本發(fā)明涉及的是一種一步織構(gòu)化改性鈦合金種植體表面的系統(tǒng)，利用激光干涉納米光刻技術(shù)直接在鈦合金種植體表面制備微米至納米級表面結(jié)構(gòu)，改變種植體表面幾何形貌和粗糙度，提高種植體-骨的生物結(jié)合能力，提高種植體的生物相容性。

背景技術(shù)：

目前，種植體植入在臨床中取得了一定的效果，但仍然存在失敗及并發(fā)癥的風(fēng)險，如種植體松脫、種植體周圍炎癥、種植體周圍骨喪失及過敏反應(yīng)等。導(dǎo)致種植失敗的主要原因是金屬種植體不能與植入部位周圍的骨組織實現(xiàn)良好的骨長入。50年代中期,經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)鈦金屬具有優(yōu)異的生物相容性,且價格便宜，因此鈦合金作為種植體材料被廣泛應(yīng)用，但鈦合金種植體在臨床應(yīng)用的過程中仍存在一些問題，如生物活性差、缺乏骨誘導(dǎo)作用、與周圍骨組織結(jié)合能力差、金屬離子釋放、骨長入時間長以及耐腐蝕性差等。因此如何提高鈦合金種植體的骨結(jié)合能力和質(zhì)量，受到業(yè)界越來越多的關(guān)注。目前鈦合金種植體表面改性，已經(jīng)成為提高種植體骨結(jié)合能力的有效途徑，其研究被廣泛應(yīng)用。鈦合金種植體表面結(jié)構(gòu)的改性可提高種植體-骨組織界面的骨結(jié)合能力，促進(jìn)咬合應(yīng)力向周圍組織的傳導(dǎo)，減少二者的相對運動和纖維組織的長入。隨著鈦合金種植體廣泛應(yīng)用于臨床，學(xué)者們嘗試了多種改善方法，其中鈦合金種植體的表面改性對提高種植成功率起著重要作用，目前常用的表面改性方法主要包括：化學(xué)處理方法、物理方法，以及生物方法等。由于種植體位于多個不同解剖結(jié)構(gòu)內(nèi)，因此一個種植體上可能需要不同的表面結(jié)構(gòu),除了金屬材料本身的因素外種植體的設(shè)計如幾何形狀、直徑和長度以及材料表面結(jié)構(gòu)都會影響骨內(nèi)種植體的成功。種植體表面結(jié)構(gòu)大致可分為兩類，即光滑表面與粗糙表面。在機械加工上，Sa≤1μm被認(rèn)為是光滑，而Sa＞1μm被認(rèn)為是粗糙表面(Sa為表面粗糙度)，細(xì)胞在不同Ra值表面表現(xiàn)出不同的生物行為。實際上，在多級微米及納米級結(jié)構(gòu)的同一表面，細(xì)胞群總體的生物學(xué)行為，即使在同等Ra值的集體表面，也有所不同。因此，單純以Ra值衡量表面粗糙度并不可靠。研究發(fā)現(xiàn)，粗糙表面種植體與骨組織的結(jié)合面積及結(jié)合強度均大于光滑表面的種植體，成骨細(xì)胞對微米至納米級結(jié)構(gòu)敏感，大小，直徑與生物成分相匹配的表面微結(jié)構(gòu)如凹槽、凸起、空洞等，能夠誘導(dǎo)成骨細(xì)胞產(chǎn)生與光滑表面截然不同的生物學(xué)反應(yīng)，從而誘導(dǎo)成骨細(xì)胞粘附和定向分化。研究證實，粗糙的種植體表面可增加其骨結(jié)合表面積20倍左右。經(jīng)研究表明，細(xì)胞更容易沿著具有微米至納米級的槽和嵴等超微結(jié)構(gòu)的種植體表面生長，增加微米至納米級表面結(jié)構(gòu)可以增加種植體-骨的接觸面積和結(jié)合能力。長期臨床證實，非噴涂的粗糙表面更有利于引導(dǎo)成骨細(xì)胞趨化，增加種植體-骨結(jié)構(gòu)表面積，有利于提高種植體-骨結(jié)合能力，可以避免噴涂層的降解或剝脫。

