[发明专利]一种基于在线监测的增材金属植入物功能表面激光制备系统

说明书

本发明提供一种基于在线监测的增材金属植入物功能表面激光制备系统，包括：ns/fs脉冲激光加工模块、光电监测模块、视觉监测模块、热学监测模块；综合利用多物理场在线监测并实时调控ns/fs脉冲激光加工模块制备增材金属植入物功能表面脉冲激光加工状态实现ns脉冲激光增材表面抛光与fs脉冲激光诱导功能微结构原位加工转换，缩短高性能增材骨缺损金属植入物高性能制备周期，实时避免抛光表面超差以及微结构诱导缺陷。

技术领域

本发明涉及一种基于在线监测的增材金属植入物功能表面激光制备系统，属于激光加工技术领域。

背景技术

骨缺损是指由于先天因素、个人口腔卫生环境、肿块或肿瘤切除手术，以及其他突发意外事故造成的骨骼完整性遭到破坏的病例。骨缺损往往会畸化患者正常身体机能，对患者的身心造成极大影响。具有较好的力学性能和生物相容性的金属植入物，不仅可以为骨组织诱导再生提供支持保护，稳固植入骨粉及药物，还可以减少自体骨移植所需量，起到屏障膜的作用。近年来针对传统钛网具有的强度使得其与患者骨骼贴合不紧密，难以满足不同个体的差异化需求，在针对大面积，水平伴垂直向缺损的质量中表现不佳等问题，金属植入物开始利用激光增材手段制备。针对不同人群，激光增材制造钛网均可紧密贴合其骨骼解剖结构，避免术中弯制，造成时间浪费。个性化定制，减轻患者因个体差异带来的负担。

由于在激光增材制造过程中，原料粉粒飞溅、粘附以及台阶效应等原因，金属植入物表面质量不佳，粗糙度较高，植入后会造成临近组织的损害感染，造成植入物暴露或者腐蚀，为患者带来二次创伤。因此激光增材制造钛网如果要在临床医疗中应用，必须进行抛光处理。现有抛光技术中，传统机械抛光技术成熟，成本低廉。但是骨缺损金属植入物往往因为医疗需要而具备特定和复杂的拓扑结构，传统机械抛光完成。而化学、电解抛光存在植入物表面化学物品残留，造成对人体细胞的毒害。激光抛光技术，利用熔池内液态金属流动带来材料的重新分配，减小表面粗糙度，可以实现复杂结构的精确、无接触抛光。

在金属植入物植入患者体内后，植入物表/界面特性直接影响患者体内蛋白质吸附以及细胞粘附、增殖、迁移及分化等行为。涂层作为植入物表面生物功能调节手段，虽然在极大程度上可以促进组织生长愈合，但是存在厚度难以控制以及涂层与基材界面强度不足等问题。利用拓扑结构调控细胞行为，可以有效达到促进生物相容性等表面功能。超快激光精密加工技术不受材料限制，能够精确制备多种微纳结构，实现植入物表面调节细胞形状和生长迁移等，可以有效实现金属植入物实现生物功能表面制备，有效保证了金属植入物的成功率。

随着激光技术工业化程度的不断加深，对其加工效率和加工质量提出了越来越高的要求。在实现加工质量提高的目标过程中，除了使用更高成本的超快激光器之外，使用监测技术对加工过程进行观察和调控也是重要的手段。传统的离线监测技术采用先加工后分析的方式对激光加工进程和加工缺陷进行监测，这种方法往往伴随着较差的时效性和较低的工作效率，在面对工况复杂多变、工件结构和组分多样化的实际工业生产时无法大规模应用。因此，在线监测技术作为一种必要的辅助手段，目前逐渐被广泛地应用到激光加工过程中。

发明内容

为了实现增材制备的骨缺损金属植入物功能表面的高性能激光制备，本发明提出一种基于在线监测的超快激光加工新方案：

一种基于在线监测的增材金属植入物功能表面激光制备系统，包括：ns/fs脉冲激光加工模块(1)、光电监测模块(2)、视觉监测模块(3)、热学监测模块(4)。光电监测模块(2)，视觉监测模块(3)及热学监测模块(4)综合利用多物理场在线监测并实时调控ns/fs脉冲激光加工模块(1)制备增材制备的骨缺损金属植入物(5)功能表面脉冲激光的状态。