摘要
Ti6Al4V钛合金材料凭借其良好的耐腐蚀性、低细胞毒性和优异的力学性能被广泛应用于生物医学领域，尤其是骨科植入物。然而钛合金作为生物惰性材料，缺乏促成骨性能，限制了植入物与骨组织间的有机结合。此外，随着人口老龄化的加剧，市场上对钛植入物的生物学性能有着更高的要求。研究表明，在植入物表面引入一定的微观结构有利于细胞的附着和增殖，提高材料成骨性能；通过引入表面涂层有助于进一步改善植入物的生物相容性。因此，本文提出一种基于激光微造型和电泳沉积复合工艺的表面改性方法，提高植入物表面生物性能。本文的研究内容如下： (1)开展了纳秒激光对钛合金表面微造型加工的数值模拟研究。构建了激光烧蚀钛合金的有限元模型，分别用二维模型和三维模型对凹坑加工和沟槽加工过程进行分析。对计算结果进行分析发现：材料随着脉冲数的不断增加而发生热量累积，导致材料被不断去除。脉冲频率和热源的移动速度对热量累积和脉冲重叠率均有影响，从而影响微造型加工的结果。 (2)开展了激光烧蚀微坑和沟槽的工艺试验，探究激光参数对加工出来的微结构形貌尺寸的影响规律，结果表明，激光的扫描次数、扫描速度和激光器的频率对烧蚀的结果均有影响，参数选取的不同会改变加工出来形貌的尺寸和质量。 (3)搭建了电泳沉积实验装置，开展钛合金表面的电泳沉积氧化石墨烯实验。结果表明，沉积时间、溶液浓度和电源电压强度是影响沉积层质量的三个主要因素，且存在溶液浓度阈值，只有当溶液浓度超过这个阈值时电泳沉积反应才能顺利发生。在微造型后的基底上进行电泳沉积时，发现沉积层的厚度和基底形貌对沉积层的形貌也存在影响。 (4)对加工后的样件进行了表面性能的表征，包括：表面形貌对润湿性的影响规律，X射线衍射和拉曼光谱研究。对复合工艺加工后的样件进行体外生物实验研究，得到的结果证明：复合加工工艺后的表面生物活性明显提高，微造型的图案可以引导细胞定向增殖分化。
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