医用钛植入体激光微纹理生物性能研究进展_张艺嘉.pdf

表面技术 第 52 卷 第 6 期 180 SURFACE TECHNOLOGY 2023 年 6 月 收稿日期：20220211；修订日期：20220531 Received：2022-02-11；Revised：2022-05-31 基金项目：国家自然科学基金面上项目（52175408）；山东省自然基金重点项目（ZR202011040061）；济南市科研带头人工作室项目（2019GXRC054）Fund：General Program of National Natural Science Foundation of China(5217052208);Key Project of Shandong Provincial Natural Science Fund(ZR202011040061);Scientific Research Leader Studio Project of Jinan(2019GXRC054)作者简介：张艺嘉（1996），男，硕士生，主要研究方向机械制造及其自动化。Biography：ZHANG Yi-jia(1996-),Male,Postgraduate,Research focus:mechanical manufacturing and automation.通讯作者：付秀丽（1978），女，博士，教授，主要研究方向机械制造及其自动化。Corresponding author：FU Xiu-li(1978-),Female,Doctor,Professor,Research focus:mechanical manufacturing and automation.引文格式：张艺嘉,潘永智,王振达,等.医用钛植入体激光微纹理生物性能研究进展J.表面技术,2023,52(6):180-195.ZHANG Yi-jia,PAN Yong-zhi,WANG Zhen-da,et al.Research Progress of Biological Properties of Medical Titanium Implants with Laser Micro TextureJ.Surface Technology,2023,52(6):180-195.医用钛植入体激光微纹理生物性能研究进展 张艺嘉，潘永智，王振达，门秀花，付秀丽（济南大学 机械工程学院，济南 250022）摘要：医用钛合金具有强度高、弹性模量低、疲劳性能好、密度最接近人骨等优点，被广泛应用于临床医学牙科和骨移植等领域。目前较常用的医用钛合金表面加工方法包括机械加工、酸蚀、喷砂、等离子喷涂和激光加工等。通过对比分析，激光加工表现出明显优势，与化学或传统物理加工方法相比，采用激光加工医用钛植入体表面具有高效、清洁、准确、柔性等优势。应用各类脉冲激光器，可以在植入体表面加工特定的表面纹理和纹理组合，改善植入体的生物相容性。归纳了植入体表面纹理对植入环境的影响，表面纹理形状、粗糙度和润湿性等表面特性直接影响细胞组织的黏附、生长和增殖，对细胞生长具有接触导向作用。通过调控激光通量、脉冲频率、扫描速度和脉冲宽度等激光参量可对表面纹理的规则性、准确性、尺寸、氧化程度等特征产生不同影响，进而影响医用钛植入体的表面微观形貌、粗糙度、硬度和润湿性，使其在生物环境中获得更好的服役性能。通过激光加工获得的理想医用钛植入体表面可有效避免植入体表面细菌的滋生，降低发病率，提高植入成功率。经激光加工后，医用钛植入体表面会出现不同程度的裂纹，导致在服役过程中植入体表面产生的摩擦碎屑对植入体环境造成不良影响。通过综述以上各方面的研究进展可知，随着超短脉冲激光技术的发展和新型医用植入体材料 钛合金制备技术与工艺的完善，经激光加工后植入体将获得更理想的表面特性和服役性能。关键词：医用钛合金；激光加工；表面纹理；表面改性；钛植入体；生物相容性 中图分类号：TG665 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)06-0180-16 DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.06.016 Research Progress of Biological Properties of Medical Titanium Implants with Laser Micro Texture ZHANG Yi-jia,PAN Yong-zhi,WANG Zhen-da,MEN Xiu-hua,FU Xiu-li(School of Mechanical Engineering,University of Jinan,Jinan 250022,China)ABSTRACT:Compared with common medical implants such as stainless steel and Co-Cr alloy,medical titanium alloy is widely used