CN105665940B - 一种生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法 - Google Patents

一种生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，包括：根据浸润性Wenzel模型和Cassie模型对生物陶瓷结构特征值进行理论计算，确定获得生物陶瓷亲水性或疏水性表面的基本特征；依据生物陶瓷亲水性或疏水性表面的基本特征设计生物陶瓷的微结构模型；选择重频小于1MHz，脉宽在10‑15ps的短波长皮秒激光作为激光源；利用激光源对弧形槽微结构和柱状微结构的表面特征进行激光调控制造。本发明可实现生物陶瓷材料表面浸润性的双向由超亲水性10°到疏水表面125°的自由调控，同时具有高精确的制备可控性，可实现一种材料在不同区域的具有不同浸润效果；此外，该技术方法易操作，制造成本低，适用材料范围广，无需其他辅助材料。

Description

一种生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法
技术领域
本发明涉及生物医学领域，尤其涉及一种生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法。
背景技术
生物陶瓷具有较好的硬度和弯曲强度以及优良的生物学性能，在口腔医学，移植假体等领域的应用倍受青睐。牙科临床应用中发现氧化锆陶瓷因表面不含氧化硅及其稳定的化学性质，使其与饰面材料不能有效结合，加之粘结面的水解作用造成氧化锆与树脂的粘结成为粘结体系中最薄弱的一环。在口腔这个潮湿复杂的生物环境中，如果氧化锆陶瓷表面对水是非亲和的，即具有疏水特性，则有利于对抗粘结界面的水解作用。此外，表面疏水性的提高也非常有利于排斥受感染的体液以及口腔细菌的粘附。而另一方面，生物陶瓷材料在实际临床应用前需对材料的生物相容性进行检测，其中细胞粘附性是考察材料生物相容性的内容之一。生物材料表面亲水性越强，对细胞的粘附性亦越强，细胞的附着生长和分化也越容易。因此，从生物陶瓷的应用角度而言，针对不同应用需求有目的地调控其表面的浸润性，实现亲水性与疏水性之间的自由双向可转换性具有非常重要的医学及生物学实用价值。
目前调控固体表面浸润性的方法主要分为两类，一类是通过改变材料表面的化学特性，如增加功能涂层来改善其浸润性；另一类则是通过喷砂、酸蚀等方法，改变材料表面微观形貌来改变其浸润性。增加涂层的方法时效性不长，而酸蚀适用于含硅酸盐类的陶瓷，喷砂方法则易导致陶瓷表面出现微裂隙。
发明内容
针对上述问题中存在的不足之处，本发明公开了一种生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法。
为实现上述目的，本发明提供一种生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，包括：
步骤一、根据浸润性Wenzel模型和Cassie模型对生物陶瓷结构特征值进行理论计算，确定获得生物陶瓷亲水性或疏水性表面的基本特征；
步骤二、依据生物陶瓷亲水性或疏水性表面的基本特征设计生物陶瓷的微结构模型；所述微结构模型包括弧形槽微结构和柱状微结构，设计弧形槽微结构为陶瓷亲水性表面特征，设计柱状微结构为陶瓷疏水性表面特征；
步骤三、选择重频小于1MHz，脉宽在10-15ps的短波长皮秒激光作为激光源；
步骤四、利用激光源对弧形槽微结构和柱状微结构的表面特征进行激光调控制造。
作为本发明的进一步改进，所述步骤一中，生物陶瓷亲水性或疏水性表面的基本特征包括：在单元结构深度不大于20μm的前期下，实际固-液接触面积与表观固-液接触面积之比越大，其材料的亲水性越强；当实际固体接触面积与空气和固体的混合接触面积之比越小时，材料的疏水性则越强，且疏水性不受单元结构深度限制。
