一種改善醫用植入物表面細胞粘附性的雷射紋理化方法與流程
2023-10-09 22:16:44 5
本發明涉及一種改善醫用植入物表面細胞粘附性的雷射紋理化方法。可將該方法廣泛應用於特定用途的醫用植入物，使植入物的表面獲得更好的細胞粘附性能，提高植入物的醫療效果，屬於材料表面加工技術領域。
背景技術：
短脈衝雷射技術以其超高峰值功率密度、超快時間分辨和高聚焦能力的特徵，在醫學、微電子學、微/納加工和材料科學等多個領域得到了廣泛的應用。短脈衝雷射微/納加工技術憑藉其極高的加工解析度、極小的熱影響區和較高的加工質量等顯著優勢，逐漸取代傳統的加工技術成為固體材料微/納加工最有效的方法之一。短脈衝雷射表面微/納米紋理化是短脈衝雷射微/納製造的重要應用領域，是製備具有特殊表面性能的功能材料的重要方法。表面形貌是控制固體材料表面光學、潤溼、化學、生物、力學等性能的重要因素。採用短脈衝雷射表面微/納米結構化技術可在材料表面製備多種微米、納米尺度結構，從而改變材料表面光學、潤溼等性能，製備諸如超高光吸收、超疏水、自清潔、防蝕、防凍、防菌、低流阻等表面，在傳感器、太陽能吸收器、渦輪葉片、機翼、雷達通訊等領域有重要應用前景。
醫用材料、聚合物等材料表面微觀形貌已被證明能夠影響細胞在其表面的生長情況，具體影響機制尚不完全明確，但已有實驗證實：相對於平整的表面，表面凹凸不平的微觀結構能夠影響某些細胞在材料表面生長時的方向取向，生長形狀，覆蓋率等方面。利用短脈衝雷射燒蝕的方法，可對材料表面實現精確的紋理化處理，使處理後的材料實現特定要求的細胞粘附效果。
技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種改善醫用植入物表面細胞粘附性的雷射紋理化方法。該方法可廣泛應用於醫用植入物的表面處理，使醫用植入物具有特定要求的細胞粘附效果。
本發明一種改善醫用植入物表面細胞粘附性的雷射紋理化方法的流程如圖1所示，主要包括如下步驟：
(1)對醫用材料表面依次進行化學清洗去油，機械打磨拋光或雷射拋光後再次清洗；
(2)將步驟(1)清洗後的醫用材料置於雷射加工系統的工作檯上，設定雷射參數，啟動雷射加工系統，利用振鏡掃描使雷射在醫用材料表面以一定速度掃射，最終在表面獲得雷射燒蝕得到的紋理化表面，加工過程在惰性氣體保護下進行；
(3)對加工後的醫用材料進行清潔。
其中，所述的醫用材料可以為鎂合金，鈦合金，鋼，高分子聚合物；
其中，步驟(2)中設定的雷射參數為：雷射波長為193nm～1070nm，雷射脈寬為50fs～100ns，雷射功率為1W～50W，雷射脈衝頻率為1kHz～1MHz；
其中，步驟(2)中利用振鏡掃描使雷射在醫用材料表面以一定速度掃射，其速度為0.2mm/s～3m/s。
其中，如圖3所示，步驟(2)中利用振鏡掃描使雷射在醫用材料表面燒蝕得到的紋理化表面的微觀形貌可以為一定深度的凹坑陣列、平行排列凹槽結構、以一定角度交錯排列的凹槽結構三者之一，凹槽寬度為1～500μm，凹槽間距為0～500μm，凹坑直徑可為1～500μm，凹坑間距為0～500μm，凹槽和凹坑深度為1～100μm。
本發明公開的一種改善醫用植入物表面細胞粘附性的雷射紋理化方法，開闢了一種新的醫用材料表面處理方法，相對於原有的材料表面，利用雷射使材料表面局部區域在瞬間被加熱到相當高的溫度而燒蝕，使材料表面按照預先設計形成特定的紋理化形貌，以達到改善醫用植入物材料表面的細胞粘附性能，相比於未處理的醫用植入物表面或機械刻劃的表面刻痕，本發明的優點在於：