in clinical medicine,dentistry,bone transplantation and other medical fields because of its significant advantages 第 52 卷 第 6 期 张艺嘉，等：医用钛植入体激光微纹理生物性能研究进展 181 such as high strength,low elastic modulus,good fatigue performance and density closest to that of human bone.At present,the commonly used surface processing methods of medical titanium alloy mainly include:machining,acid etching,sand blasting,plasma spraying and laser processing.Compared with chemical or traditional physical processing methods,laser processing of medical titanium implant surface has the advantages of high efficiency,cleanness,accuracy and flexibility,and can obtain complex surface morphology unable to be obtained by traditional processing methods.At present,the lasers used in the surface treatment of titanium implants are mainly pulse lasers,including nanosecond lasers,femtosecond lasers and picosecond lasers.Various kinds of pulse lasers can be used to process specific surface textures and texture combinations on the surface of medical titanium implants to improve the biocompatibility of implants.Laser parameters have a direct impact on the surface processing effect of implants.By adjusting laser parameters such as laser flux,pulse frequency,scanning speed and pulse width,it will have different effects on the regularity,accuracy,size and oxidation degree of the processed surface texture,and then affect the surface micro morphology,roughness,hardness and wettability of medical titanium implants,making it possible to obtain the biological environment for the needs of implants.The surface characteristics of implants have a contact guiding effect on cell growth.The surface characteristics such as surface texture shape,surface roughness and wettability directly affect the adhesion,growth and proliferation of cell tissues.The results show that the cells on the texture surface of the implant have higher cell activity,the cells prefer to grow in the sharp corners and depressions of the texture,and the enzyme activity of the cells on the texture surface is higher.The implant surface with roughness in the range of 20 nm to 10 m has a significant impact