作为本发明的进一步改进，所述步骤二中，弧形槽微结构的表面特征包括弧形槽深度、相邻弧形槽的间隔和弧形槽的槽宽，所述弧形槽深度H1≤20μm，相邻弧形槽的间隔b1≥22μm，弧形槽的槽宽a1≥18μm。
作为本发明的进一步改进，所述步骤二中，柱状微结构由多个截面为正方形的立柱组成，柱状微结构的表面特征包括相邻立柱的间隔和立柱的正方形截面的边长，所述相邻立柱的间隔b2≥22μm，立柱的正方形截面的边长a2＞15μm。
作为本发明的进一步改进，所述步骤三中，激光源的波长为300-400nm。
作为本发明的进一步改进，所述步骤四包括：利用激光源并采用离焦扩大光斑直径的方法对弧形槽微结构和柱状微结构进行扫描，获得步骤二中设计的弧形槽微结构和柱状微结构的表面特征。
作为本发明的进一步改进，所述激光源的激光功率范围为2-9W，扫描速度为150～250mm/s。
作为本发明的进一步改进，所述弧形槽微结构上获得亲水性的特征扫描次数小于3次。
作为本发明的进一步改进，依据步骤一～步骤四调控制造的生物陶瓷，其表面的接触角可由超亲水性10°至疏水表面125°之间的自由转换。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明公开的一种生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，依据所述调控方法可实现生物陶瓷材料表面浸润性的双向自由调控，材料表面接触角可实现由超亲水性10°到疏水性125°之间的自由转换；
本发明具有高精确的制备可控性，针对所需的特定浸润性表面，可通过结构模型设计及激光工艺的调整精确实现材料表面接触角的可控；亦可实现一种材料在不同区域的具有不同浸润效果；
本发明对生物陶瓷材料表面浸润性的调控可不受面积限制，易于实现大面积材料表面浸润性的实现，该方法易操作，制造成本低，无需其他辅助材料；对生物陶瓷材料表面浸润性的调控不会破坏材料的基本物相性质，安全可靠，适用材料范围广。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的生物陶瓷表面浸润性双向自由调控方法的流程图；
图2为本发明一种实施例公开的ZrO2生物陶瓷材料的本征接触角测量结果图；
图3为本发明一种实施例公开的ZrO2生物陶瓷材料的超亲水性接触角测量结果图；
图4为本发明一种实施例公开的ZrO2生物陶瓷材料的疏水性接触角测量结果图；
图5为本发明一种实施例公开的ZrO2生物陶瓷微结构内部和材料本征拉曼对比图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明公开了一种生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，该方法是以材料本征接触角及浸润性模型为理论基础，利用超短波长皮秒激光高精密加工的特点，进行陶瓷表面微结构的可控制备；通过改变微结构的结构特征值实现生物陶瓷表面浸润性双向自由可控转换，增加生物陶瓷材料在生物医学领域的应用。该方法包括：
S101、根据浸润性Wenzel模型和Cassie模型对生物陶瓷结构特征值进行理论计算，确定获得生物陶瓷亲水性或疏水性表面的基本特征；其基本特征为生物陶瓷表面亲水性和疏水性的变化趋势和决定因素，具体包括：在单元结构深度不大于20μm的前期下(当单元结构深度大于20μm时，其材料为全部亲水，不能实现亲水性到疏水性之间的转变)，实际固-液接触面积与表观固-液接触面积之比越大，其材料的亲水性越强；当实际固体接触面积与空气和固体所有的混合接触面积之比越小时，材料的疏水性则越强，且疏水性不受单元结构深度限制。
