CN104039368A - 具有结构化表面的基材及产生该基材的方法和确定该基材的润湿特性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有结构化表面的植入物和用于产生具有结构化表面的植入物的方法以及涉及用于确定所述植入物的润湿特性的方法。

Description

具有结构化表面的基材及产生该基材的方法和确定该基材的润湿特性的方法

本发明涉及具有结构化表面的基材和产生具有结构化表面的基材的方法并且还涉及用于确定该基材的润湿特性的方法。根据本发明的方法可以尤其用于产生具有用户特异性的固定表面特性的基材-通过举例提名植入物。因而，可以由根据本发明的方法产生植入物，类似如通过在下颌或四肢骨骼内的植入位置处特别良好的向内生长来区分的牙科植入物或假肢。

除了植入物表面的亲水性和疏水性外，植入物的表面粗糙度在植入物的整合中起到了最重要的作用之一，这一点在近年来变得越来越清楚明了。粗糙度可以通过亲水性，也可以通过疏水性来增加。因而，现有技术已知SLA(喷砂过的酸蚀刻的)表面比钛的平滑的机械加工形式呈现出明显更好的向内生长性能。除了具有粗糙度的SLA表面外，还存在具有TPS(钛等离子体喷涂的)表面的植入物，它们呈现出具有更好的整合愈合性能的粗糙度。

相比于平滑表面，粗糙表面的存在总是与表面积的增加相关。因而，例如，相比于平滑表面，SLA和TPS表面可以具有2-20倍更大的表面积，且尤其在动物和人类中向内生长的情形中具有积极效果。

粗糙表面的不足之处在于植入物修正事件中的取出问题。尤其对先前产生的植入物来说最常见的情况是物体的面朝外的表面通常具有不规则的结构，这不利地影响向内生长性能，尤其是使用物体作为植入物的情况下，且并不会正面地影响向内生长性能。此外，钛颗粒可能会脱离TPS表面而进入组织中。

除此之外，就表面特性而言，以使用SLA法以及还使用TPS法来产生植入物的方式产生的植入物的需要被改善的再现能力呈现出某种统计学宽度，且因此基于使植入物标准化的目的而需要以最高的准确性观察依赖于起始材料的方法参数。

发明人一方为改善表面特性做了许多考虑，并发现最佳结构化的植入物可以被赋予微结构。发明人证明了反向工程产生具有比两种上述的SLA表面和TPS表面得到改善的特性的表面，其中可以以较低的风险可能性制得改善的表面。

发明人一方进一步发现这种粗糙的植入物表面可以通过湿化学法和/或通过由亲水性有机分子官能化而被进一步赋予高亲水性，正如下面所描述的。

然而，将会注意到产生这种高亲水性表面通常需要使用高度加热的酸和相应的等离子体室。至今关于那些高亲水性表面，根据发明人对零值(θ_V/θ_R＝0°/0°)的观察结果，用超纯水测量呈前进角(θ_V)和后退角(θ_R)形式的动态接触角。实际上，接触角在虚数范围内。

因此，本发明涉及具有微结构化表面的基材及产生该基材的方法，如果期望的话，微结构化表面被叠加第二更小的微结构和/或纳米结构，基材具有期望的高亲水性表面特性。

根据本发明，可以通过多种方法来产生那种类型的规则的微结构。这些方法包括结构去除法，像还有结构构建法，它们分别借助能量富集的辐射(energy-rich radiation)而作用于物体或粉末。

根据Mays(2007)“A new classification of pore sizes.Studies in SurfaceScience and Catalysis,160,57-62”中的信息，关于孔径结构/粗糙度可以被合适地分类如下：

纳米结构：0.1-100nm

微米结构：0.1-100μm

毫米结构：0.1-100mm

在此方面，范围0.1-0.99可以被称为“亚微结构”。

根据本发明，激光去除可以被高度选择性地用作结构去除法，以便从基材去除单个层而不会明显破坏下面的层或基材。所去除的结构可以呈点或线的形式，且也可以在表面区域上。

根据本发明，下面的方法被称为用于产生类似植入物的三维物体的结构构建法或层构建法：快速原型法、快速工具加工、快速制造、激光烧结、激光微烧结和EBM。

根据本发明，激光微烧结可以被用作产生微结构的另外的方法。在此方面，还可以高质量地处理陶瓷粉末。

这些方法的基本先决条件大致是产品的几何数据以三维提供且可以被处理为层数据。根据本发明，从部件的现有的CAD数据，数据被转换成数据格式，如STL格式，以便通过上述方法使坯件的表面以特定靶向的方式结构化或能够由粉末构建以结构化形式的坯件。

已知的装置，包括用于快速原型法的装置分别具有这样的STL界面，STL界面起到由三维数据模型提供几何信息的作用。

因而，发明人研发出一种方法，通过这种方法，具有规则的/周期性再现的微结构的表面可以通过用能量富集的辐射以一种或多种图案作用于坯件的表面来产生，图案可以由被转换成STL数据集的周期性函数表示，其中采用使用粒状材料比如金属粉末或陶瓷粉末的结构构建法，或采用结构去除法。在结构构建法的情形中，可以用能量富集的辐射以一个或多个步骤作用于坯件上存在的一定量的粉末且可以在坯件上产生图案。