on cell compatibility,and the pits and grooves on the rough surface can store debris and lubricating fluid to improve the wear resistance of the implant.Wettability increases with the decrease of contact angle and has a positive effect on cell adhesion.The most favorable contact angle range of cell adhesion is considered to be 40 to 60.Compared with traditional processing methods,laser processing can achieve ideal medical titanium implant surface,which can effectively prevent bacteria from infusing on the implant surface,reduce incidence rate and improve the success rate of implantation.However,after laser processing,medical titanium implants will have different degrees of cracks and oxide layers on the surface,resulting in friction debris on the implant surface during service,which will have an adverse impact on the implant service environment.The research progress has been summarized in the above aspects.With the development of ultrashort pulse laser technology and new medical implant materials and the continuous improvement of titanium alloy preparation technology and process,medical titanium implants can obtain ideal surface characteristics and service performance after laser processing.KEY WORDS:medical titanium alloy;laser processing;surface texture;surface modification;titanium implants;biocompatibility 骨是一种具有愈合和再生能力的组织，在人体内部主要起到支撑作用1。由于骨的密度较大、硬度较高，在骨破损后很难自然修复，必须进行骨移植。现代医学种植体技术在骨修复方面主要存在 2 个问题：一是生物相容性不佳，导致愈合困难；二是容易滋生细菌，引发炎症2-3。由此可见，消除植入体表面的细菌滋生和增强植入体的生物相容性是目前需要解决的问题。临床医学通常采用表面处理方法抑制细菌的滋生和提高植入体的生物相容性。植入体表面需要具有适合周围组织细胞生长的表面特性，包括纹理结构、粗糙度和润湿性等。目前，临床医学常用的植入体材料主要有不锈钢、Co-Cr 合金、钛及其合金4。如表 1 所示5-10，钛合金具有强度高、弹性模量低、疲劳性能好、质量轻、密度最接近人骨等优点，在牙科和骨移植领域应用广泛11。在种植体的选择中，临床医学更倾向于选择力学性能与人骨接近的材料和对人体无毒副作用的材料作为种植体4。与传统的医用钛植入体材料 TC4 相比，新型 钛合金具有更低的弹性模量、无毒、无敏性等特点，因此被广泛应用，且 钛合金可有效减少“应力屏蔽”的发生。植入体的生物相容性指在机体植入部位引起恰当的生理反应，促进植入体与机体的有机结合。采用激光加工医用钛植入体表面，植入体表面产生了表面纹理和氧化物，并发生组织变化，加快了与周围生物流体和细胞组织的相互作用，增强了生物相容性1。临床研究表明，骨与钛合金的弹性模量不匹配（见表1），导致植入体周围的骨组织弱化，这会严重影响结合的牢固性12。与其他种植体材料相比，医用钛合金具有更好的生物相容性和耐腐蚀性4，能在很大程度上提高植入成功率，降低发病率13。植入体的生物相容性、耐腐蚀性，以及对周围组织细胞生物活性的影响主要受制于植入体的表面性能14，影响植入体表面性能的因素主要包括表面纹理结构、粗糙度、润湿性、表面硬度和耐腐蚀性等15，主要表现在表面纹理诱导细胞增殖分化、表面粗糙度提高细胞黏附能力、表面润湿性增加蛋白质的吸附能力等方面16。