一种抗血栓抗感染、蜂窝状多孔结构的钛合金植入器械的制作方法

本发明涉及一种抗血栓抗感染、蜂窝状多孔结构的钛合金植入器械，具体涉及一种基于电子动态调控的钛合金超疏血抗血栓抗感染的蜂窝状多孔结构表面制备方法，属于金属材料表面改性技术领域。

背景技术：

生物医用植入器械已经得到了广泛的应用，如人工血管、血管支架、人工心脏瓣膜以及组织工程等，有效地挽救了病人的生命和改善了病人的生活质量。毫无疑问，植入物的最重要特征是生物安全性，即与组织共存的能力，而不会对人体造成不可接受的损害。对于与血液接触的医疗植入器械，生物膜形成和血栓形成是重要的并发症，当发生这些并发症时，植入物必须进行手术去除，这不仅增加了病人的痛苦，也增加了其医疗费用。

最早期的金属裸支架具有优异的力学性能，可满足体内环境的要求而得到广泛的应用，但因其会导致血管再狭窄和支架内血栓，相关的术后恢复问题较为复杂，因此逐渐被药物洗脱支架代替。药物洗脱支架在一定程度上解决了再狭窄的问题，但远期追踪又有血栓形成等新的问题，并且部分产品会缺乏抵抗细菌感染的能力导致植入物感染，最终导致植入的失败。而植入器械材料本身的表面形貌是从根本上解决血栓形成与细菌感染十分有效的方法。bartlet等人利用阳极氧化方法在金属钛片表上生长出tio2纳米管这种结构后结合表面硅烷化处理，相比于抛光的金属钛片而言虽然减少了血小板的粘附，但血小板的面积约为20％，依旧会有产生血栓的风险；cunha等人在金属钛片上加工出的纳米柱的结构相比于抛光的金属钛片而言虽然减少了细菌的粘附，但细菌的粘附面积仍然接近10％，仍有细菌感染的风险；袁等人通过溶液吹气纺丝的方法制造出了既可以防止血栓又可以抑菌的微米纤维结构，但是其溶血率接近1％，会对血红细胞活性造成一定的损害，血液相容性较差。因此，发明一种具有通用、低成本、生物相容性好、长期耐用、可有效抑制生物膜形成和血栓形成的植入物表面结构至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的是为了降低血栓形成和细菌感染导致医疗植入器械失效的问题，提供一种抗血栓抗感染、蜂窝状多孔结构的钛合金植入器械。该植入器械可以安全的在血液环境中工作。

本发明的目的具体是通过下述技术方案实现的：

一种抗血栓抗感染、蜂窝状多孔结构的钛合金植入器械，在钛合金表面加工成蜂窝状多孔结构。这种结构导致的超疏血性能可以大幅度减少血小板以及细菌与钛合金表面的实际接触面积，因此具备优异的抗血栓抗感染性能。

在所述钛合金金植入器械表面包覆含氟化涂层。

一种抗血栓抗感染、蜂窝状多孔结构的钛合金植入器械的制备方法，包括如下步骤：

步骤一，将待处理的钛合金表面进行镜面抛光预处理，得到表面抛光后的钛合金样品；

步骤二，将步骤一所述表面镜面抛光后的钛合金样品利用超声波清洗仪清洗；

步骤三，将步骤二所述的清洗的钛合金样品冷风吹干，得到洁净的钛合金样品；

步骤四，搭建双脉冲飞秒激光加工系统；

步骤五，利用步骤四所述的飞秒激光双脉冲加工系统，调节好相关激光参数后，在步骤三所述的洁净钛合金样品表面上制备大面积、一致性的蜂窝状多孔结构；经过清洗、干燥得到钛合金植入器械，具体步骤如下：

(1)将洁净的钛合金样品固定在载玻片上，将玻璃片固定到高精度六自由度平移台上；

(2)通过分束合束或脉冲整形，把传统的飞秒激光在时域上调制为飞秒激光双脉冲，且两个子脉冲之间的时间间隔为100fs-100ps，两个子脉冲能量比范围为0.1-10；