國內(nèi)外研究的初步結(jié)果表明，激光干涉納米光刻在表面織構(gòu)化改性方面具有其他技術(shù)不可替代的潛力及優(yōu)勢。激光干涉束能量密度高，作用時間短，對非激光照射部位幾乎沒有影響，即熱影響區(qū)小，材料熱變形可通過加工工藝的控制、達(dá)到較小的程度。另外，激光束的可控性好，可以精確實現(xiàn)材料局部以及特殊位置的表面改性，對于種植體的表面改性有其特殊優(yōu)勢。該技術(shù)利用多光束激光干涉產(chǎn)生的圖案(空間上多周期的能量分布)直接加工或修改材料表面(螺紋表面或曲面)形成與圖案相對應(yīng)的高精度微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，得到具有特殊物理和化學(xué)特性的材料表面。表面和界面是實現(xiàn)材料功能性的窗口，表面微納復(fù)合結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑對材料的性能有著非常重要的意義。除了宏觀結(jié)構(gòu)，材料表面的性能很大程度取決于表面的微納米結(jié)構(gòu)，同時植入物的表面粗糙度、潤濕性、化學(xué)組成等表面性能對生物相容性有直接影響。表面微納米結(jié)構(gòu)的構(gòu)筑是調(diào)控表面浸潤性以及實現(xiàn)材料表面功能化的重要手段。

激光干涉納米光刻的原理是利用兩束或多束激光干涉產(chǎn)生干涉圖案陣列的光強能量分布與材料相互作用而獲得表面的微納米結(jié)構(gòu)。干涉圖案不僅是二維平面內(nèi)的點、線，還可以構(gòu)造復(fù)雜的多周期結(jié)構(gòu)。該技術(shù)具有特征尺寸、形狀和周期從納米到微米級連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點，在空氣中，周期最小可接近1/2波長。激光干涉具備了大面積制造三維周期性或準(zhǔn)周期性納米結(jié)構(gòu)的潛力。利用納秒高能激光束(能量密度約為10⁸w/cm²)輻照金屬表面，使一定厚度的表層材料瞬間熔化，然后依靠低溫基體將熔池急冷，促進(jìn)自發(fā)形核，增加晶核數(shù)量，從而細(xì)化晶粒。因為細(xì)晶粒受到外力發(fā)生塑性變形可分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，塑性變形較均勻，應(yīng)力集中較??；晶粒越細(xì)，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴展。材料強度隨晶粒變小而增強，使材料表面組織發(fā)生較大變化，達(dá)到表面改性的目的，同時獲得與激光干涉圖案相對應(yīng)并與生物相容的微納復(fù)合結(jié)構(gòu)表面。表面微納米結(jié)構(gòu)的形成將對摩擦過程中產(chǎn)生的應(yīng)力在微區(qū)釋放，從物理和化學(xué)兩個方面提升人工關(guān)節(jié)表面的抗磨損能力，同時表面微納米結(jié)構(gòu)的粗糙度、潤濕性、表面能等表面性能對生物相容性也有直接影響。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種一步改性鈦合金種植體表面的激光干涉納米光刻系統(tǒng)，利用多波長高峰值功率納秒激光干涉制造技術(shù)，突破傳統(tǒng)噴涂改性工藝的桎梏，獲得生物相容表面微納復(fù)合結(jié)構(gòu)，從而改變種植體表面機械性能，增強種植體-骨的生物機械結(jié)合性能，提高種植體的生物相容性。

