【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属材料的表面处理，涉及激光束加工，具体为一种可降解锌合金激光3d打印器件的表面微纳结构制备方法，应用于医用可降解锌合金材料表面处理，有利于细胞粘附与增殖分化。
技术介绍
1、可降解锌基合金是一种新型的生物医用金属材料，锌作为人体必需的微量元素之一，对骨骼的生长发育发挥重要作用。同时锌合金有着适中的降解速率，为可降解金属的腐蚀速率与骨组织愈合之间的不匹配提供了解决方案。目前，3d打印锌合金表现出良好的力学及腐蚀性能，成为新一代具有潜力的骨植入材料。
2、细胞在植入物表面的粘附与生长状况是影响患者体内组织修复的长期稳定性的关键因素。材料表面的细胞活性以及生物相容性限制了其临床医学应用范围，所以对植入物材料表面的化学成分、润湿性、粗糙度以及形貌等有着更高的要求。因此，为提高材料表面细胞活性，稳定植入物的促成骨功能，调节其表面特性成为材料科学和生物医学领域的一种有前途的手段。
3、现阶段对提高医用金属材料表面细胞活性的表面处理方法有很多，传统的表面改性方法包括物理涂层改性、化学浸泡改性、离子注入等，例如通过等离子喷涂、溅射和脉冲激光沉积等方法在其金属表面涂覆生物活性羟基磷灰石（hap）涂层。然而，生物活性涂层经常发生剥离与脱落现象，并且大多的涂层都需要进行烧结处理，这将会降低涂层与金属的结合力影响整体的机械性能，效果不稳定的同时还存在化学污染、成本高以及工艺复杂等问题，限制了其临床应用。在材料表面装载药物是提高生物活性的一种有效方法，但这种方法存在药物释放难以控制进而导致全身毒性的安全隐患。因此，
4、表面形貌对生物相容性有着重要影响，材料表面微纳结构的独特取向不仅可以增强植入物和人体组织之间的机械结合力，同时还可诱导细胞的增殖分化。拥有微纳结构的表面将有利于水分、无机盐和其他营养物以及代谢物的转移与交换，这也可以促进细胞的渗出。此外，表面微纳结构可提供更大的表面积，这将改善蛋白质的吸附以及增强成骨细胞和植入物表面之间的连接。细胞在典型微纳结构表面上的粘附、增殖、分化和基因表达比在光滑表面上更加紧密。然而，采用传统的喷砂后进行酸处理的方法制备微纳结构，将会导致一些砂粉嵌入植入物表面难以去除，这将降低植入物的生物相容性。此外，该方法得到的微纳结构分布不均匀，给骨关节与植入物之间结合处的定量分析带来难题。通过反应离子腐蚀（rie）和电化学显微镜加工（emm）技术可制备出规则分布的微结构，但可能会引入化学异质性，这将可能抑制成骨细胞的增殖，不利于生物相容性。
5、激光加工技术可以在材料表面提供适当的粗糙度和规则分布的微纳结构，近年来得到快速发展。其中，飞秒激光因具有高精度、高复现、低损伤阈值、瞬时高温和热影响区小甚至可忽略等独特优势，在生物医学领域被广泛关注。特别是飞秒激光诱导周期性表面结构（lipss)使得细胞和组织在具有凹槽的基底上粘附与生长，增强了生物相容性。但是周期结构单调、缺乏灵活性及指向性也给飞秒激光加工用于生物材料表面改性带来了挑战与难题。
6、因此，如何利用具有独特优势的飞秒激光加工制备特殊的表面微纳结构来有效诱导细胞粘附增长，提高细胞活性与生物相容性已成为医用金属材料表面处理急需解决的重要问题。
技术实现思路
1、本专利技术目的是提供一种可降解锌合金激光3d打印器件的表面微纳结构制备方法，提高细胞的粘附与增殖分化能力，增强细胞活性。
2、本专利技术是采用如下技术方案实现的：
3、一种可降解锌合金激光3d打印器件的表面微纳结构制备方法，包括如下步骤：
4、（1）、将采用选区激光熔化（slm）工艺制备的锌合金材料在微纳构型前进行前处理，记作锌合金样品。
5、（2）、将锌合金样品放置于飞秒激光加工系统中的机床运动平台上，并将激光束的焦点位置调到锌合金样品的表面，选择加工的起止位置以及加工环境介质。
6、（3）、利用扫描振镜控制软件制定加工程序：扫描路径的选取、扫描方式以及扫描速度大小的设定，同时确定激光能量密度。
7、（4）、绘制所需的加工图案：启动扫描振镜，开启激光光闸，使得激光光束垂直入射到锌合金样品表面，按照规定路径进行扫描加工图案并在锌合金样品表面形成微纳结构。
8、（5）、表面形貌观察：利用扫描电镜（sem）对飞秒激光加工锌合金样品表面的微纳结构形貌进行观察。
9、（6）、体外细胞毒性测试：将细胞直接接种到锌合金样品表面上，通过 live/dead荧光染色法并使用激光共聚焦显微镜（lscm）观察细胞形态特征来判断表面微纳结构所引发细胞毒性的大小，以此评估其诱导细胞粘附增殖能力以及细胞活性。
10、本专利技术方法通过飞秒激光在可降解锌合金材料表面精确加工制备微纳结构，改善材料的表面能态，实现诱导细胞的粘附增殖，促进细胞活性以及生物相容性。
11、优选的，飞秒激光加工环境介质是空气、氮气或氩气气氛，同时需保证无尘。
12、优选的，步骤（3）中，采用分步扫描加工分级复合微纳结构；首先在锌合金样品表面部分区域通过激光大能量密度扫描形成非周期性结构，其次通过激光小能量密度在锌合金样品整个表面扫描得到周期性结构；激光大能量密度为1.5~3j/cm2，激光小能量密度为0.3~0.8j/cm2，扫描速度为100~1000mm/s，离焦量为-5mm~5mm。进一步选择，激光大能量密度为2~2.5j/cm2，激光小能量密度为0.4~0.5j/cm2，扫描速度为100~200mm/s，离焦量为0mm。