(3)利用一个5倍物镜，把产生的飞秒激光双脉冲聚焦到钛合金样品表面，通过计算机控制系统来控制高精度六自由度移动平台，使得样品相对激光运动；在加工过程中，利用高压氮气吹屑，通过控制激光通量、加工速度、加工间距以及双脉冲延迟时间，制备出蜂窝状多孔结构。

表面涂覆：

将1h，1h，2h，2h-perfluorooctyl-triethoxysilane溶质加入无水乙醇溶剂中，搅拌均匀配制成浓度为8mg/ml～10mg/ml的溶液；将步骤五所述的具有蜂窝状多孔结构表面的钛合金样品放入溶液中处理；至少静置0.5h；干燥热处理，清洗、风干后得到表面包覆含氟物质的钛合金植入器械。

作为优选，步骤一所述的钛合金为niti钛合金；

作为优选，步骤二所述的超声波清洗仪的溶液分别为去离子水和无水乙醇溶液，清洗时间各为5min；

作为优选，步骤(3)所述的激光通量、加工速度、加工间距以及双脉冲延迟时间分别为128.36j/cm²、1400μm/s、5μm以及5ps；

有益效果

(1)本发明的一种基于电子动态调控的钛合金超疏血抗血栓抗感染的蜂窝状多孔结构表面制备方法，该方法通过把传统的飞秒激光整形为飞秒激光双脉冲，进而调控材料的局部瞬时电子状态，加工出了独特的蜂窝状多孔结构，本发明的方法适用于各种尺寸和不同形状的钛合金材料表面。利用本发明最终制备的钛合金表面针对新鲜兔血的静态接触角可达167.3°±3.2°，滚动角仅为1.6°±0.3°，因此具备优异的超疏血性能。

(2)本发明的一种基于电子动态调控的钛合金超疏血抗血栓抗感染的蜂窝状多孔结构表面制备方法，利用本发明制备的钛合金表面溶血率仅为0.1％；相比于未处理的钛合金表面，显著提高了动态凝血时间；可以显著抑制血小板的粘附与活化；具有理想的细胞活性，因此具有优异的血液相容性。

(3)本发明的一种基于电子动态调控的钛合金超疏血抗血栓抗感染的蜂窝状多孔结构表面制备方法，利用本发明制备的钛合金表面可以有效地抑制生物膜的形成，并且细菌的存活率极低，因此具有优异的抗感染能力。

(4)本发明的一种基于电子动态调控的钛合金超疏血抗血栓抗感染的蜂窝状多孔结构表面制备方法，利用本发明制备的钛合金表面具有稳定、长期有效的超疏血抗血栓抗菌性能，大大增加了钛合金的使用范围。

(5)本发明的一种基于电子动态调控的钛合金超疏血抗血栓抗感染的蜂窝状多孔结构表面制备方法，不需要真空装置等，制备方法工艺简单，操作方便，效率高，能耗少，成本低，完全克服了其他物理、化学和机械等方法容易改变材料本身的结构和性质、工艺复杂、加工成本高、可控性差等缺陷，且本发明的工艺参数容易控制，易于实现医学领域应用。

附图说明

图1为本发明实施例制备钛合金超疏血抗血栓抗感染的蜂窝状多孔结构表面的飞秒激光加工光路图；

图2为本发明实施例制备钛合金超疏血抗血栓抗感染的蜂窝状多孔结构表面的流程图；其中，(a)为清洁的钛合金表面针对新鲜兔血的静态接触角示意图；(b)为飞秒激光双脉冲技术加工出蜂窝状多孔结构表面及其针对新鲜兔血的静态接触角示意图；(c)为激光加工后的钛合金表面进行氟化处理和热处理后的蜂窝状多孔结构表面及其针对新鲜兔血的静态接触角示意图；(d)为氟化处理和热处理后的蜂窝状多孔结构表面针对新鲜兔血的滚动角示意图。

图3为本发明实施例加工出的蜂窝状多孔结构表面的微观示意图；其中(a)为飞秒激光双脉冲技术加工出蜂窝状多孔结构表面的扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscopy)图；(b)为激光加工后进行氟化处理和热处理后的蜂窝状多孔结构表面的扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscopy)图。