本發(fā)明一步改性鈦合金種植體表面的激光干涉納米光刻系統(tǒng)包括：激光器、分光系統(tǒng)、波片和偏振片鏡組，分光系統(tǒng)包括分光鏡和高反鏡：激光器發(fā)出的一束激光，經(jīng)分光系統(tǒng)分成二束相干光束，通過設(shè)計分光系統(tǒng)中分光鏡和高反鏡的位置和角度，使入射角θ₁＝θ₂＝θ，空間角通過波片和偏振片鏡組，控制各相干光束的光強能量密度和偏振態(tài)，使光強能量密度比為1:1，偏振態(tài)為TE-TE，二個相干光束實現(xiàn)干涉，直接在鈦合金種植體表面刻蝕出特征尺寸為100nm至20μm可調(diào)的凹槽結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的原理是：由激光器發(fā)出一束激光，由分光系統(tǒng)將激光束分成二束相干光束，通過設(shè)計分光系統(tǒng)中分光鏡和高反鏡的位置和角度，得到特定入射角和空間角的相干光束，通過波片和偏振片鏡組，控制各相干光束的光強能量密度和偏振態(tài)，直接在材料表面刻蝕出凹槽圖案的微米至納米級等表面結(jié)構(gòu)，改變材料表面形貌和粗糙度，提高種植體-骨的生物結(jié)合能力，提高種植體的生物相容性。

激光波長為1064nm，頻率為10HZ，脈沖持續(xù)時間為7ns。波片和偏振片鏡組控制每束干涉光的光強能量密度，確定脈沖激光干涉能量分布與鈦合金相互作用的邊界條件，直接在鈦合金表面刻蝕結(jié)構(gòu)。

所述鈦合金種植體表面為單純柱狀、螺紋柱狀、螺紋根形表面。

直接在鈦合金種植體表面刻蝕的時間為40s-60s。

控制入射相干光束的參數(shù)，包括：光束數(shù)目，入射角、空間角，偏振角，位相，光程差和刻蝕時間，確定二光束干涉復(fù)合圖案及相干光束的組合條件，獲得與二光束干涉調(diào)制光場分布相對應(yīng)的凹槽表面結(jié)構(gòu)。

在不同特征尺寸的凹槽、凹坑和凸起點陣表面結(jié)構(gòu)培養(yǎng)成骨細(xì)胞，控制微米至納米級結(jié)構(gòu)制備的工藝參數(shù)，改變鈦合金材料表面粗糙度和生物相容性，獲得增強鈦合金種植體-骨結(jié)合能力的表面結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點在于：

(1)本發(fā)明激光干涉納米光刻系統(tǒng)，利用二光束激光干涉產(chǎn)生的凹槽圖案直接加工單純柱狀、螺紋柱狀、螺紋根形鈦合金種植體表面，形成與圖案相對應(yīng)的高精度微米至納米級結(jié)構(gòu)，改變材料表面的幾何形貌及粗糙度，提高種植體-骨的生物機械結(jié)合性能，引導(dǎo)成骨細(xì)胞趨化，提高種植體的生物相容性。

(2)本發(fā)明利用激光干涉納米光刻系統(tǒng)，實現(xiàn)二光束干涉，在鈦合金種植體表面進(jìn)行刻蝕，得到微米至納米級表面結(jié)構(gòu)，通過控制入射角、空間角、偏振角、位相、光程差和刻蝕時間，確定二光束干涉復(fù)合圖案及相干光束的組合條件，獲得與二束干涉光場分布相對應(yīng)的微納米表面結(jié)構(gòu)。在不同特征尺寸的表面結(jié)構(gòu)培養(yǎng)成骨細(xì)胞，控制微米至納米級結(jié)構(gòu)的制備的工藝參數(shù)，改變鈦合金材料表面粗糙度和生物相容性，獲得增強鈦合金種植體-骨結(jié)合能力的表面結(jié)構(gòu)。