13、优选的，步骤（4）中，加工图案可以为方形网格、六边形网格、菱形网格、圆环形网格以及正弦波浪结构。当加工图案为方形网格时，方形网格宽度为50~200μm、高度为30~50μm，且相邻方形网格间的沟槽宽度为50~200μm。
14、优选的，步骤（6）中，体外细胞毒性测试在37℃环境下，将来源于新生小鼠颅骨的mc3t3-e1成骨细胞在添加10%胎牛血清（fbs）、1%青霉素和链霉素的阿尔法改良伊格尔培养基（α-mem）中进行培养，将细胞直接接种到锌合金样品表面上，分别培养1天和5天后观察细胞生长情况。细胞毒性与增殖试验的代表性lscm荧光图像如图6至图11所示。
15、与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
16、1、本专利技术方法基于激光3d打印结合飞秒脉冲激光诱导与激光直写，采用分步扫描方式在锌合金材料表面构筑分级复合微纳结构，诱导细胞粘附与增长，提高植入材料表面的细胞活性及生物相容性。相较于一般的单一周期性微纳结构，本方法所加工构筑的表面分级复合微纳结构更有利于保证植入材料的长期稳定性以及耐久性。
17、2、本专利技术通过两步分步法精确制备出微米级或纳米级的表面分级复合结构，处理过程相对简单，不会引入有害物质，且该结构的设计将缩短整个材料表面制备典型特征微纳结构所需的时间，进一步提高了制备效率。
18、3、本发本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种可降解锌合金激光3D打印器件的表面微纳结构制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种可降解锌合金激光3D打印器件的表面微纳结构制备方法，其特征在于：还包括步骤（5），如下：
3.根据权利要求2所述的一种可降解锌合金激光3D打印器件的表面微纳结构制备方法，其特征在于：还包括步骤（6），如下：
4.根据权利要求1所述的一种可降解锌合金激光3D打印器件的表面微纳结构制备方法，其特征在于：飞秒激光加工环境介质是空气、氮气或氩气。
5.根据权利要求1至4任一所述的一种可降解锌合金激光3D打印器件的表面微纳结构制备方法，其特征在于：步骤（3）采用分步扫描加工分级复合微纳结构；首先在锌合金样品表面部分区域通过激光大能量密度扫描形成非周期性结构，其次通过激光小能量密度在锌合金样品整个表面扫描得到周期性结构；激光大能量密度为1.5~3J/cm2，激光小能量密度为0.3~0.8J/cm2，扫描速度为100~1000mm/s，离焦量为-5mm~5mm。
6.根据权利要求5所述的一种可降解锌合金激光3D打印器件的
7.根据权利要求6所述的一种可降解锌合金激光3D打印器件的表面微纳结构制备方法，其特征在于：步骤（4）中加工图案为方形网格、六边形网格、菱形网格、圆环形网格或者正弦波浪结构。
8.根据权利要求7所述的一种可降解锌合金激光3D打印器件的表面微纳结构制备方法，其特征在于：加工图案为方形网格时，网格宽度为50~200μm，高度为30~50μm，且相邻方形网格间的沟槽宽度为50~200μm。
9.根据权利要求8所述的一种可降解锌合金激光3D打印器件的表面微纳结构制备方法，其特征在于：步骤（4）中，对加工后的锌合金样品表面在丙酮溶液中利用超声波清洗20分钟并烘干。
10.根据权利要求3所述的一种可降解锌合金激光3D打印器件的表面微纳结构制备方法，其特征在于：步骤（6）中，体外细胞毒性测试在37℃环境下，将小鼠颅骨的MC3T3-E1成骨细胞在阿尔法改良伊格尔培养基中进行培养，将细胞直接接种到锌合金样品表面上，分别培养1天和5天后观察细胞生长情况。
...【技术特征摘要】
1.一种可降解锌合金激光3d打印器件的表面微纳结构制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种可降解锌合金激光3d打印器件的表面微纳结构制备方法，其特征在于：还包括步骤（5），如下：
3.根据权利要求2所述的一种可降解锌合金激光3d打印器件的表面微纳结构制备方法，其特征在于：还包括步骤（6），如下：
4.根据权利要求1所述的一种可降解锌合金激光3d打印器件的表面微纳结构制备方法，其特征在于：飞秒激光加工环境介质是空气、氮气或氩气。
5.根据权利要求1至4任一所述的一种可降解锌合金激光3d打印器件的表面微纳结构制备方法，其特征在于：步骤（3）采用分步扫描加工分级复合微纳结构；首先在锌合金样品表面部分区域通过激光大能量密度扫描形成非周期性结构，其次通过激光小能量密度在锌合金样品整个表面扫描得到周期性结构；激光大能量密度为1.5~3j/cm2，激光小能量密度为0.3~0.8j/cm2，扫描速度为100~1000mm/s，离焦量为-5mm~5mm。
6.根据权利要求5所述的一种可降解锌合金激光3d打印器件的表面微纳结构制备方法，其特征在于：...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔泽琴，胡奇峰，郝晓虎，张一帆，张然，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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