基于形态学，在植入体表面加工微纹理，旨在通过改变表面形貌和性能，改善骨钛界面之间 182 表 面 技 术 2023 年 6 月 表 1 人骨与常用植入体材料性能对比 Tab.1 Performance comparison between human bone and common implant materials Material science Material picture Tensile strength/MPa Yield strength/MPaModulus of elasticity/GPaDensity/(gcm3)Corrosion resistance Wear resistance BiocompatibilityHuman bone5-6 96 10-30 1.197-1.228 High Stainless steel7 500-1167 220-600 200 7.8 Low Commonly Commonly Co-Cr alloy8 468-701 208-505 181-247 8.7 Commonly High Commonly Titanium alloy9-10 900-1 099 864-1 087 50-113 4.51 High Low High 的相互作用，这也是目前临床医学常用的方法。目前，常用的加工方法主要包括机械加工、喷砂处理、化学蚀刻、等离子喷涂和激光加工等17。如表 2 所示18-22，化学或传统物理加工方法只能满足单一表面特性，难以加工特定形状和精确控制尺寸精度，且效率低、准确性差。与之相比，采用激光加工技术加工医用钛植入体表面，可获得多种特殊的表面纹理，如凹坑、沟槽、深孔等，实现多种不同性能表面形貌的排列组合23，同时具有高效、清洁、精确、柔性等特点21,24，因此激光非接触加工已经成为植入体表面微纹理加工的主流技术，受到国内外学者的重点关注。采用激光加工方法可以获得不同微纳尺寸、几何结构（点阵列、线性结构等）和分布（规则/随机）的多种类型表面纹理，通过激光辅助渗氮复合加工，还可进一步实现表面改性，提高材料的耐磨性和硬度25。目前，用于表面改性的激光主要分为 2 种：长脉冲激光，包括毫秒级、纳秒级、皮秒级；短脉冲激光，包括亚皮秒级、纳秒级。脉冲激光可用于多种材料表面微纹理加工，能够有效改变表面纹理结构、粗糙度、润湿性和硬度等，可以同时获得多种表面特征，实现不同特征的组合排列，例如牙根和牙冠的组织性能差异处理23,26。随着超快激光的发展，皮秒和飞秒激光 表 2 常用医用植入体表面加工方法对比 Tab.2 Comparison of common processing methods for medical implant surface Processing method Picture FlexibilityRegularityAccuracyCleanliness Processing efficiency Surface topographyMachining18 CommonlyHigh High Low Commonly Single Acid etching18 Low Low Low High Low Single Sandblasting19 Low Low Low Low High Single Plasma spraying20 Low Low Low Commonly High Single Laser processing21-22 High High High High High Complex and diverse第 52 卷 第 6 期 张艺嘉，等：医用钛植入体激光微纹理生物性能研究进展 183 技术因其柔韧性高、精度高、热影响区小、烧蚀点周围碎片少、能够产生丰富的表面结构等优点，成为医用植入体领域的必备技术27。通过调整加工参数可以改善表面结构特征，包括形貌质量和细节尺寸17,22。短脉冲激光加工具有高再现性、灵活性和产生广泛表面结构的能力，能够获得更高质量的功能表面，可以有效改进骨与种植体表面的锚固，减少细菌黏附28-29。从目前生物医学应用来看，短脉冲激光广泛应用于钛合金表面纹理加工，它在微米和纳米尺度上进行表面修饰和性能改善方面非常有效1。在生物医学领域，植入体与人体组织的整合高度依赖于植入体的表面性能30。采用激光加工植入体表面，并获得周期性表面纹理，有利于成骨细胞的增殖和分化31。实验表明，使用机械、化学等传统手段并不能彻底清除植入体表面的细菌沉积物，使用激光加工（高温烧蚀机制）可以获得高质量表面纹理，并彻底清除细菌沉积物，有效降低细菌的黏附和增殖，减少炎症、感染的发生32-33，且人骨髓充质干细胞的黏附和生长未受影响20。采用激光加工植入体表面可增加表面润湿性，提高表面硬度，降低摩擦因数，细化晶粒，提高致密性，增强耐腐蚀性，有助于细胞增殖和分化，延长使用寿命，提高植入成功率34。这里主要简述各种脉冲激光加工医用钛植入体的方式和原理，分析激光通量、脉冲频率、扫描速度、脉宽等激光参量对植入体表面特性的影响。