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山東大學萬熠教授課題組：激光刻蝕和陽極氧化對純鈦植入體表面性能的影響 | 好文推薦

2021-06-28 14:21:23 作者：中國表面工程來源：中國表面工程分享至：

研究背景

鈦及其合金因其具有耐腐蝕性、良好的力學性能和較低的彈性模量，被廣泛用作牙科置換材料、關節植入體等硬組織替代物。然而在植入人體后，鈦依然存在骨整合差、容易脫落等問題。為了提高植入體的生物相容性，人們通過各種機械及物理化學方法在植入體表面制備出微米或納米結構。然而，噴砂、堿熱處理等方法加工效率低，且容易產生污染。

激光刻蝕是利用原子受激光輻射出光子時產生的熱效應熔化掉工件表面材料從而留下永久印記的工藝，與傳統的機械、化學等加工方法相比具有精度高、污染小、使用靈活、可控性高等優點。陽極氧化可在微溝槽內部及表面生成致密的TiO2納米管，此管在促進成骨分化、抗菌、搭載藥物等領域都展現出廣闊的應用前景。

所做工作及研究結果

山東大學機械工程學院先進加工與智能制造實驗室集成了激光刻蝕和陽極氧化工藝（圖1），在鈦片表面成功構建了由微米級溝槽和有序排列的納米管組成的微納雙級結構（圖2）。經過激光刻蝕加工和陽極氧化處理后的鈦片，其表面粗糙度得到顯著提高（圖3），試件表面成功形成銳鈦礦型納米管（圖4），表面潤濕性得到顯著提高（圖5），生物活性得到顯著提高（圖6），并研究在模擬體液浸泡下試樣表面生成羥基磷灰石的形成機理（圖7）。

價值意義（創新）

在醫用純鈦表面利用激光刻蝕與陽極氧化的方法成功構建出微納復合結構。激光刻蝕與陽極氧化的結合，有望成為一種新的植入體表面改性的方法以用于商業或臨床試驗。

（a）微溝槽陣列示意圖

（b）陽極氧化試驗裝置

圖1 微納雙級結構的構建

圖2 激光加工-陽極氧化組試件表面結構SEM圖

（a）不同組試件表面的三維形貌

（b）不同組試件表面的粗糙度平均值（Sa）（n=3）

圖3 試樣表面三維形貌表征

圖4 退火前后激光加工-陽極氧化組鈦片表面的XRD圖

圖5 不同組試件表面的接觸角

（a）激光加工-陽極氧化組試件在SBF中浸泡14 d后表面SEM圖

（b）激光加工-陽極氧化組試件浸泡于SBF中14 d后的表面EDS及XRD分析結果

圖6 生物活性表征

圖7 羥基磷灰石在微納結構表面形成機理

團隊介紹

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負責人：萬熠，山東大學教授，博士生導師，機械工程學院常務副院長，研究生院副院長。目前從事非結構化環境下智能裝備的環境感知、路徑規劃與運動控制及醫用生物植入體先進加工技術與增材制造技術交叉等方向的研究。近5年主持項目19項，發表論文70余篇，獲得國家及省部級獎項3項，授權發明專利13項，擔任國內外多個期刊審稿專家，榮獲教育部新世紀優秀人才、山東大學杰出中青年學者等榮譽稱號。

研究方向：在高效精密切削加工的研究基礎上，課題組面向國家重大戰略需求，開展了醫用生物植入體先進加工技術與增材制造技術交叉的研究。提出兼顧成骨和抗菌的微納米復合結構構建的植入體表面設計制造方法，在材料表面原位構建生物活化微納米雙級結構，為機械加工和生物醫學的深度交叉提供了理論及技術指導，并面向機器人在特殊場合作業的需求，攻關了特種機器人結構設計與優化、多功能設計、自主路徑規劃與運動控制技術、復雜環境感知技術和遙操作技術等關鍵技術，獲得省重大創新工程項目等資助，已與多家企業開展了技術合作。