图4为本发明实施例中各类型表面针对新鲜兔血的静态接触角示意图；其中，(a)为洁净的镜面抛光的niti合金针对新鲜兔血的静态接触角示意图；(b)为洁净的镜面抛光的niti合金经过氟化处理和热处理后针对新鲜兔血的静态接触角示意图；(c)为飞秒激光双脉冲技术加工出蜂窝状多孔结构表面针对新鲜兔血的静态接触角示意图；(d)为激光加工后的niti合金表面进行氟化处理和热处理后针对新鲜兔血的静态接触角示意图。

图5为本发明实施例加工出的蜂窝状多孔结构表面的血小板粘附的荧光显微图像(fluorescencemicroscopyimage)；其中，(a)为洁净的镜面抛光的niti合金的血小板粘附的荧光显微图像(fluorescencemicroscopyimage)；(b)为洁净的镜面抛光的niti合金经过氟化处理和热处理后的血小板粘附的荧光显微图像(fluorescencemicroscopyimage)；(c)为飞秒激光双脉冲技术加工出蜂窝状多孔结构表面的血小板粘附的荧光显微图像(fluorescencemicroscopyimage)；(d)为激光加工后的niti合金表面进行氟化处理和热处理后的蜂窝状多孔结构表面的血小板粘附的荧光显微图像(fluorescencemicroscopyimage)。

图6为本发明实施例加工出的蜂窝状多孔结构表面的细菌粘附及活性的荧光显微图像(fluorescencemicroscopyimage)；其中，(a)为洁净的镜面抛光的niti合金的细菌粘附及活性的荧光显微图像(fluorescencemicroscopyimage)；(b)为洁净的镜面抛光的niti合金经过氟化处理和热处理后的细菌粘附及活性的荧光显微图像(fluorescencemicroscopyimage)；(c)为飞秒激光双脉冲技术加工出蜂窝状多孔结构表面的细菌粘附及活性的荧光显微图像(fluorescencemicroscopyimage)；(d)为激光加工后的niti合金表面进行氟化处理和热处理后的蜂窝状多孔结构表面的细菌粘附及活性的荧光显微图像(fluorescencemicroscopyimage)。

其中，1-飞秒激光器；2-半波片；3-衰减片；4-第一分束镜；5-反射镜；501-第一反射镜；502-第二反射镜；6-光快门；7-双色镜；8-物镜；9-待加工样品；10-六自由度平台；11-第二分束镜；12-光源；13-电荷耦合元件(ccd)；14-计算机控制系统。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，以下结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步的详细介绍。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均采用常规方法。

本发明所述的一种基于电子动态调控的钛合金超疏血抗血栓抗感染的蜂窝状多孔结构表面制备方法，参考自然界蜂巢形状作为基础，在niti合金表面上模仿蜂巢细微结构的分布特征，利用电子动态调控结合飞秒激光双脉冲技术设计并加工出了蜂窝状多孔的微纳复合结构表面。

实施例1

本实施例的一种基于电子动态调控的钛合金超疏血抗血栓抗感染的蜂窝状多孔结构表面制备方法，包括以下具体步骤：

步骤一，将niti合金进行光学级抛光得到镜面抛光后的镍钛合金(p-niti)样品，表面粗糙度小于5埃；

步骤二，将步骤一所述的镜面抛光后的钛合金样品利用超声波清洗仪清洗，超声波清洗仪超声频率为40khz，分别用去离子水和无水乙醇溶液淹没样品表面，在室温下，分别清洗5min；

步骤三，将步骤二所述的清洗的钛合金样品冷风吹干，得到洁净的钛合金样品；

步骤四，搭建如图1双脉冲飞秒激光加工系统；

步骤五，利用步骤四所述的飞秒激光双脉冲加工系统，调节好相关激光参数后，在步骤三所述的洁净钛合金样品表面上制备如图3(a)所示的大面积、一致性的蜂窝状多孔结构；

步骤六，将0.24mg1h，1h，2h，2h-全氟辛基三乙氧基硅烷(1h，1h，2h，2h-perfluorooctyl-triethoxysilane)溶质加入3ml无水乙醇溶剂中，在27℃下利用磁力搅拌15min使得溶质充分溶解；