综述植入体表面形貌特征、粗糙度和润湿性等表面特性对医用钛植入体生物性能的影响，进而分析激光加工植入体表面存在的问题，以及应用于临床医学的激光加工技术和植入体材料的未来发展趋势。1 医用钛植入体表面激光加工 1.1 医用钛植入体表面激光加工原理 从 1960 年第 1 次演示激光加工到现阶段，激光加工在表面工程领域的巨大发展刷新并拓展了植入体在医学领域的应用范围。目前较为常用的激光器包括 CO2激光器、YAG 激光器和光纤激光器。CO2激光器以 CO2为主要工作物质，其核心部件为充满 CO2和其他惰性气体（主要为氦气和氮气，一般还有少量的氢或氙气）的放电管（石英或玻璃）。通过给电极施加电压，使得放电管产生辉光放电，锗镜端可输出功率 4060 W、波长 10.6 m 的激光。YAG 激光器是一种固体激光器，使用钇铝石榴石晶体作为激活物质，使用 2 个平行的反射镜作为谐振腔，激光束的脉冲直接来自激光泵浦闪光灯的脉冲，能够产生波长为1 064 nm 的激光。光纤激光器的光源来自泵浦发生器，将掺稀土元素玻璃光纤作为增益介质，以提高功率密度，通过添加正反馈回路构造谐振腔，便可形成激光输出，输出功率可达 10 kW35-36。激光的方向性极强，聚焦范围在理论上可以等同于其波长，聚焦后投射到工件表面的功率密度高达 1081 011 W/cm2，使得工件表面温度达到上万摄氏度，瞬间将表面材料熔化和气化，熔化表面在一定程度上增强了对激光功率的吸收37。聚焦区域的能量密度呈高斯分布，中心区域能量最高，气化所产生的压力形成高速气流冲击，能够使熔化的材质飞溅喷出，发生液相爆炸，从而去除材料在工件表面留下的小孔、沟槽等表面纹理。此外，经激光加工后，表面残留熔融物和飞溅物会发生重铸和凝结，形成波纹形貌和残渣38。激光器的标志性进展是超快激光器的应用，其脉冲长度被控制在皮秒和飞秒范围内，具有较高的加工柔性和工艺性。目前，采用激光加工医用钛植入体已经成为主流技术，脉冲长度更短的超短脉冲激光加工仍在不断发展。激光加工原理如图 1 所示。1.2 激光加工参量对钛合金表面性能的影响 1.2.1 医用钛植入体表面激光加工参量 在不同医用钛植入体表面加工使用的激光器不尽相同，但其加工目的相似。光纤激光器具有光束质量好、效率高、散热特性好、结构紧凑、可靠性高等特点，被广泛应用于表面工程。Ghate 等15使用 ASPL连续功率光纤激光器扫描钛表面，通过控制光束直径、光束重叠面积、扫描速度等加工参量，实现了特定加工效果。经激光扫描后，表面形成熔池张力，熔化表面发生变形，冷却后形成突起和凹坑，增大了表面粗糙度，改变了表面硬度。使用脉冲光纤激光器进行加工39，通过线偏振光和受激表面等离子体之间的干涉（方向垂直于入射光的偏振矢量），产生表面微观结构。脉冲激光使用的波长更短、功率更低，且光纤激光器在表面加工过程中可以获得不同的表面纹理。Vzquez 等40研究发现，在空气中进行激光加工会导致钛表面发生氧化。May 等41采用氮气辅助加工，可得到表面氮化物。各种激光器参数对比如表 3 所示。YAG 固体激光器作为一种常用固体激光器，在表面工程中应用广泛。Lawrence 等42和张松等12使用 YAG 对医用钛表面进行加工，功率均为 400 W，同时使用压缩空气辅助加工，获得了较好的表面氧化物，并能吹散杂质。Peng 等26、Vorobyev 等24使用钛宝石飞秒激光进行试验，基于烧蚀原理去除表面材料，获得了规则排列的凹坑。Dou 等44采用钛宝石激光系统，可垂直入射到样品表面。Yu 等17采用皮秒激光装置，利用水平偏振，并聚焦在加工表面。上述2 种激光束均具有高斯轮廓。Pfleging 等43采用 ArF准分子激光器对钛合金表面进行准确加工，该激光器可以在一个脉冲内准确去除材料，且加工表面平坦。上述研究表明，钛植入体表面纹理多为脉冲激光加工，连续激光器加工需要配合光栅扫面才能达到特定效果。随着激光脉冲时间的缩短，激光器消耗的功率 184 表 面 技 术 2023 年 6 月 图 1 激光加工原理 Fig.1 Principle of laser processing 表 3 各种激光器参数对比 Tab.3 Comparison of various laser parameters Researcher Laser Wavelength/nm Power/WProcessing effectProcessing effect drawing Ghate et al.15 ASPL CW fiber laser 10 600 100 Continuous bulges and pits May et al.41 JK100FL 1 085 25 Surface nitriding Schnell et al.39 Femto-second Fiber Laser 1 030 60 Two scale surface roughness Vzque et al.40 Rofin EasyMark F20(1 0705)10 Surface oxidation Parmar et al.21 SP-050-A-RMZ-B-Y 1 064 10-25Pit Lawrence et al.42 Zhang Song et al.12 YAG solid state laser 1 060 400 Micropore Peng et al.26 Vorobyev et al.22 Ti:sapphire femtosecond laser Nano texture Pfleging et al.43 ArF excimer laser 193 Linear texture 第 52 卷 第 6 期 张艺嘉，等：医用钛植入体激光微纹理生物性能研究进展 185 也降低，加工速度和加工质量有所提升。