一種生物陶瓷表面浸潤性雙向自由調控的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及生物醫學領域，尤其涉及一種生物陶瓷表面浸潤性雙向自由調控的方法。
【背景技術】
[0002]生物陶瓷具有較好的硬度和彎曲強度以及優良的生物學性能，在口腔醫學，移植假體等領域的應用倍受青睞。牙科臨床應用中發現氧化鋯陶瓷因表面不含氧化硅及其穩定的化學性質，使其與飾面材料不能有效結合，加之粘結面的水解作用造成氧化鋯與樹脂的粘結成為粘結體系中最薄弱的一環。在口腔這個潮濕復雜的生物環境中，如果氧化鋯陶瓷表面對水是非親和的，即具有疏水特性，則有利于對抗粘結界面的水解作用。此外，表面疏水性的提高也非常有利于排斥受感染的體液以及口腔細菌的粘附。而另一方面，生物陶瓷材料在實際臨床應用前需對材料的生物相容性進行檢測，其中細胞粘附性是考察材料生物相容性的內容之一。生物材料表面親水性越強，對細胞的粘附性亦越強，細胞的附著生長和分化也越容易。因此，從生物陶瓷的應用角度而言，針對不同應用需求有目的地調控其表面的浸潤性，實現親水性與疏水性之間的自由雙向可轉換性具有非常重要的醫學及生物學實用價值。
[0003]目前調控固體表面浸潤性的方法主要分為兩類，一類是通過改變材料表面的化學特性，如增加功能涂層來改善其浸潤性;另一類則是通過噴砂、酸蝕等方法，改變材料表面微觀形貌來改變其浸潤性。增加涂層的方法時效性不長，而酸蝕適用于含硅酸鹽類的陶瓷，噴砂方法則易導致陶瓷表面出現微裂隙。
【發明內容】
[0004]針對上述問題中存在的不足之處，本發明公開了一種生物陶瓷表面浸潤性雙向自由調控的方法。
[0005]為實現上述目的，本發明提供一種生物陶瓷表面浸潤性雙向自由調控的方法，包括:
[0006]步驟一、根據浸潤性Wenze I模型和Cassie模型對生物陶瓷結構特征值進行理論計算，確定獲得生物陶瓷親水性或疏水性表面的基本特征；
[0007]步驟二、依據生物陶瓷親水性或疏水性表面的基本特征設計生物陶瓷的微結構模型;所述微結構模型包括弧形槽微結構和柱狀微結構，設計弧形槽微結構為陶瓷親水性表面特征，設計柱狀微結構為陶瓷疏水性表面特征；
[0008]步驟三、選擇重頻小于IMHz，脈寬在10-15ps的短波長皮秒激光作為激光源；
[0009]步驟四、利用激光源對弧形槽微結構和柱狀微結構的表面特征進行激光調控制造。
[0010]作為本發明的進一步改進，所述步驟一中，生物陶瓷親水性或疏水性表面的基本特征包括:在單元結構深度不大于20μπι的前期下，實際固-液接觸面積與表觀固-液接觸面積之比越大，其材料的親水性越強；當實際固體接觸面積與空氣和固體的混合接觸面積之比越小時，材料的疏水性則越強，且疏水性不受單元結構深度限制。
[0011]作為本發明的進一步改進，所述步驟二中，弧形槽微結構的表面特征包括弧形槽深度、相鄰弧形槽的間隔和弧形槽的槽寬，所述弧形槽深度出< 20μπι，相鄰弧形槽的間隔匕> 22μηι，弧形槽的槽寬ai > 18μηι。
[0012]作為本發明的進一步改進，所述步驟二中，柱狀微結構由多個截面為正方形的立柱組成，柱狀微結構的表面特征包括相鄰立柱的間隔和立柱的正方形截面的邊長，所述相鄰立柱的間隔b22 22ym，立柱的正方形截面的邊長a2>15ym。
[0013]作為本發明的進一步改進，所述步驟三中，激光源的波長為300-400nm。
[0014]作為本發明的進一步改進，所述步驟四包括:利用激光源并采用離焦擴大光斑直徑的方法對弧形槽微結構和柱狀微結構進行掃描，獲得步驟二中設計的弧形槽微結構和柱狀微結構的表面特征。
[0015]作為本發明的進一步改進，所述激光源的激光功率范圍為2-9W，掃描速度為150?250mm/so
[0016]作為本發明的進一步改進，所述弧形槽微結構上獲得親水性的特征掃描次數小于3次。
[0017]作為本發明的進一步改進，依據步驟一?步驟四調控制造的生物陶瓷，其表面的接觸角可由超親水性10°至疏水表面125°之間的自由轉換。