步骤七，将步骤五所述的具有蜂窝状多孔结构表面的钛合金样品放入步骤六所述的溶液中处理1h；

步骤八，将步骤七所述的处理后的钛合金样品放入马沸炉在150℃下进行1h的热处理。当然，本实施例中进行的热处理是在马沸炉中进行，本领域的人员知道，不限于马沸炉，也可以放入其它便于操控的高温容器内加热。

步骤九，将步骤八所述的热处理后的钛合金样品利用超声波清洗仪清洗，超声波清洗仪超声频率为40khz，分别用去离子水和无水乙醇溶液淹没样品表面，在室温下，分别清洗5min；

步骤九，将步骤八所述的清洗的钛合金样品冷风吹干，得到如图3(b)所示的钛合金超疏血抗血栓抗感染的蜂窝状多孔结构表面。

其中，所述的双脉冲飞秒激光加工系统如图1所示，包括光源系统、计算机控制系统14以及高精度六自由度平移台10。光源系统是由飞秒激光器l、半波片2、衰减片3、迈克尔逊干涉仪、反射镜5、光决门6、双色镜7、第二分束镜11、物镜8、电荷耦合元件(ccd)13以及照明灯12等组成；所述迈克尔逊干涉仪是由第一分束镜4，第一反射镜501和第二反射镜502组成。飞秒激光器1产生的单脉冲飞秒脉冲激光，经过半波片2，衰减片3后第一次到达迈克尔逊干涉仪，经过迈克尔逊干涉仪的第一分束镜4，一束激光被分为两束激光，分别经过第一反射镜501和第二反射镜502反射回来，两束激光第二次到达迈克尔逊干涉仪后进行合束，产生具有一定脉冲延时的双脉冲飞秒激光，脉冲延迟时间可以通过计算机控制系统14控制第二反射镜502相对于第一分束镜4的距离来精确调节。经过迈克尔逊干涉仪产生的双脉冲飞秒激光经过双色镜7，物镜8聚焦到待加工物品9表面。其中，双色镜7的作用是反射800nm波长的飞秒激光，透过照明灯12发出的可见光。照明灯12发出的光经过第二分束镜11、双色镜7以及物镜8后照射到待加工物品9的表面，经过待加工物品9的反射，将待加工物品9的像呈现在电荷耦合元件(ccd)13上，经过计算机控制系统14的处理，可以将电荷耦合元件(ccd)13中的像呈现在计算机屏幕上。衰减片3的作用是调节激光通量的大小。半波片2的作用是调节激光偏振方向。光快门6可以通过计算机控制系统14控制其打开和关闭。计算机控制系统14是用来控制六自由度平台10的运动，光快门6的开关以及第二反射镜502相对第一分束镜4的距离。高精度六自由度平移台10是用来精确定位待加工物品，使得待加工物品相对激光运动，本实施例中，待加工物品在x和y方向的增量运动精度为lμm，z方向的增量运动精度为0.5μm，较高的精度可以获得更好的加工质量。因此，本领域人员知道，采用不同的高精度六自由度平移台，在不同的增量运动精度下加工出的基底，仍然属于本发明专利保护的范围。

其中，步骤五所述的利用飞秒激光双脉冲加工系统在洁净钛合金样品表面上制备如图3(a)所示的大面积、一致性的蜂窝状多孔结构，包括如下步骤：

1)将洁净的钛合金样品固定在载玻片上，将玻璃片固定到高精度六自由度平移台10上；

2)如图1所示，通过迈克尔逊干涉仪，把传统的飞秒激光在时域上调制为飞秒激光双脉冲，利用一个5倍物镜8，调整半波片的角度为0°，将线偏振的双脉冲飞秒激光垂直聚焦到待交工物品9表面进行加工。本实施例飞秒激光的波长为800nm，脉冲持续时间为35fs，重复频率为1khz，双脉冲的激光通量为128.36j/cm²；通过计算机控制系统14来控制高精度六自由度平移台10，使得待加工物品9相对激光运动，本实施例平移台的运动速度为1400μm/s，间距为5μm，脉冲延时为5ps；利用高压氮气来吹屑，以加工出大面积、一致性的蜂窝状多孔结构。