根据本发明，作为较不复杂和较不昂贵的替代方案，可以采用结构去除法，其中通过去除表面材料来产生期望的结构。

更确切地说，在一个实施方案中，本发明涉及一种用于产生具有带突起和凹陷的规则地微结构化的表面的基材的方法，其中突起之间的间距以统计学平均值计在1.0至100μm的范围内，且突起和凹陷的轮廓高度以统计学平均值(Ra值)计在1到80μm的范围内，该方法包括下述步骤：

a)在坯件上提供可烧结材料粉末的粉末或粉末混合物；

b)将金属粉末的层应用于坯件的表面；以及

c)用能量富集的辐射以图案作用于材料粉末的层上，使得坯件的表面的至少部分区域上的材料粉末被烧结，且形成具有图案的至少部分区域，所述图案可以由被转换成STL数据集的周期性函数表示。

在该方法中，可以由固体材料产生坯件，或通过烧结方法由可烧结材料粉末逐层产生坯件。

如果需要，可以实现在轴向或水平方向上移动或转移坯件并连续重复步骤b)到d)，使得可以烧结邻近具有图案的第一部分区域的具有图案的另外的部分区域。

在一个实施方案中，方法包括连续重复步骤b)到c)，直到表面完全被期望的图案覆盖。

如上所述，除了通过激光烧结或EBM构建图案的方法之外，还可以通过激光烧蚀产生期望的表面微结构。因而，本发明还涉及一种用于产生具有微结构化表面的基材的方法，该方法具有下述步骤：

a)提供坯件；

b)用能量富集的辐射至少部分地以图案作用于坯件，使得所述坯件在所述表面的至少部分区域上被烧蚀，且形成具有所述图案的至少部分区域，所述图案可以由被转换成STL数据集的周期性函数表示。

通过构建法或去除法获得的具有规则地微结构化的表面的坯件经受用于使用被转换成STL数据集的周期性函数产生第二规则的微结构的处理，和/或经受用于产生纳米结构湿化学处理。

如果需要，可以在轴向或水平方向上移动坯件且可以可行地重复步骤b)多次，直到基材表面的至少部分区域被设置有期望的微结构化图案。

因而，本发明还涉及一种基材，其中高亲水性表面被不规则地微结构化或至少在部分区域内被规则地微结构化。

坯件的材料可以选自下述物质的组：金属、金属合金、陶瓷材料(如氧化锆)、玻璃和聚合物(PEEK聚醚醚酮)及其组合。

在此方面，尤其用作植入物的坯件的材料优选包括选自金属、金属合金及其与陶瓷材料的组合的组的材料。优选地，所使用的植入物材料包括金属材料，像纯钛或金属钛合金、铬/镍/铝/钒/钴合金(如TiAlV4、TiAlFe2.5)、高质量钢(如V2A、V4A、铬镍316L)或其与陶瓷材料的组合，陶瓷材料如羟磷灰石、氧化锆、氧化铝，其中金属作为与陶瓷材料的复合材料存在。然而，还可以单独地，不与其他材料组合地来使用非金属材料，包括聚合物像PEEK。

根据本发明，以这种方式获得的微结构化表面可以通过由铬-硫酸进行的湿化学处理来进一步亲水化，其中不再能够根据典型的测量和评估程序测量被水润湿时的接触角或被水润湿时的接触角被假定为0，但根据发明人研发的此新颖的方法可以以虚数指定此被水润湿时的接触角。

这样的处理可以例如以使得微结构化的植入物的表面被氧化剂处理的方式来实施，只要优选地，脱脂的植入物被在高于200℃的温度的热的铬-硫酸中冲击加热-优选地，在此方面，铬-硫酸具有大于1.40g/cm³的密度，也就是说，植入物通过浸渍在铬-硫酸内数秒钟而被加热至铬-硫酸的温度并在该温度下保持10到长达90分钟，优选长达60分钟，尤其是长达30分钟的时段，且之后直接在取出后，植入物在不到1分钟内，优选在数秒钟内被冷却至环境温度。优选地，这可以通过将植入物浸没在15℃到25℃温度的浓硫酸中使植入物骤冷来实现。为了去除酸残余物和(如果存在的话)对植入物来说是外来物的金属离子如铬离子，在多个洗涤步骤(多至15次)中用蒸馏水洗涤金属植入物的表面。如果之后仍在植入物的表面上检测到铬离子，那么可以用络合剂溶液处理植入物，直至不能够进一步检测到金属离子。发明人出人意料地发现当使用EDTA作为络合剂时，当铬溶解出样品时，溶液的颜色变成棕紫色。因此，发明人提出这样一种情形：在pH7的10％的EDTA(1-3x)中，如果需要还在沸腾的EDTA溶液中洗涤样品，直至不会再有由铬离子造成的着色发生。

因而，通过根据本发明的该方法，可以获得具有高亲水性表面的植入物，根据依据EP2121058的方法的另外的配置，这样的植入物可以被制成可储存的。

与现有技术已知的教导内容相比，发明人实施的测试给出了令人惊奇的结果。由于用于保存植入物的亲水性和超亲水性表面的湿包装的成本日益增加，在根据本发明的超亲水性金属植入物的情形中，这令人惊奇地允许储存稳定的植入物而不会损失润湿性，即使在大于0.5M/l的相对高水平的盐浓度下，还寻求无液体的包装方法。在此方面，就润湿性的损失而言，发现其上的盐溶液被蒸发的高亲水性表面还变得稳定。可以在保护性气体或在大气中实现蒸发，其中大气因其简易性的方面而被用作标准。

在蒸发后，细的宏观不可见的“干燥层”被形成在以这种方式处理的表面上，根据本发明的该层稳定并保护超亲水性以及还有高亲水性。通常，根据本发明，可以使用呈一种盐或多种盐的溶液形式的中性盐溶液，其浓度和量相对于超亲水性表面是惰性的且足以覆盖在蒸发后具有干燥层的植入物的表面。当植入物在中性盐的溶液中时，或当从溶液中取出植入物且因而植入物仅被覆盖有该溶液的薄层时，可以进行蒸发。相同的考虑也适用于此处描述的高亲水性植入物。

