[发明专利]一步织构化改性钛合金种植体表面的激光干涉纳米光刻系统

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种一步织构化改性钛合金种植体表面的系统，利用激光干涉纳米光刻技术直接在钛合金种植体表面制备微米至纳米级表面结构，改变种植体表面几何形貌和粗糙度，提高种植体-骨的生物结合能力，提高种植体的生物相容性。

背景技术

目前，种植体植入在临床中取得了一定的效果，但仍然存在失败及并发症的风险，如种植体松脱、种植体周围炎症、种植体周围骨丧失及过敏反应等。导致种植失败的主要原因是金属种植体不能与植入部位周围的骨组织实现良好的骨长入。50年代中期,经研究发现钛金属具有优异的生物相容性,且价格便宜，因此钛合金作为种植体材料被广泛应用，但钛合金种植体在临床应用的过程中仍存在一些问题，如生物活性差、缺乏骨诱导作用、与周围骨组织结合能力差、金属离子释放、骨长入时间长以及耐腐蚀性差等。因此如何提高钛合金种植体的骨结合能力和质量，受到业界越来越多的关注。目前钛合金种植体表面改性，已经成为提高种植体骨结合能力的有效途径，其研究被广泛应用。钛合金种植体表面结构的改性可提高种植体-骨组织界面的骨结合能力，促进咬合应力向周围组织的传导，减少二者的相对运动和纤维组织的长入。随着钛合金种植体广泛应用于临床，学者们尝试了多种改善方法，其中钛合金种植体的表面改性对提高种植成功率起着重要作用，目前常用的表面改性方法主要包括：化学处理方法、物理方法，以及生物方法等。由于种植体位于多个不同解剖结构内，因此一个种植体上可能需要不同的表面结构,除了金属材料本身的因素外种植体的设计如几何形状、直径和长度以及材料表面结构都会影响骨内种植体的成功。种植体表面结构大致可分为两类，即光滑表面与粗糙表面。在机械加工上，Sa≤1μm被认为是光滑，而Sa＞1μm被认为是粗糙表面(Sa为表面粗糙度)，细胞在不同Ra值表面表现出不同的生物行为。实际上，在多级微米及纳米级结构的同一表面，细胞群总体的生物学行为，即使在同等Ra值的集体表面，也有所不同。因此，单纯以Ra值衡量表面粗糙度并不可靠。研究发现，粗糙表面种植体与骨组织的结合面积及结合强度均大于光滑表面的种植体，成骨细胞对微米至纳米级结构敏感，大小，直径与生物成分相匹配的表面微结构如凹槽、凸起、空洞等，能够诱导成骨细胞产生与光滑表面截然不同的生物学反应，从而诱导成骨细胞粘附和定向分化。研究证实，粗糙的种植体表面可增加其骨结合表面积20倍左右。经研究表明，细胞更容易沿着具有微米至纳米级的槽和嵴等超微结构的种植体表面生长，增加微米至纳米级表面结构可以增加种植体-骨的接触面积和结合能力。长期临床证实，非喷涂的粗糙表面更有利于引导成骨细胞趋化，增加种植体-骨结构表面积，有利于提高种植体-骨结合能力，可以避免喷涂层的降解或剥脱。

国内外研究的初步结果表明，激光干涉纳米光刻在表面织构化改性方面具有其他技术不可替代的潜力及优势。激光干涉束能量密度高，作用时间短，对非激光照射部位几乎没有影响，即热影响区小，材料热变形可通过加工工艺的控制、达到较小的程度。另外，激光束的可控性好，可以精确实现材料局部以及特殊位置的表面改性，对于种植体的表面改性有其特殊优势。该技术利用多光束激光干涉产生的图案(空间上多周期的能量分布)直接加工或修改材料表面(螺纹表面或曲面)形成与图案相对应的高精度微纳复合结构，得到具有特殊物理和化学特性的材料表面。表面和界面是实现材料功能性的窗口，表面微纳复合结构的构筑对材料的性能有着非常重要的意义。除了宏观结构，材料表面的性能很大程度取决于表面的微纳米结构，同时植入物的表面粗糙度、润湿性、化学组成等表面性能对生物相容性有直接影响。表面微纳米结构的构筑是调控表面浸润性以及实现材料表面功能化的重要手段。