山东大学万熠教授课题组：激光刻蚀和阳极氧化对纯钛植入体表面性能的影响

山东大学万熠教授课题组：激光刻蚀和阳极氧化对纯钛植入体表面性能的影响 | 好文推荐

2021-06-28 14:21:23 作者：中国表面工程来源：中国表面工程分享至：

研究背景

钛及其合金因其具有耐腐蚀性、良好的力学性能和较低的弹性模量，被广泛用作牙科置换材料、关节植入体等硬组织替代物。然而在植入人体后，钛依然存在骨整合差、容易脱落等问题。为了提高植入体的生物相容性，人们通过各种机械及物理化学方法在植入体表面制备出微米或纳米结构。然而，喷砂、碱热处理等方法加工效率低，且容易产生污染。

激光刻蚀是利用原子受激光辐射出光子时产生的热效应熔化掉工件表面材料从而留下永久印记的工艺，与传统的机械、化学等加工方法相比具有精度高、污染小、使用灵活、可控性高等优点。阳极氧化可在微沟槽内部及表面生成致密的TiO2纳米管，此管在促进成骨分化、抗菌、搭载药物等领域都展现出广阔的应用前景。

所做工作及研究结果

山东大学机械工程学院先进加工与智能制造实验室集成了激光刻蚀和阳极氧化工艺（图1），在钛片表面成功构建了由微米级沟槽和有序排列的纳米管组成的微纳双级结构（图2）。经过激光刻蚀加工和阳极氧化处理后的钛片，其表面粗糙度得到显著提高（图3），试件表面成功形成锐钛矿型纳米管（图4），表面润湿性得到显著提高（图5），生物活性得到显著提高（图6），并研究在模拟体液浸泡下试样表面生成羟基磷灰石的形成机理（图7）。

价值意义（创新）

在医用纯钛表面利用激光刻蚀与阳极氧化的方法成功构建出微纳复合结构。激光刻蚀与阳极氧化的结合，有望成为一种新的植入体表面改性的方法以用于商业或临床试验。

（a）微沟槽阵列示意图

（b）阳极氧化试验装置

图1 微纳双级结构的构建

图2 激光加工-阳极氧化组试件表面结构SEM图

（a）不同组试件表面的三维形貌

（b）不同组试件表面的粗糙度平均值（Sa）（n=3）

图3 试样表面三维形貌表征

图4 退火前后激光加工-阳极氧化组钛片表面的XRD图

图5 不同组试件表面的接触角

（a）激光加工-阳极氧化组试件在SBF中浸泡14 d后表面SEM图

（b）激光加工-阳极氧化组试件浸泡于SBF中14 d后的表面EDS及XRD分析结果

图6 生物活性表征

图7 羟基磷灰石在微纳结构表面形成机理

团队介绍

640?wx_fmt=jpeg&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

负责人：万熠，山东大学教授，博士生导师，机械工程学院常务副院长，研究生院副院长。目前从事非结构化环境下智能装备的环境感知、路径规划与运动控制及医用生物植入体先进加工技术与增材制造技术交叉等方向的研究。近5年主持项目19项，发表论文70余篇，获得国家及省部级奖项3项，授权发明专利13项，担任国内外多个期刊审稿专家，荣获教育部新世纪优秀人才、山东大学杰出中青年学者等荣誉称号。

研究方向：在高效精密切削加工的研究基础上，课题组面向国家重大战略需求，开展了医用生物植入体先进加工技术与增材制造技术交叉的研究。提出兼顾成骨和抗菌的微纳米复合结构构建的植入体表面设计制造方法，在材料表面原位构建生物活化微纳米双级结构，为机械加工和生物医学的深度交叉提供了理论及技术指导，并面向机器人在特殊场合作业的需求，攻关了特种机器人结构设计与优化、多功能设计、自主路径规划与运动控制技术、复杂环境感知技术和遥操作技术等关键技术，获得省重大创新工程项目等资助，已与多家企业开展了技术合作。