[发明专利]一种多孔表面结构激光显微加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物医用材料显微加工技术领域，特别提供了一种生物材料多孔表面结构激光显微加工方法。 

背景技术

人体硬组织包括骨、软骨和牙齿等，骨和关节是人体主要承受负荷的组织器官，因此用于人体硬组织修复的材料应具有高强度。在人体生理环境下硬组织有着复杂的显微结构，按其孔隙度大致可分为致密骨和多孔骨，其最明显的差别是它们的相对密度，相对密度为5～70%的为多孔骨，高于70%的为致密骨。从表面上看，骨质很像是实心固体，但大多数骨质都是由致密骨质的外壳裹着多孔网状骨质的芯部组成。多孔骨网状骨质的多孔结构，是由互相连接的骨杆或骨板网络组成。骨杆网络所形成的是低密度的开口孔穴，而骨板网络则是具有较高密度的可能为闭合的孔穴，这样的多孔结构有利于人体新骨组织的长入以及营养物质的输送。——因此，具有多孔结构生物相容性好的生物材料便成为研究的热点。 

骨和关节等系统在复杂应力作用的条件下，要求植入物具有良好的生物安全性、能够与硬组织相匹配的力学性能，并能与原骨牢固结合。迄今为止，用于硬组织修复与替换的材料仍然首推金属材料，其次是生物陶瓷、生物高分子材料、复合材料等。 

传统医用金属材料是生物惰性的，具有较高的力学性能，是临床应用最广泛的承力植入材料。但是，医用金属材料除应具有良好的力学性能及相关的物理性能外，还要具有优良的在人体生理环境下的抗生理腐蚀性能和组织相容性。传统致密态金属的机械性能要远远高于人体硬组织的机械性能。在生物医学领域，这种植入物(如Ti、Ti6A14V、Co-Cr合金和316L不锈钢等)和骨组织之间的机械性能的匹配程度称为植入物的生物力学相容性。生物力学相容性差会造成植入物和和骨组织界面处的“应力屏蔽”和相对运动。较高机械性能的植入物会影响周围的骨组织，因为植入物承担了绝大部分的外力，产生应力屏蔽，所以周围的骨组织容易发生骨质疏松、骨吸收等问题，而且也会影响伤口的愈合。金属材料和骨组织在组成和性质上差异很大，致密态金属植入体内后与骨组织间往往形成纤维组织膜，新生的骨组织只是在其表面，使金属-骨界面不能稳定结合，这是造成植入体松动脱落而不能定位的主要原因，甚至导致植入失效。――因此，发展具有优良生物相容性和生物力学相容性的生物医用多孔材料便成为材料工作者的必然选择。 

目前，多孔金属材料的研究主要侧重于制造方法的研究，随着科学技术的发展以及学科交叉的深入，已经认识到金属多孔材料不仅仅是一种结构材料，独特的结构与性能使其成为一种性能优异的多用途功能材料，具有更广泛的应用前景。 

氮化钛是一种具有高硬度、耐磨损、耐腐蚀、高熔点等优良综合性能的难熔金属氮化物。氮化钛薄膜用作其他材料的保护层，能大大提高表面硬度，改善耐磨抗蚀性能，有效延长使用寿命。在临床应用过程中，氮化钛 薄膜具有非常好的生物相容性、优良的耐腐蚀和耐磨性能，因此它常常应用于人体硬组织系统以及各种人体植入器官的保护薄膜，提高人体植入器官的血液相溶性和耐久性。 

人们期望获得一种技术效果更好的生物医用材料显微加工技术，特别是针对生物材料的多孔表面结构激光显微加工方法。 

发明内容

本发明的目的是提供一种尤其适用于生物医用材料的多孔表面结构激光显微加工方法。 

本发明致力于研究和开发一种生物材料表面激光显微加工之工艺方法，将激光气体氮化改性与激光显微加工复合，制备出满足临床医学要求的多孔植入材料。 

本发明提供了一种多孔表面结构激光显微加工方法，其特征在于：所述方法具体是：首先采用激光气体氮化处理的方式对被加工表面进行表面处理；然后进行激光显微加工。 

需要特别强调的是：普通激光显微加工孔截面形状呈锥形，本发明的不同之处在于，所述激光显微加工过程制备出的孔形状要求为：微孔截面呈倒“Ω”形，从而有利于密集分布的微孔群底部相互连通，促进生理环境下营养物质的流通和扩散。 

本发明所述倒“Ω”形的孔洞轮廓形状如下：距离孔外表面较近出孔径较小；距离孔外表面较远的孔底处是孔径相对明显较大的腔室。具体结 构请参见附图4、9、14等。 

所述显微孔洞的要求是：所述显微孔的孔底最大直径与孔口直径比为1.2～2.5；优选的比值范围是1.3～1.8，进一步优选的范围是1.5～1.6，这一范围明显有利于其在生物医学方面的应用。 

具体而言，在激光显微加工之前对被加工表面进行表面处理的过程满足下述要求：激光气体氮化处理，氮化层厚度10～1000μm；激光熔凝处理；多弧离子镀处理；离子注入；