因此，本发明还包括除了上述用于产生基材的步骤之外，还包括额外的步骤的方法：所获得的表面通过非挥发性物质如盐的溶液、不会与表面相互作用的有机溶剂或含盐的干燥层而被保护、稳定并变得能够长期储存，以就因老化或稳定方法(如γ灭菌)而导致的劣化而言来保护基材的表面。

本发明还涉及具有带突起和凹陷的微结构化的高亲水性表面的基材，其中突起之间的间距以统计学平均值计在1至100μm的范围内，且突起和凹陷的轮廓高度以统计学平均值(Ra值)计在1到80μm的范围内，其中两个动态接触角(θ_V和θ_R)中的至少一个在高亲水性范围内，且至2.15(θ_ai>0.0i°-80i°)，且尤其是至1.0619(θ_ai>0.0i°-20i°)。

本发明还包括如上界定的基材，其中具有第一突起和凹陷的第一微结构被叠加具有第二突起和凹陷的第二微结构，其中第二突起之间的间距以统计学平均值计在0.1至10μm的范围内，且第二突起和凹陷的高度以统计学平均值(Ra值)计在0.1到10μm的范围内。

优选地，第二突起之间的间距以统计学平均值计在0.1至5μm的范围内，且第二突起的高度在0.1到5μm的范围内。

具有第一突起和凹陷的微结构或具有第二突起和凹陷的微结构可以被叠加纳米结构，该纳米结构可以通过湿化学处理如通过酸蚀刻来产生，如在下文描述的。

如果表面具有规则的第一结构且第一突起的间距和高度在以上定义的极限内，那么这是有优势的。该第一微结构优选地通过用能量富集的辐射以图案所作用的坯件的表面来产生，所述图案可以由被转换成STL数据集的周期性函数表示。该周期性函数优选地是基本的三角函数A_R(x)或其导函数，三角函数A_R(x)选自：

A_R(x)＝(sin(x)， (1)

$A_R\left(x\right)=\frac{4a}{\mathrm{\π}}(\sin \left(x\right)+\frac{1}{3}\sin [3x]+\frac{1}{5}\sin \left(5x\right)+\frac{1}{7}\sin \left(7x\right)+\frac{1}{9}\sin \left(9x\right)+.....),---\left(2\right)$

$A_R\left(x\right)=\frac{4a}{\mathrm{\π}}(\sin \left(x\right)-{\left(\frac{1}{3}\right)}^2\sin \left(3x\right)+{\left(\frac{1}{5}\right)}^2\sin \left(5x\right)-{\left(\frac{1}{7}\right)}^2\sin \left(7x\right)+{\left(\frac{1}{9}\right)}^2\sin \left(9x\right)+.....),---\left(3\right)$

$A_R\left(x\right)=\frac{2a}{\mathrm{\π}}(\sin \left(x\right)-\frac{1}{2}\sin [2x]+\frac{1}{3}\sin \left(3x\right)-\frac{1}{4}\sin \left(4x\right)+\frac{1}{5}\sin \left(5x\right)+.....)---\left(4\right).$

被叠加在第一微结构上的任选的第二微结构优选地通过用能量富集的辐射以图案所作用的坯件的表面来产生，所述图案可以由被转换成STL数据集的周期性函数表示。该周期性函数可以优选地是如上指定的基本的三角函数A_R(x)，用其他变量产生较小的“波长”和“幅度”的微结构。

发明人一方的发明发展是基于以下实现：作为重要的参数，粗糙度的轮廓尺寸算法平均值(profilometrische arithmetische Mittelwert)(Ra值)给出了关于表面形貌的信息。

基于此目的，根据发明人一方的考虑，参考线以使得峰面积和谷面积变得相等的方式被设置在基材表面上。在该情况下，Ra被定义为以μm表示的向上和向下的轮廓高度的绝对偏差的算术平均值。下面的简化方程描述了Ra值：

Ra＝(z₁+z₂+z₃+...z_n)/n[μm] (5)

与轮廓参考线相关的轮廓高度的绝对值(y轴上的正高度或负高度)被命名为z。L是所定义的沿着x轴的测量长度(窗口)。用理想的术语，这样的表面轮廓对应于规则的正弦振荡，且极值±以与参考线(零值线)(参见图2A)的偏差表示的z。除了Ra值外，第二形貌参数还被定义为以μm表示的最大轮廓高度Ry(＝最高的轮廓峰和最深的轮廓谷的总和)。最后，应注意到具有相同Ra值的表面可以具有不同的表面轮廓。

另外的粗糙度参数是无量纲的微观粗糙度因子r_m：

其中A’表示与所计算的几何表面积A相比的所测量的增加的表面积。通常通过激光扫描显微镜(LSM)获得的微观粗糙度因子r给出了有关因增加的粗糙度而导致的表面积尺寸的微观增加的信息。

在细胞结构中，已经发现在细胞的生物材料表面上没有锋利边缘的规则结构是优选的。还已经发现，在具有狭窄颈孔的表面(正如，例如在TPS表面上可能出现的)上形成生物膜，这可以造成植入物松弛。因此，目的是提供一种没有这些孔的表面。

