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山東大學(xué)萬熠教授課題組：激光刻蝕和陽極氧化對純鈦植入體表面性能的影響 | 好文推薦

2021-06-28 14:21:23 作者：中國表面工程來源：中國表面工程分享至：

研究背景

鈦及其合金因其具有耐腐蝕性、良好的力學(xué)性能和較低的彈性模量，被廣泛用作牙科置換材料、關(guān)節(jié)植入體等硬組織替代物。然而在植入人體后，鈦依然存在骨整合差、容易脫落等問題。為了提高植入體的生物相容性，人們通過各種機械及物理化學(xué)方法在植入體表面制備出微米或納米結(jié)構(gòu)。然而，噴砂、堿熱處理等方法加工效率低，且容易產(chǎn)生污染。

激光刻蝕是利用原子受激光輻射出光子時產(chǎn)生的熱效應(yīng)熔化掉工件表面材料從而留下永久印記的工藝，與傳統(tǒng)的機械、化學(xué)等加工方法相比具有精度高、污染小、使用靈活、可控性高等優(yōu)點。陽極氧化可在微溝槽內(nèi)部及表面生成致密的TiO2納米管，此管在促進成骨分化、抗菌、搭載藥物等領(lǐng)域都展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。

所做工作及研究結(jié)果

山東大學(xué)機械工程學(xué)院先進加工與智能制造實驗室集成了激光刻蝕和陽極氧化工藝（圖1），在鈦片表面成功構(gòu)建了由微米級溝槽和有序排列的納米管組成的微納雙級結(jié)構(gòu)（圖2）。經(jīng)過激光刻蝕加工和陽極氧化處理后的鈦片，其表面粗糙度得到顯著提高（圖3），試件表面成功形成銳鈦礦型納米管（圖4），表面潤濕性得到顯著提高（圖5），生物活性得到顯著提高（圖6），并研究在模擬體液浸泡下試樣表面生成羥基磷灰石的形成機理（圖7）。

價值意義（創(chuàng)新）

在醫(yī)用純鈦表面利用激光刻蝕與陽極氧化的方法成功構(gòu)建出微納復(fù)合結(jié)構(gòu)。激光刻蝕與陽極氧化的結(jié)合，有望成為一種新的植入體表面改性的方法以用于商業(yè)或臨床試驗。

（a）微溝槽陣列示意圖

（b）陽極氧化試驗裝置

圖1 微納雙級結(jié)構(gòu)的構(gòu)建

圖2 激光加工-陽極氧化組試件表面結(jié)構(gòu)SEM圖

（a）不同組試件表面的三維形貌

（b）不同組試件表面的粗糙度平均值（Sa）（n=3）

圖3 試樣表面三維形貌表征

圖4 退火前后激光加工-陽極氧化組鈦片表面的XRD圖

圖5 不同組試件表面的接觸角

（a）激光加工-陽極氧化組試件在SBF中浸泡14 d后表面SEM圖

（b）激光加工-陽極氧化組試件浸泡于SBF中14 d后的表面EDS及XRD分析結(jié)果

圖6 生物活性表征

圖7 羥基磷灰石在微納結(jié)構(gòu)表面形成機理

團隊介紹

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負責(zé)人：萬熠，山東大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，機械工程學(xué)院常務(wù)副院長，研究生院副院長。目前從事非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下智能裝備的環(huán)境感知、路徑規(guī)劃與運動控制及醫(yī)用生物植入體先進加工技術(shù)與增材制造技術(shù)交叉等方向的研究。近5年主持項目19項，發(fā)表論文70余篇，獲得國家及省部級獎項3項，授權(quán)發(fā)明專利13項，擔(dān)任國內(nèi)外多個期刊審稿專家，榮獲教育部新世紀優(yōu)秀人才、山東大學(xué)杰出中青年學(xué)者等榮譽稱號。

研究方向：在高效精密切削加工的研究基礎(chǔ)上，課題組面向國家重大戰(zhàn)略需求，開展了醫(yī)用生物植入體先進加工技術(shù)與增材制造技術(shù)交叉的研究。提出兼顧成骨和抗菌的微納米復(fù)合結(jié)構(gòu)構(gòu)建的植入體表面設(shè)計制造方法，在材料表面原位構(gòu)建生物活化微納米雙級結(jié)構(gòu)，為機械加工和生物醫(yī)學(xué)的深度交叉提供了理論及技術(shù)指導(dǎo)，并面向機器人在特殊場合作業(yè)的需求，攻關(guān)了特種機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、多功能設(shè)計、自主路徑規(guī)劃與運動控制技術(shù)、復(fù)雜環(huán)境感知技術(shù)和遙操作技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，獲得省重大創(chuàng)新工程項目等資助，已與多家企業(yè)開展了技術(shù)合作。