[发明专利]提高医用镁合金表面医用生物涂层结合强度的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种医用生物技术，尤其是一种将激光加工用于医用生物材料的表面改性的技术，具体地说是一种通过激光热力复合工艺制备机械锁合结构来提高医用镁合金表面医用生物涂层结合强度的方法，它提高了植入体与羟基磷灰石生物涂层结合强度。

技术背景

镁合金由于其具有低密度、高强度、优良的加工性能、无毒以及与人体骨相近的弹性模量、与人体良好的生物相容性能等特点，成为新一代的金属硬组织植入材料。但是，由于人体环境中存在氯离子和蛋白质，金属材料长期在体液环境中服役会导致植入体表面腐蚀，甚至使金属离子游离出来进入肌体组织,产生肌体组织变质；此外，植入物表面生物活性不佳，不利于骨组织的生长，这些都限制了医用镁合金的使用寿命和应用范围。为了提高医用镁合金的性能，通常利用表面处理工艺在镁合金表面形成一层生物活性优异、综合性能良好的羟基磷灰石（HA）涂层，以改善材料的耐腐蚀性能和生物活性，提高骨组织与材料的结合力，同时减少基体材料中有害离子的溶出，降低材料的生物毒性。目前，已经有多种在生物镁合金表面制备羟基磷灰石涂层的改性方法，如等离子喷涂法、电化学沉积法、脉冲电沉积法、仿生法及激光熔覆法等。

文献1“申请号为201110139787.6的中国专利”提出了一种镁合金表面等离子喷涂Ca-P生物活性涂层的方法，等离子喷涂是目前唯一在商业上得到大规模应用的涂层制备技术，然而，其制备的涂层存在晶粒粗大、非晶化严重、与基体结合强度差、因应力集中产生裂纹以及涂层降解等问题，这些问题会降低涂层的生物相容性和生物活性，并且导致涂层在长期使用过程中易发生剥落现象，影响植入体使用寿命。

文献2“申请号为201210373185.1的中国专利”公开了一种具备生物活性的种植体制备方法。首先选用制备完成的钛合金种植体，然后将种植体表面进行活化处理，表面喷涂羟基磷灰石，最后将喷涂后的种植体放置并浸泡在骨形态发生蛋白和磷酸缓冲盐溶液构成的混合溶液中。该方法存在一些不足：（1）羟基磷灰石涂层采用的是喷涂法，过程中的高温容易使得HA涂层发生相变与分解，在涂层中产生杂质和非晶HA，从而破坏HA涂层的生物活性；（2）容易造成粗糙基体表面的涂层不均匀；（3）涂层结构不致密，植入人体后，不能有效地阻止生理组织液的渗入；（4）由于界面应力残留在涂层材料中，造成涂层产生裂纹并使涂层松动或剥落。

因此，开发新型的高效、低成本、结合强度高、均匀、致密的生物涂层制备方法是生物医用行业中急需解决的难题，也是国内外生物涂层领域的研究热点。

激光表面织构化是近年来热喷涂领域中表面前处理的常用工艺，其利用激光在物体表面造型出各种微米/亚微米级的微细形貌或图案，该工艺的发展为制备优良的生物涂层提供了新的思路。通过调整激光束的脉冲，可以实现不同形状的表面织构图案：圆凹坑形、方凹坑形、条状凹痕形和网格状凹痕形等。与传统的热加工处理方法相比，激光加工具有加工热影响区小、可精确地控制处理层的宽度和深度、适合大批量制造等优点。因此本发明提出采用光纤激光器在材料表面制备方形微凹槽阵列，微织构一方面可以增加涂层与基体间的有效附着面积，使涂层材料陷入凹凸中形成钩连状态，另一方面可提高基体的浸润性。由于表面凹凸不平，涂料能够渗入基体表面凹坑，固化以后起到机械嵌合的作用，但是微织构是敞开型，不利于涂层在凹坑处与基体表面的机械咬合，涂层与基体结合强度仍不理想。

激光冲击强化是一种利用激光冲击波对材料表面进行改性的技术。强激光与物质相互作用产生强冲击波，其具有高压（GPa-TPa量级）、高能（GW/量级）、超快（几十纳秒）和超高应变率四个鲜明特点，冲击波压力远远大于材料的动态屈服强度，从而使材料产生屈服和塑性变形，同时在塑性变形区域产生残余压应力，改善了材料的疲劳、磨损和腐蚀性能。利用强激光冲击波使材料产生塑性变形的特点，对微凹槽间距进行激光冲击，将敞开型微织构变化为收缩型微织构，收缩型微织构的机械锁合性可改善涂层部分收缩力的方向，减小沿基体表面方向的应力，从而增强涂层与植入体表面间的结合强度，减弱生物涂层开裂的倾向。

本发明首次提出激光热力复合工艺制备机械锁合结构提高HA生物涂层结合强度的方法，利用激光表面微织构结合激光冲击的热力复合工艺，在医用镁合金表面制备均匀、致密并呈收缩状的微结构，将表面具有收缩状微结构的镁合金件放置在模拟体液SBF中浸泡，仿生生长获得可填充满收缩状表面凹槽微结构的羟基磷灰石涂层，涂层结构均匀、致密，同时微结构的机械自锁性增强了植入体和羟基磷灰石生物涂层的结合强度。