摘要
钛合金材料因其良好的机械力学性能以及生物相容性而被广泛的应用于人工骨植入领域。但钛合金材料存在生物惰性，植入人体后，不易与骨组织形成稳定可靠的生物键合，使植入体周围发生炎症，更有甚者引起植入体脱落，导致植入失败，因此，提升钛合金材料与骨组织的结合能力成为植入体领域研究的热点。为提升植入体与骨组织的结合强度，本课题依据仿生学原理，结合树蛙脚掌皮肤具有粘附性的特点，在钛合金表面设计出仿树蛙脚掌皮肤形貌的六边形微纳米组合结构。为实现所设计微纳米组合结构的制备，本课题通过光纤激光和化学处理、光纤激光和飞秒激光加工等方法制备微纳米组合结构，并通过体外模拟体液浸泡实验研究不同表面微结构的生物活性。为进一步提升生物活性，利用激光熔覆法在钛合金人工骨表面制备线阵列分布的钛酸钙涂层。通过对该仿生微纳米结构的设计、制造以及生物活性研究，获得以下结论： （1）通过对人工骨骼结构特点以及树蛙脚掌皮肤形貌的分析，仿生设计出六边形微纳米组合结构。 （2）通过对光纤激光器加工钛合金表面影响参数的研究得到功率、速度和脉冲频率与微沟槽形貌、深度的关系，根据所设计沟槽尺寸的要求，选用功率P=14W，速度V=0.2m/min，脉冲频率f=1000Hz进行微六边形结构的加工。 （3）通过化学法和飞秒激光加工法构建纳米尺度结构，并通过扫描电子显微镜、超景深显微镜以及X射线衍射仪等对加工表面进行表征及分析。结果表明，多重酸蚀法能够有效去除光纤激光加工产生的重铸层，在微六边形结构上生成纳米结构；碱热和酸碱热法能够在钛合金表面生成钛酸盐层和稳定的表面多孔结构，并在微米级结构上生成纳米尺度结构；飞秒激光加工法可在钛合金表面制备规则形貌的纳米结构，获得微纳米组合结构。 （4）通过接触角实验分析不同微纳米结构表面浸润性。结果表明，微六边形结构上通过酸碱热法构建的微纳米组合结构接触角最小，为20.9°~25.9°，该结构浸润性最好，表面能最高。 （5）通过模拟体液浸泡实验评价不同微纳米结构表面的生物活性。结果表明，微六边结构上通过酸碱热法构建的微纳米组合结构质量增重比最高，为2.001%~2.93%，该结构有利于羟基磷灰石沉积，具有较好生物活性。 （6）通过激光熔覆法制备的线型涂层中，浸泡法加工效果好，其中，羟基磷灰石粉（单位：g）与去离子水（单位：mL）混合比1:5，羟基磷灰石水溶液液面高出加工平面0.08mm，钛合金表面距离激光焦点1mm时，样品表面生成CaTiO3最多，制备的涂层效果最好。 本课题通过在钛合金表面构建仿树蛙脚掌皮肤形貌的六边形微纳米组合结构以及钛酸钙涂层，解决了植入体与骨组织结合不牢固的问题。课题的研究为提升钛合金表面生物活性奠定了基础，为仿生学与植入骨领域的结合奠定了理论基础，有利于提升骨植入的成功率，有利于人民幸福生活的提高。
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