S102、根据理论计算获得生物陶瓷亲水性或疏水性表面的基本特征设计生物陶瓷的微结构模型。微结构模型包括弧形槽微结构和柱状微结构，设计弧形槽微结构为陶瓷亲水性表面特征，并通过弧行槽曲率的变化改变单位面积内固-液接触面积，获得亲水性的调控目的；弧形槽微结构的表面特征包括弧形槽曲率、弧形槽深度、相邻弧形槽的间隔和弧形槽的槽宽，弧形槽曲率为平板至半圆形之间，弧形槽深度H1≤20μm，相邻弧形槽的间隔b1≥22μm，弧形槽的槽宽a1≥18μm。设计柱状微结构为陶瓷疏水性表面特征；柱状微结构由多个截面为正方形的立柱组成，柱状微结构的表面特征包括相邻立柱的间隔和立柱的正方形截面的边长，相邻立柱的间隔b2≥22μm，立柱的正方形截面的边长a2＞15μm。通过改变柱状结构的间隔b2和边长a2的特征值，获得疏水性的调控目的。
S103、根据该方法对微结构尺寸和表面精度的精细要求以及制造效率的要求，确定重频小于1MHz，脉宽在10-15ps的短波长皮秒激光作为激光源，激光源的波长范围选定在300-400nm；，激光器的的选择必须为超短高频脉冲激光，以保证微结构的尺寸精度，该技术方法适用材料范围广，安全可靠。
S104、根据所设计的不同微结构结构特征利用激光源对弧形槽微结构和柱状微结构的表面特征进行激光调控制造。激光功率范围为2-9W，扫描速度150-250mm/s，其中获得亲水性的特征扫描次数小于3次。扫描中采用离焦扩大光斑直径的方法代替常用多道重叠扫描方法增加所制微结构之间的间隔距离。
依据S101～S104调控制造的生物陶瓷，其表面的接触角可由超亲水性10°至疏水表面125°之间的自由转换。
本发明公开的生物陶瓷表面浸润性双向自由转换的激光调控制造方法是利用短波长皮秒激光在生物陶瓷表面刻蚀符合浸润性模型(Wenzel或Cassie模型)的精细微结构，通过改变微结构的结构特征值实现浸润性的高度可控性。该技术对微结构的尺寸精度要求较高。皮秒激光具有≤10-11s的超短脉冲，因此，能在光束注入热量扩散之前将材料以“电子态”离化形式去除，适当调整皮秒激光的工艺参数能够避免产生多余的热量，形成材料的“冷”去除。皮秒激光在较低脉冲能量的情况下，可达到非常高的峰值功率，可以实现包括硬脆性难加工材料在内的精细加工效果，达到对微结构尺寸及形貌的精确控制。此外，该技术方法在效率，时效上具有优势，且不会造成污染。
本发明具有高精确的制备可控性，针对所需的特定浸润性表面，可通过结构模型设计及激光工艺的调整精确实现材料表面接触角的可控(实现由超亲水性10°到疏水性125°之间的自由转换)；亦可实现一种材料在不同区域的具有不同浸润效果；
本发明对生物陶瓷材料表面浸润性的调控可不受面积限制，易于实现大面积材料表面浸润性的实现，该方法易操作，制造成本低，无需其他辅助材料；对生物陶瓷材料表面浸润性的调控不会破坏材料的基本物相性质，安全可靠，适用材料范围广。
下面结合附图2-5对本发明做进一步的详细描述：
所用材料为牙科领域临床常用的含有3mol％Y2O3掺杂的ZrO2陶瓷(Y-TZP陶瓷，抛光)。
实施例1：
(1)、测量材料的本征接触角：将ZrO2陶瓷丙酮超声清洗1分钟，之后超纯水超声清洗4次，每次1分钟，利用OCA20型视频光学接触角测量仪测量材料的本征接触角CA为70°，如图2所示。
(2)、根据模拟计算获得生物陶瓷超亲水性的基本表面特征设计微结构模型，
弧形槽微结构可为陶瓷亲水性表面特征，并通过弧行槽曲率的变化改变其单位面积内固-液接触面积，达到对其亲水接触角调控的目的。弧形槽微结构的表面特征设计为H1＜20μm，槽宽a1＝20μm，间隔b1＝25μm。
(3)、选用波长355nm，脉宽10ps的高频皮秒激光器，频率设定为200KHz，对生物陶瓷材料Y-TZP进行加工。通过工艺参数优化，设置扫描速度150mm/s，扫描次数1，功率2W，采用单道聚焦激光扫描加工方式，完成半圆形弧形槽的加工。
将加工后的ZrO2陶瓷丙酮超声清洗1分钟，之后超纯水超声清洗4次，每次1分钟，利用OCA20型视频光学接触角测量仪测量材料的本征接触角CA为12°，如图3所示；得到样品1#。
实施例2：
(1)测量材料的本征接触角：将ZrO2陶瓷丙酮超声清洗1分钟，之后超纯水超声清洗4次，每次1分钟，利用OCA20型视频光学接触角测量仪测量材料的本征接触角CA为70°，如图2所示。