附圖說明

圖1為三光束干涉光刻系統(tǒng)。1為大功率激光器，2,3,5,6,8為高反鏡，4，7為分光鏡，9,10,11為波片與偏振片鏡組；

圖2為三光束干涉光刻系統(tǒng)在鈦合金表面形成的凹坑點陣結(jié)構(gòu)，周期為5μm；

圖3為二光束干涉光刻系統(tǒng)。1為大功率激光器，2,3,5,6為高反鏡，4為分光鏡，9,10為波片與偏振片鏡組；

圖4為二光束激光干涉光刻系統(tǒng)在鈦合金表面形成的凹槽表面結(jié)構(gòu)，周期為20μm。

具體實施方式

實施例1

利用Matlab模擬三光束干涉圖案，理論分析和實驗研究調(diào)制的多光束干涉獲得多重周期的微納混合結(jié)構(gòu)。基于電磁波理論進(jìn)行分析，建立數(shù)學(xué)物理模型，并利用軟件模擬與實際光刻相結(jié)合，分析特定參數(shù)條件下調(diào)制現(xiàn)象的干涉機制，通過精確控制脈沖激光能量，獲得與模擬結(jié)構(gòu)一致的微米級調(diào)制周期及納米級特征尺寸的微納混合結(jié)構(gòu)?；诶碚撆c實驗分析的結(jié)果，搭建三光束干涉光刻系統(tǒng)，如圖1所示。激光器1發(fā)出一束激光經(jīng)過高反鏡2、高反鏡3、分光鏡4和高反鏡5，到達(dá)干涉場為光路Ⅰ；經(jīng)過高反鏡2、高反鏡3、分光鏡4、分光鏡7和高反鏡6，到達(dá)干涉場為光路Ⅱ；經(jīng)過高反鏡2、高反鏡3、分光鏡4、分光鏡7和高反鏡8，到達(dá)干涉場為光路Ⅲ。系統(tǒng)中，將入射角設(shè)為θ₁＝θ₂＝θ₃＝θ₀＝8°，空間角設(shè)為偏振角設(shè)為ψ₁＝ψ₂＝ψ₃＝90°，三光束光強能量密度比為1:1:1，通過波片和偏振片鏡組9,10，11精確控制各光束的光強能量密度和偏振角度，使每束光的光強能量密度相同為0.5Jcm^-2-，偏振態(tài)分別為TE-TE-TE，得到周期為5μm的凹坑點陣結(jié)構(gòu)。分別在周期為5μm的凹坑點陣表面培養(yǎng)MG63成骨細(xì)胞，細(xì)胞的生長情況和粘附效果要優(yōu)于未處理表面。圖2為實施例中的干涉結(jié)構(gòu)表面形貌掃描電鏡圖片，如果所示，三光束干涉在鈦合金表面形成平均周期為5μm的凹坑點陣結(jié)構(gòu)。

實施例2

首先利用Matlab模擬二光束干涉圖案，理論分析與實驗研究干涉光與材料相互作用機理，確定材料的光刻閾值并實現(xiàn)定量納米光刻。研究給定材料相對于給定激光在特定環(huán)境下的干涉光刻閾值，建立單溫、雙溫、分子動力學(xué)等數(shù)學(xué)物理模型對干涉光與固體材料之間非平衡熱傳導(dǎo)過程進(jìn)行研究。通過精確控制脈沖激光能量確保干涉光刻圖案與模擬結(jié)構(gòu)的一致性。基于理論與實驗分析的結(jié)果，搭建兩光束干涉光刻系統(tǒng)，如圖3所示。激光器1發(fā)出一束激光經(jīng)過高反鏡2、高反鏡3、分光鏡4和高反鏡5，到達(dá)干涉場為光路Ⅰ；經(jīng)過高反鏡2、高反鏡3、分光鏡4和高反鏡6，到達(dá)干涉場為光路Ⅱ。系統(tǒng)中，將入射角設(shè)為θ₁＝θ₂＝θ＝1.5°，空間角設(shè)為偏振角設(shè)為ψ₁＝ψ₂＝90°，兩光束光強能量密度比為1:1，通過波片和偏振片鏡組9和10精確控制各光束的光強能量密度和偏振角度，使每束光的光強能量密度相同為0.5Jcm^-2，偏振態(tài)為TE-TE，得到周期為20μm的凹槽結(jié)構(gòu)。在周期為20μm的凹槽結(jié)構(gòu)表面培養(yǎng)MG63成骨細(xì)胞，生長情況及粘附效果優(yōu)于凹坑結(jié)構(gòu)表面。圖4為實施例中的干涉結(jié)構(gòu)表面形貌的掃描電鏡圖片，如圖4所示為兩光束激光干涉在鈦合金表面形成平均周期為20μm的凹槽結(jié)構(gòu)。

提供以上實施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。