以可以由被转换成STL数据集的周期性函数表示的图案使基材表面结构化赋予基材特性，这些特性可以受到给定参数的变化的影响，参数如，例如粗糙度(Ra值)、周期值、微观粗糙度因子r_M、突起之间的间距或最大轮廓高度Ry。优选根据本发明的基材和用于产生基材的方法，这具有或产生1-250μm，优选1-80μm之间且特别优选2-30μm之间的范围内的粗糙度参数Ra。优选根据本发明的基材和用于产生基材的方法，这具有或产生1-100μm之间，优选10-60μm之间且特别优选2-30μm之间的范围内的周期值n(λ/2)。优选根据本发明的基材和用于产生基材的方法，这具有或产生2-50之间的范围内的微观粗糙度因子r_M。优选根据本发明的基材和用于产生基材的方法，这具有或产生1-100μm范围内以统计学平均值计的突起之间的间距。优选根据本发明的基材和用于产生基材的方法，这具有或产生2-500μm范围内的最大轮廓高度Ry。

发明人研发出了一种构思：通过将粗糙度考虑为正弦曲线来产生具有均匀的且界定的粗糙度的植入物。这显示在图2A中，在图2A中通过正弦曲线描述了表面轮廓。曲线可以被描述为具有波长λ＝32μm和具有幅度(＝3.13λ/2.50μm的Ra值)。所定义的轮廓函数根据方程1适用于参数λ和轮廓高度的变化：

$z=A_R\left(x\right)=\left(\sin \frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}x\right)\mathrm{gP}---\left(7\right)$

其中x是自变量，λ是波长且P是轮廓高度。对于图2A中的所定义的轮廓函数，方程是：

$z=A_R\left(x\right)=\left(\sin \frac{2\mathrm{\π}}{32}x\right)g50---\left(7a\right)$

这样，可以通过基本方程1-4表示所有期望的表面轮廓。

该原理的概述连同相关的基本三角函数显示在图2B-D中，在图2B-D中显示了，除了正弦形轮廓外，还可以产生如矩形轮廓、三角形轮廓和锯齿形轮廓。可以通过根据本发明的方法来产生可以由三角函数或级数描述的所有轮廓。借助数学工具，还可以在CAD系统内以1-80μm范围内的Ra值和2-50范围内的r_m值设计寻求的参数并确定这些参数以便制造。因而，这样的表面结构可以通过选择性电子束熔化(SEBM)、选择性激光熔化或选择性激光辅助制造而被产生到微米范围内。

图3显示了可以由两个正弦形轮廓(坐标：X/Z和YZ)来描述表面上的表面粗糙度。进一步显示了具有实线二次轮廓(solid-quadratic profile)的表面如何可以通过矩形函数来构建。图3A显示了具有波长为λ/2＝32μm的单位小室(unit cell)，即每个32μm(波峰)，存在矩形轮廓，这在X坐标和Y坐标内涉及同样的间距λ/2＝32μm(波谷)。两个正弦函数的幅度(Z轴)是80μm(5λ/4)的相同值，这对应于Ra值。整个表面可以被分成具有192×192μm的尺寸的单位小室(3λ×3λ)。此处，单位小室具有9个轮廓(图3A)。还可以合并多个波长，如在X方向上λ/2＝32且在Y方向上λ/2＝32和可选择地16μm(图3B)。这样，现在矩形轮廓可以被置于同一单位小室内(192×192μm)(图3B)。在矩形轮廓的情形中，表面可以如下计算：

F_轮廓＝2(xy+xz+yz)-(xy) (3)

其中x、y和z是指定的坐标且轮廓所依赖的基本面积(xy)必须被减去。对于图3A和图3B中显示和表2中计算的面积(波峰)，那么应用下面的：

F_轮廓＝2[(λ/2)(λ/2)+(λ/2)(5λ/4)+(λ/2)(5λ/4)]-[(λ/2)(λ/2)] (4)

然而然后，需要计算包括波谷的有效面积。

F_底部面积＝3(λ_Y/2xL_EZ)+9x(λ_x/2)² (5)

(具有相同的间距)，或

F_底部面积＝3(λ_Y/2x L_EZ)+12(λ_x1xλ_x2) (6)

(具有不同的间距)

其中L_EZ表示单位正方形的长度。另外，图3C和3D显示了就计算而言没有被考虑的表面相关的图案和轮廓。

如在表2中的计算，显示了可以这样非常容易地由Ra值和r_m值构建表面。因而，对于表2中的表面A(λ/2＝32μm)(还参见图3A)，得到6.0的r_m值和80μm的Ra值。如果现在Ra值被减到35μm，那么r_m值降至3.2(表面B)。如果波长被减小到λ/2＝8μm且Ra值为80μm，则实际得到了具有r_m值＝22.6的表面(表面E)。如果现在Ra值被减到35μm，得到r_m值＝11.3，这也仍是可考虑的(表面F)。

当采用多个不同的波长时，可以获得显著较高的表面值(表面G和H)(参见图1B，12个轮廓/单位小室)。增大表面尺寸的一种有吸引力的可能的方法将是采用中空的柱体或星形轮廓(参见图3D)。总之，表2清楚地显示了采用三角学方法和μm范围内的参数，可以获得2-80μm范围内的Ra值和r_m＝3.2-22.6μm范围内的r_m值。

因而，采用可利用的技术，如选择性电子束熔化(SEBM)、选择性激光熔化或激光辅助制造(Lasergravur，快速制造)，因而可以以通过从粉末去除或构建的方式产生所有的生物材料实体的表面。在此方面，即使低于10μm的分辨率的微结构也是可以的。本发明显示出这种植入物表面的计算机控制的生产是可行的。

因而，根据本发明的方法的优势是：

·由于表面的均匀性而带来更好的相容性

·大的表面积，通过面积增加20-40倍

·蛋白和药物的表面容量增加20-40倍

·超亲水性的增强

·避免感染

·中空柱体轮廓内的药物储器

·计算机辅助的制造(激光和电子束技术)

