基于规则微织构调控植入金属表面生物相容性的机理及定向强化基础研究

The poor biocompatibility for metal implant is a key factor restricting its clinical effect. The aim of this project is to enhance the bone-compatibility/blood-compatibility and antibacterial property of implant mental surface, based on surface microstructures technology. In the project, the mechanism of cell biological behavior controlled by surface microstructures is investigated in depth. The influence of the geometrical characteristic, surface wettability and roughness of microstructures to cell biological behavior is revealed parametrically. The specific cell biological behaviors can be oriented and semi-quantitatively controlled by designing appropriate microstructures on the implant metal surface. A method of micro electrochemical machining assisted by laser interference is proposed to solve the problem for the fabrication of regular microstructures on implant metal surface, especially for breaking through the fabrication of multi-scale regular microstructures. According to specific clinical application, different types of microstructures are designedly combined to achieve oriented enhancement of the biocompatibility of the implant metal surface. The achievement of this project will provide important theoretical basis, design thought and implement method for the biocompatibility on implant mental surface controlled by microstructures.

医用金属植入体的生物相容性问题是制约其临床效果最关键的因素之一。本项目基于表面微织构技术，以提高植入金属表面骨组织相容性/血液相容性和抗菌性为目标，深入探究微织构调控材料表面细胞生物学行为机理，参数化揭示微织构几何特征、表面亲疏水性和粗糙度对细胞生物学行为的影响规律；通过设计恰当的微织构，实现对细胞特定生物学行为的定向与半定量调控；提出多光束激光干涉辅助微细电解加工方法，解决植入金属表面规则微织构的制备难题，特别是突破多级规则微织构的制备；根据特定的临床应用需要，提出不同微织构的组合设计方案，利用其协同作用效应，实现对植入金属表面生物相容性的定向强化。本项目的研究成果将为微织构调控植入金属表面生物相容性方面的研究提供重要的理论基础、设计思路及实现方法。

介入治疗在多种疾病治疗中发挥着重要作用。然而，金属植入体在体内长期服役过程中，容易诱发炎症、血栓等生物相容性问题，对患者的生命健康和生活质量造成极大的影响。为此，本项目通过激光微织构表面改性技术，调控植入金属表面微结构形貌、化学成分、润湿性等特征，从而改善其血液相容性。主要研究内容包括：.(1) 根据激光-材料界面作用机理，建立了激光扫描加工能量密度分布数学模型，基于matlab开发了数值仿真算法，分析了激光加工参数对作用区域内累积能量密度分布的影响规律及内在作用机理；.(2) 提出基于激光扫描加工技术的多尺度微沟槽织构制备方法，研究了激光脉冲能量密度、扫描间距和扫描速度等参数对激光作用表面微观形貌和粗糙度的影响规律，得到了TA2和Ti6Al4V植入金属激光强烧蚀阈值能量密度在2.9~3.4J/cm2之间，结合激光累积能量密度分布数值模拟计算结果，阐明了激光作用区域微观形貌随激光加工参数演变的内在机制；利用该方法，成功实现了钛基植入金属表面微-纳双尺度复合微沟槽织构(与天然血管表面形貌相似)的柔性、可控制备，其最小间距仅20μm；.(3) 提出了Two-steps激光扫描加工新方法，研究了相关加工参数对激光作用表面形貌、粗糙度演变规律的影响并分析了其内在作用机理，实现了系列单尺度微凸起、微凹坑和微沟槽织构的加工；.(4) 研究了激光加工工艺参数对钛基植入金属表面润湿性的影响，分析了激光作用引起的粗糙度和化学成分的变化各自对样品表面润湿性变化所起的作用，发现对于激光弱烧蚀表面，其亲水性的变化主要是由表面氧化物的不同造成的，并得到了制备系列具有相近表面粗糙度不同亲水性表面的制备工艺参数范围；利用分子膜技术，实现了超疏水钛基植入金属表面的制备，并发现相比于亲水表面，超疏水表面的抗溶血、抗血小板粘附性能最优。