其中，光束直径、扫描速度、光束重叠面积、激光通量等加工参量对表面特性的调控作用显著。飞秒激光加工表面纹理可以控制热效应区深度，将其保持在 1 m 内，在不加热内部材料的同时，获得高质量的表面微观形貌，从而提高材料的力学性能45。如表 4 所示，通过动态力学实验发现，原始试样与激光加工试样的屈服强度和强度极限无明显差异，但后者具有更高的疲劳极限。由于疲劳裂纹在塑性材料中的扩展速度比在脆性材料中扩展速度慢，因此植入体表面的复杂形貌可以显著提高植入体的力学性能。在短脉冲激光的低通量模式下，通过烧蚀机制（蒸发和升华）准确去除表面材料46，通过微观观察发现其表面存在微小颗粒，成因是蒸发钛的再次沉积43。同时，经激光加工后，钛表面往往存在少量氧化物，氧化物的存在有利于提高耐磨性和生物相容性41。经激光加工后，钛合金的表面粗糙纹理呈波纹状，并且同时存在粗晶钛和细晶钛，这是由熔融钛快速冷却所致43。表面积的增加可以很大程度地改善骨整合性、生物相容性和骨种植体界面的机械互锁性等生物性能47。表 4 0.50.6 mm SMC VT10 钛合金板材 拉伸和疲劳试验结果45 Tab.4 Tensile and fatigue test results of 0.5-0.6 mm SMC VT1-0 titanium alloy plate45 Sample Yield strength/MPa Strength limit/MPa 106 cycles fatigue limit/MPaOriginal sample 6427 8057 385 Laser processing sample6527 8025 422 1.2.2 激光加工参量对表面纹理的影响 采用功率为 30 W、扫描速度为 2 000 mm/s、重复频率为 400 kHz 的皮秒脉冲激光加工钛表面，可以获得如图 2 所示的表面纹理48。沟槽内存在平行于扫描方向的纳米波纹，这是因入射激光作用在金属表面，激发出一种等离子体波，其方向与入射光电矢量偏振方向相同，两者之间发生了能量耦合作用，使样品表面形成了亚波长周期性条纹结构。另外，由于在激光扫描期间，相邻脉冲会产生亚波长激光束，导致烧蚀边缘表面存在周期性结构和一些纳米粒子装饰的褶皱表面44。由于较大的温度梯度迫使钛蒸气发生反冲效应，导致金属熔融物飞溅到加工区域边缘，形 图 2 皮秒激光加工沟槽及激光参数对沟槽形状影响48 Fig.2 Picosecond laser processing groove and effect of laser parameters on groove shape48 186 表 面 技 术 2023 年 6 月 成了火山口状 U 形沟槽。在皮秒激光加工过程中，沟槽深度与扫描次数呈正相关，与扫描速度呈负相关。激光加工输入能量对表面微孔的影响如图 3 所示。输入能量对孔径的影响较小，对孔深的影响较大。激光脉宽对孔深和孔径的影响较大。脉冲频率对孔径的影响较大，对孔深的影响较小。脉冲次数对孔深的影响不大，对孔径的影响较大。在激光加工中，制约激光加工的因素之一是材料的导热率。导热性差的材料使用较宽脉宽加工的效果会更好，导热性好的材料使用较窄脉宽就可达到很好的加工效果。脉冲次数的增加导致热影响区、再铸层和孔壁产生裂纹的倾向性增大，脉冲次数越多，热影响区越明显，孔壁产生裂痕的概率越大12。1.2.3 激光加工参量对表面硬度的影响 激光加工对钛合金表面硬度和颜色有着显著影响（如图 4 所示40,49-50），表面性能变化与加工参量存在一定关系。通过改变激光加工条件，可以调控表面粗糙度或硬度等特性，以适应特殊材料51。在激光加工条件下，空气与钛会发生化学反应，产生氧化物和氮化物，形成薄且致密的变质层，有效提高了表面硬度52。硬度增加的另一原因是表面熔化的金属发生重铸，由于熔化时间极短、冷却时间极快，相当于将 图 3 激光参量对孔径/孔深影响12 Fig.3 Effect of laser parameters on aperture/depth12 图 4 激光加工参数对钛合金硬度和颜色影响40,49-50 Fig.4 Effect of laser processing parameters on hardness and color of titanium alloy40,49-50 第 52 卷 第 6 期 张艺嘉，等：医用钛植入体激光微纹理生物性能研究进展 187 表面钛合金进行淬火处理，导致表面硬度增加，并且随着功率密度的增大，表面氧化层厚度也增大，表面硬度与功率密度呈正相关53。