根据本发明，可以将所有表面结构描述为三角函数，这因此可以在AutoCAD中直接表示和模拟为3D矢量图。就根据本发明的表面的配置而言，存在许多不同的变量选项，且单位结构的、规则的且高度复杂的表面的产生通过数学方法被预先界定且可以适用于任何部件的任何表面。

图表1中用图解法显示了例如快速原型法和RP装置的从三角函数转换数据

图表1

在另外的步骤中，如骨骼生长因子的肽可以被固定到根据本发明的微结构上，任选地被叠加有第二微结构和/或纳米结构，共价地或通过物理吸附或化学吸附结合，大概基于植入物材料上的亲水性相互作用。在用氨基丙基三乙氧基硅烷(APS)(表1)共价修饰表面之后，也可以进行吸附结合。这使得可以形成趋药性作用的和/或生物活性的植入物表面，且共价结合所谓的近分泌，导致骨细胞的积聚、增殖和分化。以这种方式可以提供所谓的生物活性的植入物，其具有从表面释放的分子，即使在500-1000μm的距离，在成骨细胞上的BMP的情形中，呈现出对细胞的趋药性作用。

优选地，通过在生理缓冲溶液中以一定浓度应用的肽获得了足够加载量的亲水化金属表面，该浓度足以在金属植入物的氧化物表面上获得大于200ng/cm²，优选大于500ng/cm²且更优选大于1000ng/cm²的肽的加载量。

通常，以大于1μg/ml，优选大于200μg/ml缓冲溶液的浓度的肽的生理缓冲溶液获得了该加载量。

根据本发明，肽是对植入物的生物相容性有利的生物分子，在一定程度上，它们抵抗植入物的可能的排斥和/或促进植入物的向内生长。

如上所述，优选地，来自TGF蛋白类的蛋白，尤其是来自骨骼生长因子“骨形成蛋白”类的骨骼生长促进蛋白或血管生长因子类如VEGF或血管趋化素或还有泛激素可以被用作肽。表述“转化生长因子”(TGF)用于具体表示(i)“转化生长因子β”(TGF-β)的组(亚组)和(ii)骨形成蛋白(BMP)的组(亚组)。骨形成蛋白是骨诱导性蛋白，它们在一定程度上刺激骨增大和骨愈合，原因是它们引起前体细胞的增殖和分化以得到成骨细胞。此外，它们促进形成碱性磷酸酶、激素受体、骨特异性物质如1型胶原、骨钙蛋白、骨桥蛋白、骨粘连蛋白、骨唾液蛋白(BSP)以及最终的矿物质化。

对固定目的有益的是，可以使用单独的该类的蛋白，与该类的其他成员组合地或还连同生物分子如其他类的蛋白或低分子量激素或还有抗生素来改善免疫缺陷。在此方面，还可以通过结合物(bond)将那些另外的分子固定在表面上，结合物可以在生理性介质中被分解。

将通过附图来更详细地描述本发明，在附图中：

图1显示了牙科和整形外科中的通常广泛的且成功的粗糙表面的REM图像，且A和B是SLA表面(喷砂过的酸蚀刻的)；Ｃ和D是TPS表面(钛等离子体喷涂法)，且插图1C：TPS表面的转移断裂边缘。箭头指向纯钛的TPS层与钛合金(Ti-6Al-4V)的基底材料之间的融合间隙。

图2以侧视图显示了表面突起(轮廓)的基本形状。在此情形中，轮廓末端的选项是圆的、扁平的和尖的，且λ＝32μm；z＝50μm。

图下方指定了描述轮廓的三角方程。通过这样的傅里叶级数可以描述粗糙度的所有可能的形式。

相关的3D基本形状是：A.双曲线体；B.长方体；C.锥体；D.不对称锥体；

图3以横截面图显示了具有相应的相关的矩形函数的单位小室和一些轮廓(A和B)以及布置图案(C)，且：

A.单位小室192μm x192μm，具有9个轮廓(λx和λy＝64μm,z＝Ra＝80μm)(参见表2，表面A)

B.单位小室192μm x192μm，具有12个轮廓(λx64μm和λy＝32μm,z＝Ra＝80μm)；(参见表2，表面G)

C.轮廓的布置图案

D.具有不同表面积值的轮廓

3D基本形式A-C:长方体；

图4显示了第一微粗糙度(λ＝64μm)与第二微粗糙度(λ＝7.1μm)的组合。宏观粗糙度的表面积因所阐释的第二微粗糙度而增加了2.25倍(1.5×1.5)。

图5显示了用超纯水来确定超疏水性的未改性的TPS表面上的静态(A)和动态(B)接触角；

图6显示了在用化学方法从超疏水性条件“转化”至高疏水性条件之后，确定表面上的动态接触角；

图7显示了在图6的未界定的区域内为依赖于浸没深度的虚数接触角的Wilhelmy函数的图示。

没有改变上述微结构，该微结构化的表面在湿化学过程中被进一步纳米结构化且与氨基丙基三乙氧基硅烷反应以吸附BMP-2。为了计算被BMP-2的单层覆盖率，20am²的BMP-2的足迹(1μg BMP-2～4.6cm²)被用于表面的单分子覆盖率。在给定的条件下，由BMP-2确定的r_m值与LSM确定的r_m值相当一致。表1给出了所获得的吸附值。

表1

数据格式：ξ±S.D.