其中，步骤七所述的将具有蜂窝状多孔结构表面的钛合金样品放入步骤六所述的溶液中处理1h，溶液可以盛放在塑料或者玻璃烧杯中。任何应用此种方法，在不同盛放容器中做表面处理，都属于本专利保护的范围。

其中，步骤八所述将在溶液中处理后的钛合金样品放入马沸炉进行热处理时，升温速率为20℃每分钟，升温到150℃后保温1h。热处理的温度及保温时间会影响钛合金样品表面的干燥速率从而影响表面性能。因此，根据金属材料的不同以及目标基底要求的不同，加热温度和保温时间亦会有不同的设定，对于应用此种方法，通过不同加热温度和保温时间而获得的超疏血基底，仍然属于本专利的保护范围。

如图2所示为本发明的实施例的加工过程示意图。将(a)所示的洁净的钛合金通过(b)所示的飞秒激光双脉冲技术加工，在经过(c)所示的氟化处理和热处理后，即可得到针对新鲜兔血静态接触角为167.3°，滚动角为1.6°的超疏血抗血栓抗感染的蜂窝状多孔结构表面。

如图3所示为本发明实施例加工出的蜂窝状多孔结构表面的微观示意图。从图上可以看出，所述表面具有均匀排布的微米级的蜂窝状多孔结构和纳米级的颗粒团簇状结构，孔径为28±2.8μm，并且通过氟化处理和热处理后的表面结构没有发生改变。

如图4所示为本发明实施例中各类型表面针对新鲜兔血的静态接触角示意图。从图上可以看出，洁净的镜面抛光的niti合金针对新鲜兔血的静态接触角55.1°±2.3°；洁净的镜面抛光的niti合金经过氟化处理和热处理后针对新鲜兔血的静态接触角为76.0°±4.1°；飞秒激光双脉冲技术加工出蜂窝状多孔结构表面针对新鲜兔血的静态接触角为143.4°±2.6°；激光加工后的niti合金表面进行氟化处理和热处理后针对新鲜兔血的静态接触角为167.3°±3.2°。静态接触角得到了大幅度的提升，也就是说，最终加工出来的niti合金表面为超疏血表面。

如图5示为本发明实施例加工出的蜂窝状多孔结构表面的细菌粘附及活性的荧光显微图像(fluorescencemicroscopyimage)。从图中可以看出，(a)和(b)表面上粘附了大量的血小板并且聚集成堆，其覆盖面积分别为96.2％和92.1％，具有形成血栓的风险。而(c)表面上血小板粘附的数量大幅度减少，其覆盖面积为19.5％，明显少于以上两种表面并且没有聚集现象。令人惊讶的是，(d)表面上几乎没有血小板的粘附，覆盖面积仅为4.2％，远远少于其他样品表面。也就是说，最终加工出来的niti合金表面具有优异的抗血栓形成特性。

图6所示为本发明实施例加工出的蜂窝状多孔结构表面的细菌粘附及活性的荧光显微图像(fluorescencemicroscopyimage)。从图上可以看出，(a)表面上活细菌(绿色)覆盖面积为66.3％，死细菌(红色)覆盖面积为30.1％；(b)表面上活细菌(绿色)覆盖面积为62.1％，死细菌(红色)覆盖面积为47.2％。这两种表面黏附大量细菌而形成生物膜(蘑菇状)。但是(b)表面的死细菌明显多于(a)表面，可以看出含氟表面具有较强的杀菌功能。(c)表面上活细菌(绿色)覆盖面积为9.2％，细菌(红色)覆盖面积为5.2％，表面粘附的细菌明显少于(a)和(b)，只形成了少量的生物膜。(d)表面上活细菌(绿色)覆盖面积为2.5％，死细菌(红色)覆盖面积为8.1％，表面几乎没有活细菌粘附，少量粘附的基本都是死细菌，没有生物膜的形成。也就是说，最终加工出来的niti合金表面具有优异的抗细菌感染特性。

另外，本发明实施例中提供的实例，制备出来的钛合金超疏血抗血栓抗感染的蜂窝状多孔结构表面，经过两个月后进行测试，依然具有稳定的超疏血抗血栓抗感染的性能。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。