CN111360392A - 一种陶瓷植入物表面飞秒激光加工方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种陶瓷植入物表面飞秒激光加工方法，可解决传统在植入物表面制备多孔涂层来提高骨矿化性能，工艺耗时长且涂层容易产生不均匀和易脱落的技术问题；通过对陶瓷植入物在含金属离子的水溶液下的一步飞秒激光刻槽加工，一方面得到含有微纳结构的沟槽，另一方面促进金属离子在沟槽表面吸附，有望显著提高植入物的骨矿化能力。具体步骤包括：(1)利用酒精对陶瓷植入进行清洗处理，清洗后自然风干；(2)准备含有一定浓度的金属离子水溶液；(3)将陶瓷样品完全浸入一定深度的水溶液中；(4)利用飞秒激光加工系统在陶瓷表面进行加工含有微纳结构的沟槽；(5)取出陶瓷样品，用酒精冲洗后吹干。本发明可以代替传统表面涂层方法，提高陶瓷植入物的骨矿化能力。

Description

一种陶瓷植入物表面飞秒激光加工方法
技术领域
本发明涉及陶瓷植入物加工技术领域，具体涉及一种陶瓷植入物表面飞秒激光加工方法。
背景技术
随着医疗技术的发展，人体植入物的市场也随之快速增加。以二氧化锆为代表陶瓷植入物强度高、化学惰性强，在牙科等医疗植入物领域的应用得到广泛关注。但是，二氧化锆等陶瓷植入物的骨矿化能力较差，植入人体后植入物附近难以形成新骨组织，易导致植入物与原始人体骨组织接触不稳定，患者恢复的时间也会因此延长。
提高陶瓷植入物的骨矿化能力主要有在其表面制备多孔结构以及通过在表面引入金属离子来加快与人骨的离子交换两种物理和化学方法。其中，大表面积的表面多孔结构可以促进骨组织的分化、黏附和生长，而在植入物表面预先吸附的金属离子在植入人体后可以通过与周围体液的离子交换作用促进骨矿化能力。
但是传统在植入物表面制备多孔涂层来提高骨矿化性能，工艺耗时长且涂层容易产生不均匀和易脱落等问题。
发明内容
本发明提出的一种陶瓷植入物表面飞秒激光加工方法，可解决传统在植入物表面制备多孔涂层来提高骨矿化性能，工艺耗时长且涂层容易产生不均匀和易脱落的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种陶瓷植入物表面飞秒激光加工方法，包括以下步骤：
步骤一、利用酒精对陶瓷植入进行清洗处理，清洗后自然风干；
步骤二、准备含有一定浓度的金属离子水溶液；
步骤三、将陶瓷样品完全浸入一定深度的水溶液中；
步骤四、利用飞秒激光加工系统对陶瓷表面进行加工含有微纳结构的沟槽；
步骤五、取出陶瓷样品，用酒精冲洗后吹干。
进一步的，步骤二中所述的金属离子水溶液包括MgCl2、ZnCl2、Mg3(PO4)2、Sr(NO3)2等溶液，浓度为0.1~1mol/L；
进一步的，步骤三中陶瓷样品表面距离水液面的高度在1~5mm；
进一步的，步骤四中飞秒激光加工的参数为加工参数为：波长1064nm，功率1~50W，扫描速度50~2000mm/s，扫描次数10~200次，重复频率0.1K-1MHz, 脉冲宽度100-15000fs。
由上述技术方案可知，本发明提出对陶瓷植入物表面在含金属离子的水溶液下进行飞秒激光刻槽加工。一方面利用飞秒激光的精密去除加工得到表面含有微纳结构的沟槽，另一方面利用激光加工时的热力效应导致水蒸发，促进金属离子沉积在微/纳米结构中。通过一步飞秒激光加工得到拥有大量金属离子吸附的植入物表面微纳结构，有助于提高陶瓷植入物的骨矿化能力，增加其植入人体后的愈合能力。
具体的说，本发明主要针对陶瓷人体植入物的骨矿化能力低，植入人体后愈合时间长等问题。采用含金属离子的水溶液下一步飞秒激光加工，在陶瓷表面加工出含有微纳结构沟槽的同时吸附大量的金属离子。通过大表面积的微纳结构以及吸附离子与体液间的交换作用显著增强陶瓷植入物生物性能，在提高植入物与人体的组织的结合力方面具有广泛应用前景。
相对现有技术，本发明的有益效果如下：
(1) 基于飞秒激光的低损伤精密加工，在陶瓷植入物表面一步加工得到含有表面微纳结构的沟槽；
(2) 沟槽表面的微纳结构不仅可以增加植入的表面积，而且可以在激光加工过程中吸附大量金属离子，有利于提高植入后的愈合能力；
(3) 仅使用水溶液，不使用其他化学物质,，加工过程环保无污染，且，解决了传统只有在陶瓷表面制备涂层才能实现离子吸附的限制。
附图说明
图1是本发明的方法步骤示意图；
图2是陶瓷植入物表面微结构和吸附离子飞秒激光一步制备工艺示意图；
图3是飞秒激光加工得到的沟槽结构和离子吸附情况。
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一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本实施例所述的陶瓷植入物表面飞秒激光加工方法，包括以下以下步骤：