根据本发明，表面微结构可以使用三角函数被期望地产生。为此目的，粗糙度参数可以用于具有35和80μm的轮廓高度和表2所示的值的矩形轮廓。

表2

图3A和3B显示了表面Ａ和Ｇ。单个小室(IC)的面积是36864μm²。

因而，通过根据本发明的方法，可以提供具有界定的表面结构的基材如植入物，它们在激光技术产生之后直接是高亲水性的。如果表面不是充分高亲水性的，那么它可以通过化学亲水化方法来进一步亲水化。因而，还可以带有植入物的这些表面结构产生特定的润湿特性，这些表面结构根据本发明被确定为高亲水性表面。这样的化学亲水化方法包括湿化学方法，如酸蚀刻以及还有通过共价或非共价键合高度亲水性的分子如聚乙二醇(PEG)、聚(2,3-二羟基丙基甲基丙烯酸酯)(PDHMA)或聚[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基磷酸胆碱](PMPC)而被官能化的结构化表面，其中PDHMA和PMPC具有两性离子结构。共价偶合可以如通过PEG、PDHMA和PMPC的合适的三乙氧基硅烷衍生物来实现。

正如现有技术中已知的，在本申请中，为了表征润湿性，具有0<θ<10°的值的动态接触角的亲水性表面被称为超亲水性的，而根据本发明的具有θ<0i至1.4i的值的呈虚数接触角形式的可确定的接触角的表面被称为高亲水性的。

通常，基于确定接触角来实现表面的亲水性特性的测量。200多年前，由Thomas Young引入接触角θ通过引入杨氏方程而基本上开辟了理解润湿性的方面的道路：

γ_sv＝γ_sl+γ_lvcosθ_o (7)

其中γ_sv、γ_sl和γ_lv表示接触液体(l)、固体(s)以及蒸气/气相(v)的相界线的表面张力，且θ₀为如静置的液滴的平衡接触角。适用于完全平滑的表面的杨氏方程并不容易解析，原因是通常仅可以测量γ_lv和θ₀。

应注意，应用于接触角的杨氏方程适用于处于热动态平衡的理想的、平滑的、不可渗透的表面。相比之下，真正粗糙表面上的接触角被称为“表观”属性，以区分它们与理想表面上的杨氏接触角。

从那开始，大约60年后，Ludwig Wilhelmy(Ann.Phys.,119,177-217)发现了Wilhelmy平衡，其中他将张力测量法与接触角测量联系起来。在通过Wilhelmy平衡进行力测量的情形中，样品被浸没在超纯水中并从超纯水中取出，且测量力。接着，根据已知的Wilhelmy方程，由浸没和取出样品的力来计算接触角：

F＝Pγcosθ–Vgρ[N] (8)

其中F表示所测量的净力且在方程的右手侧的第一项中，P是样品的周长，γ是水的表面张力，且θ是动态接触角(前进角θ_V或后退角θ_R)。在第二项中，V表示排出液体的体积，g表示重力，且ρ表示液体的密度。指定了样品在液体中的浮力的第二项可以通过外推至浸没深度零值来消除并得到Wilhelmy方程的简化形式：

cosθ＝F/(P×γ) (9)

如果P等于1cm的单位(如，10×5×1mm的板)，得到了常数l/(P·γ)＝K_θ＝1.39·10³N^-1，且因而得到方程：

cosθ＝K_θ·F (9a)

如果根据方程9而没有外推至零值来计算接触角，这些接触角被称为“虚拟”接触角。下文在图7显示了虚拟接触角的使用。

根据实际的考虑，用于完全平滑表面的方程9的有效性受到两个禁止的接触角的限制：(i)θ≯119°和(ii)θ≮0°。对于第一种情形，在疏水侧，从现有技术已知由于物理原因，接触角不能超过值θ＝110℃。在第二种情形(θ≮0°)中，在亲水侧，接触角因为不能定义cosθ＞1的数学原因而不能小于0。发明人一方现在发现，如果接触角被扩展到虚数数值范围ai，那么根据经典数学理解，第二种情形的障碍可以得到克服，且因而可以评估植入物的表面特性。

对于测量操作来说，发明人使用了包括涂覆有纯钛的钛合金(Ti-6Al-4V)的金属板(所谓的钛等离子体喷涂法的TPS)，具有Ra＝30μm的粗糙度和r_m＝20的微观粗糙度。采用Wilhelmy法，用超纯水测定动态接触角θ_V(前进角)和θ_R(后退角)(张力计DCAT11,Dataphysics,Filderstadt,Germany)。浸没和取出速度是1mm/min(17μm/s)，使得所测量的接触角独立于浸没深度。用图表评估表观静态接触角θ_S’(静置液滴法；3-5μl超纯水)。然后，发明人由所测得的力值计算出虚数接触角。

所确定的“极端亲水性(θ＞0i)(“高亲水性”)-在湿化学处理(酸蚀刻)之后，此处不存在微粗糙表面上的滞后”-被发明人在此处称为术语“反莲花效应”。该术语还被用于描述通过从呈现出“莲花效应”的表面进行所谓的“化学转化”而出现的高亲水性表面。因而，通过用铬-硫酸处理，高疏水性表面(图5)被“转化”成高亲水性表面，其中高亲水性表面根据先前的分析方法具有水的最大散布和θ_V/θ_R＝0°/0°的动态接触角(图6)。当正己烷和矿物油散布在那些表面上时 它们也被称为超两性的。如果表面未被保藏，则自发地在空气中缓慢地发生从高亲水性条件至疏水性条件的术语“反向转变”。

本发明还涉及产生纳米结构的处理包括湿化学处理微结构化表面的步骤的方法，其中疏水性或弱亲水性的表面被转化成超亲水性或高亲水性表面，其中两个动态接触角(θ_V和θ_R)中的至少一个在范围至2.15内，且优选地在高亲水性范围至1.0619内。