(1)：該方法利用雷射直寫系統，可以通過改變雷射參數如頻率、掃描速度、功率對醫用材料表面燒蝕深度、軌跡等進行精確控制，能得到加工精度和加工範圍遠大於現有的強化工藝。
(2)：該方法利用雷射直寫系統，硬化基於材料高溫燒蝕，且熱影響小，被處理材料基體不發生化學變化，可應用於多種醫用材料材料。
(3)：該方法加工速度更快，有望在實際生產中提高生產效率。
附圖說明：
圖1所示為本發明方法流程圖。
圖2所示為雷射加工系統示意圖。
圖3a、圖3b、圖3c所示為雷射表面化後材料表面形貌示意圖。
具體實施方式：
下面結合附圖和具體實施例，對本發明作進一步說明。
如圖所示，本發明公開的一種改善醫用植入物表面細胞粘附性的雷射紋理化方法，如圖1所示，具體包括以下步驟：
1.對醫用材料材料表面依次進行化學清洗去油，機械打磨拋光或雷射拋光再次後清洗；
2.將步驟1清洗後的醫用材料置於雷射加工系統的工作檯上，設定雷射參數，啟動雷射加工系統，利用振鏡掃描使雷射在醫用材料表面以一定速度掃射，最終在表面獲得雷射燒蝕得到的紋理化表面，加工過程在惰性氣體保護下進行；
3.對加工後的醫用材料進行清潔。
其中，所述的醫用材料可以為鎂合金，鈦合金，鋼，高分子聚合物；
其中，步驟(2)中設定的雷射參數為：雷射波長為193nm～1070nm，雷射脈寬為50fs～100ns，雷射功率為1W～50W，雷射脈衝頻率為1kHz～1MHz；
其中，步驟(2)中利用振鏡掃描使雷射在醫用材料表面以一定速度掃射，其速度為0.2mm/s～3m/s。
其中，如圖3所示，步驟(2)中利用振鏡掃描使雷射在醫用材料表面燒蝕得到的紋理化表面的微觀形貌為一定深度的凹坑陣列、平行排列凹槽結構、以一定角度交錯排列的凹槽結構三者之一，凹槽寬度為1～500μm，凹槽間距為0～500μm，凹坑直徑可為1～500μm，凹槽和凹坑深度為1～100μm。
實施例1：
(1)：取2mm厚度的TC4鈦合金片，置於無水酒精中清洗，機械打磨拋光後再次清洗。
(2)：將樣品置於如圖2所示的皮秒雷射加工系統(使用1060nm波長的光纖雷射器，脈寬300ps)的工作檯上，設置雷射功率為15W，頻率為500KHz，掃描速度為200mm/s，掃描線間距為40μm，設置掃描區域大小為15mm×15mm，掃描重複次數為5次，啟動雷射加工系統開始加工。
(3)：從工作檯上取下加工後鈦合金塊，用無水酒精擦拭清理。
實施例2：
(1)：取2mm厚度的316L不鏽鋼片，置於無水酒精中清洗，機械打磨拋光後再次清洗。
(2)：將樣品置於如圖2所示的皮秒雷射加工系統(使用1060nm波長的光纖雷射器，脈寬300ps)的工作檯上，設置雷射功率為20W，頻率為100KHz，掃描速度為3000mm/s，掃描線間距為70μm，設置掃描區域大小為15mm×15mm，掃描重複次數為5次，啟動雷射加工系統開始加工。
(3)：從工作檯上取下加工後鈦合金塊，用無水酒精擦拭清理。
實施例3：
(1)：取2mm厚度的Ni-Ti合金片，置於無水酒精中清洗，雷射拋光後再次清洗。
(2)：將樣品置於如圖2所示的納秒雷射加工系統(使用532nm波長的Nd:YAG雷射器，脈寬34ns)的工作檯上，設置雷射功率為30W，頻率為10KHz，掃描速度為500mm/s，掃描線間距為100μm，設置掃描區域大小為15mm×15mm，掃描重複次數為5次，啟動雷射加工系統開始加工。
(3)：將樣品轉置90度後重複步驟2。
(4)：從工作檯上取下加工後合金片，用無水酒精擦拭清理。
本發明方案所公開的技術手段不僅限於上述技術手段所公開的技術手段，還包括由以上技術特徵任意組合所組成的技術方案。本發明要求保護的範圍以權利要求書界定的範圍為準。