲線與圖8A純鈦的X 射線衍射曲線的對比分析表明，本實施例制得的純鈦植入材料表面產(chǎn)生了明顯的鈦的氧 化物。從圖3本實施例所制得的純鈦植入材料表面細胞生長情況掃描照片可以看出，細 胞在該純鈦植入材料表面垂直條紋方向定向爬行生長，且在表面貼附狀況和生長形態(tài)良 好。圖4為圖3中細胞在表面生長的放大照片，從該照片可見細胞生長出大量偽足，這 些偽足緊緊抓住該純鈦植入材料表面的條紋構形表面，說明細胞與該純鈦植入材料表面 具有良好的結合。圖10中的B為本實施例1所制得的純鈦植入材料表面的細胞分泌堿性 磷酸酶能力柱狀圖，與圖10中的A用噴砂后酸蝕法處理純鈦植入材料表面后的細胞分泌 堿性磷酸酶能力柱狀圖相比，表明細胞在本實例所制得的純鈦植入材料表面上具有良好 的組織礦化能力。 實施例2第一步，同實施例l;第二步，同實施例l;第三步，設定飛秒激光加工參數(shù)為脈沖重復頻率l千赫茲；單脈沖能量150微焦 耳；脈沖寬度50飛秒；脈沖中心波長800納米；激光加工線間距100微米，激光掃描 速度0.5mm/秒，調節(jié)激光偏振方向與激光掃描方向平行，用該飛秒激光掃描該塊狀純鈦 植入材料整個表面，由此制得在純鈦植入材料表面形成有均勻的條紋、孔洞和溝槽構形 組合的規(guī)則圖案的，即形成有均勻粗糙度的，并在鈦表面生成氧化層的鈦基生物醫(yī)學材 料。在所得到的氧化層上進行小鼠成骨細胞培養(yǎng)以驗證其生物活性，所使用的細胞與培 養(yǎng)方法同實施例1。從圖5本實施例的純鈦植入材料表面經(jīng)飛秒脈沖激光加工后的掃描電鏡照片可以 看出，純鈦植入材料表面形成了形成有均勻的條紋、孔洞和溝槽構形組合的規(guī)則圖案。從圖8C本實施例的純鈦植入材料表面的X射線衍射曲線與圖8A純鈦的X射線衍射曲線 的對比分析表明，本實施例的純鈦植入材料表面產(chǎn)生了明顯的鈦的氧化物。從圖6本實 施例所制得的純鈦植入材料表面細胞生長情況掃描照片可以看出，細胞在純鈦植入材料 表面沿溝槽方向定向爬行生長，且在純鈦植入材料表面貼附狀況和生長形態(tài)良好，圖7 為圖6中細胞在表面生長的放大照片，從中可見細胞生長出大量偽足，這些偽足伸進純 鈦植入材料表面孔洞中，說明細胞與純鈦植入材料表面具有良好的結合。圖10中的C 為本實施例方法處理純鈦植入材料表面后的細胞分泌堿性磷酸酶能力柱狀圖，與圖10 中的A用噴砂后酸蝕法處理純鈦植入材料表面后的細胞分泌堿性磷酸酶能力柱狀圖相 比，表明細胞在本實例所制得的純鈦植入材料表面上具有良好的組織礦化能力。 實施例3其他步驟同實施例2，不同之處在于設定激光單脈沖能量為100微焦耳，激光掃描 速度為0.8mm/秒，激光加工線間距為IOO微米。結果同實施例2。 實施例4其他步驟同實施例l，不同之處在于設定激光單脈沖能量為50微焦耳，激光掃描速 度為1.2mm/秒，激光加工線間距為50微米。結果同實施例1。 實施例5其他步驟同實施例l，不同之處在于設定激光單脈沖能量為30微焦耳，激光掃描速 度為0. 6咖/秒，激光加工線間距為20微米。結果同實施例1。 實施例6其他步驟同實施例2，不同之處在于設定激光單脈沖能量為200微焦耳，激光掃描 速度為0.5mm/秒，激光加工線間距為90微米。結果同實施例2。
權利要求
1. 飛秒激光在純鈦植入材料表面處理中的應用，其步驟是第一步，先將塊狀純鈦植入材料打磨，再在去離子水中超聲清洗后取出在室溫下密閉干燥，然后置于三軸移動樣品臺上，調整純鈦植入材料表面使其保持水平狀態(tài)；第二步，在空氣中，將飛秒激光脈沖在第一步中所處理的塊狀純鈦植入材料正上方垂直入射，利用Nd:YAG激光器并通過10倍物鏡輔助聚焦，飛秒激光脈沖在該塊狀純鈦植入材料表面聚焦，形成半徑為5μm的光斑；第三步，設定飛秒激光加工參數(shù)為脈沖重復頻率1千赫茲；單脈沖能量5～200微焦耳；脈沖寬度50飛秒；脈沖中心波長800納米；激光加工線間距10～100微米，激光掃描速度0.5～1.2mm/秒，調節(jié)激光偏振方向與激光掃描方向平行，用該飛秒激光掃描該塊狀純鈦植入材料整個表面，由此制得在純鈦植入材料表面形成有均勻的條紋、孔洞、溝槽或這幾種構形組合的規(guī)則圖案的，即形成有均勻粗糙度的，并在鈦表面生成氧化層的鈦基生物醫(yī)學材料。
2. 根據(jù)權利要求1所述飛秒激光在純鈦植入材料表面處理中的應用，其特征在于 第一步中所述塊狀純鈦植入材料的大小為10X10X3mm3，打磨方法是用400-800號水砂 紙逐級打磨。
全文摘要
本發(fā)明飛秒激光在純鈦植入材料表面處理中的應用屬于激光在材料表面處理中的應用，其步驟是在空氣中，將飛秒激光脈沖在經(jīng)打磨及干燥處理的塊狀純鈦植入材料正上方垂直入射并聚焦，在該材料表面形成半徑為5μm的光斑，設定飛秒激光加工參數(shù)為脈沖重復頻率1千赫茲，單脈沖能量5～200微焦耳，脈沖寬度50飛秒，脈沖中心波長800納米，激光加工線間距10～100微米，激光掃描速度0.5～1.2mm/秒，調節(jié)激光偏振方向與激光掃描方向平行，用該飛秒激光掃描該純鈦植入材料整個表面，由此制得在純鈦植入材料表面形成有均勻的條紋、孔洞、溝槽或這幾種構形組合的規(guī)則圖案的，即形成有均勻粗糙度的，并在鈦表面生成氧化層的鈦基生物醫(yī)學材料。
文檔編號B23K26/00GK101264551SQ20081005287
公開日2008年9月17日 申請日期2008年4月25日 優(yōu)先權日2008年4月25日
發(fā)明者李長義, 陽 楊, 楊建軍, 楊賢金, 梁春永, 磊 王, 王洪水, 陳學廣 申請人:河北工業(yè)大學;南開大學;天津醫(yī)科大學口腔醫(yī)院