[0018]與現有技術相比，本發明的有益效果為:
[0019]本發明公開的一種生物陶瓷表面浸潤性雙向自由調控的方法，依據所述調控方法可實現生物陶瓷材料表面浸潤性的雙向自由調控，材料表面接觸角可實現由超親水性10°到疏水性125°之間的自由轉換；
[0020]本發明具有高精確的制備可控性，針對所需的特定浸潤性表面，可通過結構模型設計及激光工藝的調整精確實現材料表面接觸角的可控;亦可實現一種材料在不同區域的具有不同浸潤效果；
[0021 ]本發明對生物陶瓷材料表面浸潤性的調控可不受面積限制，易于實現大面積材料表面浸潤性的實現，該方法易操作，制造成本低，無需其他輔助材料;對生物陶瓷材料表面浸潤性的調控不會破壞材料的基本物相性質，安全可靠，適用材料范圍廣。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明一種實施例公開的生物陶瓷表面浸潤性雙向自由調控方法的流程圖；
[0023]圖2為本發明一種實施例公開的ZrO2生物陶瓷材料的本征接觸角測量結果圖；
[0024]圖3為本發明一種實施例公開的ZrO2生物陶瓷材料的超親水性接觸角測量結果圖；
[0025]圖4為本發明一種實施例公開的ZrO2生物陶瓷材料的疏水性接觸角測量結果圖；
[0026]圖5為本發明一種實施例公開的ZrO2生物陶瓷微結構內部和材料本征拉曼對比圖。
【具體實施方式】
[0027]為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。
[0028]如圖1所示，本發明公開了一種生物陶瓷表面浸潤性雙向自由調控的方法，該方法是以材料本征接觸角及浸潤性模型為理論基礎，利用超短波長皮秒激光高精密加工的特點，進行陶瓷表面微結構的可控制備;通過改變微結構的結構特征值實現生物陶瓷表面浸潤性雙向自由可控轉換，增加生物陶瓷材料在生物醫學領域的應用。該方法包括:
[0029]SlOl、根據浸潤性Wenzel模型和Cassie模型對生物陶瓷結構特征值進行理論計算，確定獲得生物陶瓷親水性或疏水性表面的基本特征;其基本特征為生物陶瓷表面親水性和疏水性的變化趨勢和決定因素，具體包括:在單元結構深度不大于20μπι的前期下(當單元結構深度大于20μπι時，其材料為全部親水，不能實現親水性到疏水性之間的轉變)，實際固-液接觸面積與表觀固-液接觸面積之比越大，其材料的親水性越強；當實際固體接觸面積與空氣和固體所有的混合接觸面積之比越小時，材料的疏水性則越強，且疏水性不受單元結構深度限制。
[0030]S102、根據理論計算獲得生物陶瓷親水性或疏水性表面的基本特征設計生物陶瓷的微結構模型。微結構模型包括弧形槽微結構和柱狀微結構，設計弧形槽微結構為陶瓷親水性表面特征，并通過弧行槽曲率的變化改變單位面積內固-液接觸面積，獲得親水性的調控目的;弧形槽微結構的表面特征包括弧形槽曲率、弧形槽深度、相鄰弧形槽的間隔和弧形槽的槽寬，弧形槽曲率為平板至半圓形之間，弧形槽深度20μπι，相鄰弧形槽的間隔h 222μπι，弧形槽的槽寬ai > 18μπι。設計柱狀微結構為陶瓷疏水性表面特征;柱狀微結構由多個截面為正方形的立柱組成，柱狀微結構的表面特征包括相鄰立柱的間隔和立柱的正方形截面的邊長，相鄰立柱的間隔b22 22ym，立柱的正方形截面的邊長a2>15ym。通過改變柱狀結構的間隔匕和邊長&2的特征值，獲得疏水性的調控目的。
[0031]S103、根據該方法對微結構尺寸和表面精度的精細要求以及制造效率的要求，確定重頻小于IMHz，脈寬在10-15ps的短波長皮秒激光作為激光源，激光源的波長范圍選定在300-400nm;，激光器的的選擇必須為超短高頻脈沖激光，以保證微結構的尺寸精度，該技術方法適用材料范圍廣，安全可靠。
[0032]S104、根據所設計的不同微結構結構特征利用激光源對弧形槽微結構和柱狀微結構的表面特征進行激光調控制造。激光功率