(2)根据模拟计算获得的生物陶瓷疏水性的基本表面特征设计微结构模型。设计柱状微结构为陶瓷疏水性表面特征，通过改变柱状结构的间隔和边长特征值，达到对生物陶瓷表面疏水性调控的目的。柱状微结构的表面特征设计为间隔b2＝25μm，边长a2＝20μm，H2＝40μm。
(3)选用波长355nm，脉宽10ps的高频皮秒激光器，频率设定为200KHz，对生物陶瓷材料Y-TZP进行加工。通过工艺参数优化，设置扫描速度150mm/s，扫描次数10次，功率2W，采用单道聚焦激光扫描加工方式，完成柱状阵列结构的加工。
(4)将加工后的ZrO2陶瓷丙酮超声清洗1分钟，之后超纯水超声清洗4次，每次1分钟，利用OCA20型视频光学接触角测量仪测量材料的本征接触角CA为125°，如图4所示，对样品进行拉曼检测，结果显示拉曼峰位无偏移，材料物相未发生变化，如图5所示；得到样品2#。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，包括：
步骤一、根据浸润性Wenzel模型和Cassie模型对生物陶瓷结构特征值进行理论计算，确定获得生物陶瓷亲水性或疏水性表面的基本特征；生物陶瓷亲水性或疏水性表面的基本特征包括：在单元结构深度不大于20μm的前期下，实际固-液接触面积与表观固-液接触面积之比越大，其材料的亲水性越强；当实际固体接触面积与空气和固体的混合接触面积之比越小时，材料的疏水性则越强，且疏水性不受单元结构深度限制；
步骤二、依据生物陶瓷亲水性或疏水性表面的基本特征设计生物陶瓷的微结构模型；所述微结构模型包括弧形槽微结构和柱状微结构，设计弧形槽微结构为陶瓷亲水性表面特征，设计柱状微结构为陶瓷疏水性表面特征；弧形槽微结构的表面特征包括弧形槽曲率、弧形槽深度、相邻弧形槽的间隔和弧形槽的槽宽，所述弧形槽曲率为平板至半圆形之间，所述弧形槽深度H1≤20μm，相邻弧形槽的间隔b1≥22μm，弧形槽的槽宽a1≥18μm；
步骤三、选择重频小于1MHz，脉宽在10-15ps的短波长皮秒激光作为激光源；
步骤四、利用激光源对弧形槽微结构和柱状微结构的表面特征进行激光调控制造。
2.如权利要求1所述的生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，所述步骤二中，柱状微结构由多个截面为正方形的立柱组成，柱状微结构的表面特征包括相邻立柱的间隔和立柱的正方形截面的边长，所述相邻立柱的间隔b2≥22μm，立柱的正方形截面的边长a2＞15μm。
3.如权利要求1所述的生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，所述步骤三中，激光源的波长为300-400nm。
4.如权利要求1所述的生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，所述步骤四包括：利用激光源并采用离焦扩大光斑直径的方法对弧形槽微结构和柱状微结构进行扫描，获得步骤二中设计的弧形槽微结构和柱状微结构的表面特征。
5.如权利要求4所述的生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，所述激光源的激光功率范围为2-9W，扫描速度为150～250mm/s。
6.如权利要求4所述的生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，所述弧形槽微结构上获得亲水性的特征扫描次数小于3次。
7.如权利要求1所述的生物陶瓷表面浸润性双向自由调控的方法，其特征在于，依据步骤一～步骤四调控制造的生物陶瓷，其表面的接触角可由超亲水性10°至疏水表面125°之间的自由转换。
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