氧化表面形成了金红石、锐钛矿和 Ti3O5等氧化物，氧化钛在纹理表面可以提高植入体的力学性能、化学性能和生物相容性54。在激光加工过程中会出现高温，使钛在空气中被氧化、氮化，导致其加工表面颜色发生变化，其颜色介于淡蓝色（浅灰色）到深棕色之间40,55。经高温和快速冷却后，表面显微结构和成分也会发生显著变化，导致表面硬度显著提高，硬度与激光束扫描速度、扫描次数和输入能量之间存在明显的相关性40。1.2.4 激光加工参量对表面粗糙度的影响 在激光加工过程中，激光参量控制着表面粗糙度的变化，一般而言，激光通量或等数量激光的增加（激光扫描速度降低或激光脉冲重叠增加），表面粗糙度也随之增大56。表面粗糙度随着表面凹槽深度的增加而增加，且凹槽宽度主要受到光斑的影响，凹槽深度与激光功率和扫描次数呈正相关，与扫描速度呈负相关14。飞秒激光施加于工件表面的脉冲数量和激光通量对加工表面粗糙度起着决定性作用，加工后表面表现出周期性的粗糙度结构，并且在宏观粗糙结构下为周期性的微纳米结构（图 557）。随着激光通量的增加，周期性规则图案的形成受到阻碍，形成了更为突出的微粗糙结构，并且其表面覆盖着一些微观不均匀结构22。实验证明，随着激光通量的增加，表面粗糙度呈先升高后降低的趋势（图 622,58）。这是由于加工表面经多次熔化后，导致加工表面相对光滑58。低能量密度激光只能去除表面原始的加工痕迹，降低表面粗糙度。当功率密度增大到一定程度时，开始出现裂纹（图 759）。随着功率密度的增加，裂纹扩展，粗糙度上升。这是因为采用激光加工金属表面时，金属发生了熔化和蒸发，当温度高于热力学临界点时，蒸 图 5 周期性微纳米粗糙结构57 Fig.5 Periodic micro nano rough structure57 气与液滴的混合物爆炸后出现再凝固现象60。裂纹由温度梯度变化和加工残余应力所致61。1.2.5 激光加工参量对表面润湿性的影响 接触角可以直观反映钛植入体的表面润湿性，接触角越小，润湿性越强。经激光加工后，医用钛表面的含氧量、形貌结构、粗糙度均会发生改变，并对接触角产生较大影响，其接触角与未处理表面相比明显降低。接触角随着激光通量的增加而减小，导致亲水性增大62。如图 8 所示63，表面结构尺寸对接触角有着明显影响，经激光加工获得的钛合金表面微/纳米结构，为如何调控润湿性在医用植入体领域的应用提供了理论依据44。采用激光加工，随着表面织构尺寸维度的增大，表面亲水性也随之增加，但表面尺寸维度并不是影响亲水性的唯一因素。这是由于表面氧含量和表面能量特性对润湿性存在一定影响42。实验证明，表面亲水性受到医用钛合金表面氧含量的影响，改善氧含量可显著提高表面润湿性。综上可知，表面粗糙度、表面含氧量、表面能及表面形貌是影响表面润湿性的重要因素。图 6 激光参量对表面粗糙度的影响22,58 Fig.6 Effect of laser parameters on surface roughness22,58 188 表 面 技 术 2023 年 6 月 图 7 表面微裂纹59 Fig.7 Surface microcrack59 通过对比 CO2激光和 YAG 激光发现，CO2激光为连续脉冲激光，在处理表面过程中会产生强烈的蒸 发效应，产生的反冲动量更大，导致处理区形成一些飞溅物，并且随着激光通量的增加，圆形凹坑的规则性变差（如图 9a 所示）。采用 YAG 激光处理时，即使使用高通量激光也不会引起飞溅（如图 9b 所示）。当脉冲之间存在重叠时，会产生类似于鲨鱼皮状的纹理（如图 9c）。用 CO2激光处理可以获得颜色略有不同的凹坑，这是因为处理区的表面氧化程度不同（如图 9d）。激光参量的不同，导致钛的氧化程度和氧化产物不同，如 TiO、TiO2、Ti2O3、Ti3O5等氧化物64。表面颜色主要取决于氧化物层厚度、干涉顺序、光折射率等因素65。研究表明，在医学应用中，植入体的表面粗糙度为 1 m 时，表现出最佳的骨整合效果1,66。采用 YAG 激光时，钛的吸收率较低，因此在降低表面粗糙度和增加表面润湿性的同时，并不会出现碳化、熔化及邻近组织的热损伤等热副作用67。图 8 接触角随槽距（a）、槽宽（b）的变化63 Fig.8 Variation of contact angle with groove distance(a)and groove width(b)63 图 9 CO2激光与 Nd:YAG 激光加工钛合金表面形貌对比1 Fig.9 Comparison of surface morphology of titanium alloy processed by CO2 laser and Nd:YAG laser1 2 激光加工医用钛合金表面对生物性能的影响 Puleo 等68研究发现，针对与骨接触的钛植入物表面加工方法有 3 种：物理化学方法、形态学方法和生化方法。其中，