步骤一、利用酒精对陶瓷植入物进行清洗处理，清洗后自然风干；
步骤二、准备设定浓度的金属离子水溶液；
步骤三、将清洗后的陶瓷植入物完全浸入设定深度的金属离子水溶液中；
步骤四、利用飞秒激光加工系统对金属离子水溶液中的陶瓷植入物样品表面进行微纳结构沟槽加工；
步骤五、取出对陶瓷植入物样品，用酒精冲洗后吹干。
其中，所述步骤二中的金属离子水溶液包括以下任意一种或者多种：MgCl2、ZnCl2、Mg3(PO4)2、Sr(NO3)2溶液，浓度为0.1~1mol/L，此范围内加工后表面离子吸附充足，不会出现过饱和现象。
所述步骤三中的陶瓷植入物表面距离水液面的高度在1~5mm，保证飞秒激光加工效率的同时，促进金属离子在微纳结构表面吸附。
为了确保一步飞秒激光加工在陶瓷表面同时得到沟槽以及沟槽表面微纳结构，所述步骤四中飞秒激光加工的参数为：
波长1064nm，功率5~10W，扫描速度100~400mm/s，扫描次数10~100次，重复频率10K-1MHz, 脉冲宽度209-15000fs。
结合图2和图3，以下具体举例说明：
实施例1：
具体包括以下步骤：
步骤一，利用酒精将直径为17mm、厚度为1mm的圆形ZrO2样品清洗干净后自然风干；
步骤二，室温下用蒸馏水制备1.0mol/L ZnCl2溶液；
步骤三，在放入直径18cm的培养皿中加入20ml的水溶液，并将ZrO2样品植入溶液；
步骤四，激发激光器，进行飞秒激光加工，加工参数为：波长1064nm，功率10 W，扫描速度200mm /s，扫描次数为80次。
实施例2：
具体包括以下步骤：
步骤一，利用酒精将直径为17mm、厚度为1mm的圆形ZrO2样品清洗干净后自然风干；
步骤二，室温下用蒸馏水制备1.0mol/L MgCl2溶液；
步骤三，在放入直径18cm的培养皿中加入20ml的水溶液，并将ZrO2样品植入溶液；
步骤四，激发激光器，进行飞秒激光加工，加工参数为:波长1064nm，功率10W，扫描速度500mm/s，扫描次数为200次。
实施例3：
具体包括以下步骤：
步骤一，利用酒精将直径为17mm、厚度为1mm的圆形ZrO2样品清洗干净后自然风干；
步骤二，室温下用蒸馏水制备1.0mol/L Mg3(PO4)2溶液；
步骤三，在放入直径18cm的培养皿中加入20ml的水溶液，并将ZrO2样品植入溶液；
步骤四，激发激光器，进行飞秒激光加工，加工参数为：波长1064nm，功率10W，扫描速度500mm/s，扫描次数为200次。
上述三个实施例都利用盐溶液下的超快激光加工，一步得到利于陶瓷植入物生物性能发挥的微纳结构和结构表面吸附金属离子。
综上所述，本发明实施例针对陶瓷人体植入物的骨矿化能力低，植入人体后愈合时间长等问题。采用含金属离子的水溶液下一步飞秒激光加工，在陶瓷表面加工出含有微纳结构沟槽的同时吸附大量的金属离子。通过大表面积的微纳结构以及吸附离子与体液间的交换作用显著增强陶瓷植入物生物性能，在提高植入物与人体的组织的结合力方面具有广泛应用前景。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种陶瓷植入物表面飞秒激光加工方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、利用酒精对陶瓷植入物进行清洗处理，清洗后自然风干；
步骤二、准备设定浓度的金属离子水溶液；
步骤三、将清洗后的陶瓷植入物完全浸入设定深度的金属离子水溶液中；
步骤四、利用飞秒激光加工系统对金属离子水溶液中的陶瓷植入物样品表面进行含有微纳结构的沟槽加工；
步骤五、取出对陶瓷植入物样品，用酒精冲洗后吹干。
2.根据权利要求1所述的陶瓷植入物表面飞秒激光加工方法，其特征在于：所述步骤二中的金属离子水溶液包括以下任意一种或者多种：MgCl2、ZnCl2、Mg3(PO4)2、Sr(NO3)2溶液，浓度为0.1~1mol/L。
3.根据权利要求1所述的陶瓷植入物表面飞秒激光加工方法，其特征在于：所述步骤三中的陶瓷植入物表面距离水液面的高度在1~5mm。
4.根据权利要求1所述的陶瓷植入物表面飞秒激光加工方法，其特征在于：所述步骤四中飞秒激光加工的参数为：
波长1064nm，功率5~10W，扫描速度100~400mm/s，扫描次数10~100次，重复频率10K-1MHz, 脉冲宽度209-15000fs。
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