发明人一方关于在“化学转化”后在一个且相同的表面上连续发生两种不同的莲花效应的观察表明这两种效应之间存在关联，然后这仍是不清楚的。在疏水性的情形中，清楚地看到了粗糙度对动态接触角的影响(θ_V'/θ_R'＝98.8°/36.7°)，动态接触角因均匀的润湿而增加至(静态法)。然而，在亲水性侧，关于零接触角的表面粗糙度，缺乏类似的效应。发明人进行的测量显示出在cosθ＞1范围内的所有接触角被输出为零值的接触角。根据本发明的图6的原始数据的评估现在显示出图6中17％的测量点给出了未定义的cosθ＞1的接触角。图6中的轮廓以分界线阐释了观察结果，分界线将定义的区域与未定义的区域分开。发明人现在发现了一种将Wilhelmy测量数据从未定义的条件引入到定义的条件中的方式。

表3

(i)表3显示了以弧度和度表示的经典的和新颖的虚数接触角其根据(K_θ·F)值来计算。关于此方面，虚数和实数接触角级数的作用就像相对于零值的镜像。“反莲花效应”从实数内的0.18弧度(～10°)扩展至虚数范围内的1.4i弧度(～80°)，优选从0.18弧度至0.35弧度(～20°)。在此方面，其中一个动态接触角(如θ_A)可以是经典的，而第二(如θ_ai,R)可以是虚数的，这被称为复合接触角对。另一方面，两个动态接触角(θ_ai,V/θ_ai,R)也可以是虚数的(纯虚数接触角对)。弧度值与180/π的乘积得到以度表示的接触角：57.3×0.4i[弧度]＝22.9i°。对于K_θ·F＞1.0，分别存在＞0.0i弧度和＞0.0i度的虚数接触角。这被定义为虚数接触角的下限。

这些发现结果将Wilhelmy方程扩展至虚数范围内：

$\cos {\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{ai}}^a=F/(P\&times;\mathrm{\&gamma;})---\left(10\right)$

一般表述表示针对边界条件(K_θ·F)＜1时的在实数范围(上标a)内的所有接触角和针对边界条件(K_θ·F)＞1时的在虚数范围(下标ai)内的所有接触角(参见表3)。

现在，通过方程10，可以指定针对所有力测量在(K_θ·F)＝1.0至+2.15范围内的定义的接触角，从cos(180°)的实数体系至cos(80i°)的虚数体系(参见表3)。根据发明人的假设，可设想在粗糙表面上高达180i°的较大的虚数接触角。

图7显示了使用虚数接触角来确定高度可润湿的TPS表面。图6中0.102g的分界线之上的原始数据中的45个代表性的值被选择且它们的力值(K_θ·F；在1.00至1.07的范围内)被转化成虚拟的虚数接触角(θai)且作为浸没深度的函数被绘图。曲线的线性部分外推至浸没深度的零值位置得到了表观虚数前进角和后退角(θ_ai,V/θ_ai,R)＝0.36i°/0.37i°)。以这种方式确定的虚数接触角是四个润湿参数内聚、粘附、散布以及浸没的复合函数。它们包含关于那些润湿参数的信息项，包括吸水性，且因此是所阐释的粗糙表面的润湿特征。

因而，基于发明人的实现，可以确定这样的亲水性表面的特性(之前这样的确定在高亲水性表面的情形中是不可行的)，且能够评估它们随后包括涂覆操作的处理的适宜性。

因而，本发明还涉及一种用于确定基材的表面的润湿特性的方法，该方法包括下述步骤：

a.实施wilhelmy/力测量以便确定(K_θ·F)；

b.基于步骤a)的结果来计算表观接触角θ_V和θ_R，其中所述计算

i.在其中(K_θ·F)≤1的情况下被实现，根据arccos(K_θ·F)＝实数接触角；以及

ii.在其中(K_θ·F)＞1的情况下被实现，根据arccos(K_θ·F)＝虚数接触角；以及

c.基于步骤b)所计算的接触角θ_V和θ_R来确定所述基材的润湿特性。

因而，根据本发明的方法使得可以明确区分高亲水性表面与亲水性表面且选出这样的材料。因而，可以通过从疏水性到亲水性和高亲水性至超亲水性以及与此相关的接触角来分类润湿特性。

本发明还涉及用于实施上述方法的装置，该装置包括测量单元、评估单元以及输出单元，其中所述测量单元适于wilhelmy/力测量的力测量，所述评估单元适于通过算法将由所述测量单元获得的测量值转化成虚数前进角(θ_V)和后退角(θ_R)，且所述输出单元适于进一步处理由所述评估单元获得的所述接触角。在此方面，进一步处理可以包括以度或弧度显示接触角。

因而，基于发明人的实现，可以确定这样的亲水性表面的特性(之前这样的确定操作在高亲水性表面的情形中是不可行的)，且能够评估它们随后包括涂覆操作的处理的适宜性。

Claims (17)

1.一种基材，其具有带突起和凹陷的微结构化的高亲水性表面，其中所述突起之间的间距以统计学平均值计在1至100μm的范围内，且所述突起和凹陷的轮廓高度以统计学平均值(Ra值)计在1到80μm的范围内，其中两个动态接触角(θ_V和θ_R)中的至少一个在高亲水性范围内，且至2.15(θ_ai＞0.0i°-80i°)，且尤其是至1.0619(θ_ai＞0.0i°-20i°)。

2.根据权利要求1所述的基材，其中具有第一突起和凹陷的所述第一微结构被叠加具有第二突起和凹陷的第二微结构，其中所述第二突起之间的间距以统计学平均值计在0.1至10μm的范围内，且所述第二突起和凹陷的高度以统计学平均值(Ra值)计在0.1到10μm的范围内。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的基材，其中所述高亲水性表面被不规则地微结构化或至少在部分区域内被规则地微结构化。

4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的基材，其中所述微结构化的高亲水性表面被叠加有纳米结构，所述纳米结构优选通过由酸蚀刻进行的湿化学程序来产生。

5.根据权利要求1到4中的一项所述的基材，其中所述基材是植入物。

6.一种用于产生基材的方法，所述基材具有带突起和凹陷的规则地微结构化的表面，其中所述突起之间的间距以统计学平均值计在1至100μm的范围内，且所述突起和凹陷的轮廓高度以统计学平均值(Ra值)计在1到80μm的范围内，所述方法包括下述步骤：

a)在坯件上提供可烧结材料粉末的粉末或粉末混合物；

b)将所述金属粉末的层应用于所述坯件的表面；以及

c)用能量富集的辐射以图案作用于所述材料粉末的层上，使得所述坯件的表面的至少部分区域上的材料粉末被烧结，且形成具有所述图案的至少部分区域，所述图案能够由被转换成STL数据集的周期性函数表示。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述坯件由固体材料产生或通过烧结方法由可烧结材料粉末逐层产生。

8.根据权利要求5到7中的一项所述的方法，其中在c)中获得的具有规则地微结构化的表面的所述坯件经受用于使用被转换成STL数据集的周期性函数产生第二规则的微结构的处理，和/或经受用于产生纳米结构的湿化学处理。

9.一种用于产生基材的方法，所述基材具有规则地微结构化的表面，所述方法具有下述步骤：

a)提供坯件；

b)用能量富集的辐射至少部分地以图案作用于所述坯件，使得所述坯件在所述表面的至少部分区域上被烧蚀，且形成具有所述图案的至少部分区域，所述图案能够由被转换成STL数据集的周期性函数表示。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在b)中获得的具有规则地微结构化的表面的所述坯件经受用于使用被转换成STL数据集的周期性函数产生第二规则的微结构的处理，和/或经受用于产生纳米结构的湿化学处理。

11.根据权利要求8和10中的一项所述的方法，其中用于产生纳米结构的所述处理包括湿化学处理所述微结构化的表面的步骤，其中疏水性或弱亲水性的表面被转化成超亲水性或高亲水性的表面，其中两个动态接触角(θ_V和θ_R)中的至少一个在高亲水性范围内，且至2.15(θ_ai＞0.0i°-80i°)，且尤其是至1.0619(θ_ai＞0.0i°-20i°)。

12.根据权利要求11所述的方法，所述方法包括额外的步骤：所获得的所述表面通过非挥发性物质如盐的溶液、不会与所述表面相互作用的有机溶剂或含盐的干燥层而被保护、稳定化并变得能够长期储存，以便就因老化或稳定化方法(如γ灭菌)而导致的损失高亲水性的润湿减少而言来保护所述基材的所述表面。

13.根据权利要求6到12中的一项所述的方法，其中所述被转换成STL数据集的周期性函数是选自由以下组成的组的三角函数A_R(x)以及其导函数：

A_R(x)＝(sin(x)，

$A_R\left(x\right)=\frac{4a}{\mathrm{\&pi;}}(\sin \left(x\right)+\frac{1}{3}\sin [3x]+\frac{1}{5}\sin \left(5x\right)+\frac{1}{7}\sin \left(7x\right)+\frac{1}{9}\sin \left(9x\right)+.....),$

$A_R\left(x\right)=\frac{4a}{\mathrm{\&pi;}}(\sin \left(x\right)-{\left(\frac{1}{3}\right)}^2\sin \left(3x\right)+{\left(\frac{1}{5}\right)}^2\sin \left(5x\right)-{\left(\frac{1}{7}\right)}^2\sin \left(7x\right)+{\left(\frac{1}{9}\right)}^2\sin \left(9x\right)+.....),$

$A_R\left(x\right)=\frac{2a}{\mathrm{\&pi;}}(\sin \left(x\right)-\frac{1}{2}\sin [2x]+\frac{1}{3}\sin \left(3x\right)-\frac{1}{4}\sin \left(4x\right)+\frac{1}{5}\sin \left(5x\right)+.....).$

14.根据权利要求6到13中的一项所述的方法，其中粗糙度参数Ra在1到80μm的范围内，优选在5到60μm之间且尤其优选在10到60μm之间。

15.根据权利要求6到13中的一项所述的方法，其中周期值n(λ/2)在1到100μm的范围内，优选在10到60μm之间，且微观粗糙度因子r_M在2到50之间的范围内。

16.一种用于确定基材的表面的润湿特性的方法，所述基材尤其是根据权利要求1到15中的一项所述的基材，所述方法包括下述步骤：

a.实施wilhelmy/力测量以便确定(K_θ·F)；

b.基于步骤a)的结果来计算表观接触角θ_V和θ_R，其中所述计算

i.在其中(K_θ·F)≤1的情况下被实现，根据arccos(K_θ·F)＝实数接触角；以及

ii在其中(K_θ·F)＞1的情况下被实现，根据arccos(K_θ·F)＝虚数接触角；以及

c.基于步骤b)所计算的接触角θ_V和θ_R来确定所述基材的润湿特性。

17.一种用于实施根据权利要求16所述的方法的装置，所述装置包括测量单元、评估单元以及输出单元，其中所述测量单元适于wilhelmy/力测量的力测量，所述评估单元适于通过算法将由所述测量单元获得的测量值转化成虚数前进角(θ_V)和后退角(θ_R)，且所述输出单元适于进一步处理由所述评估单元获得的所述接触角。