皮秒激光制备钛表面微织构的润湿性调控与体外成骨性能研究

针对钛植入体表面生物活性不足的问题，研究人员通过皮秒激光(ps laser)可控构建微孔(micro-pore)、微凸起(micro-protrusion)和微槽(micro-groove)结构，发现微凸起阵列的碱性磷酸酶(ALP)活性较对照组提升21%，其超亲水性和高氧含量特性为复杂曲面植入体改性提供了新方案。

　　

钛及其合金因优异的力学性能和生物相容性成为骨科植入物的首选材料，但"惰性表面"特性导致其缺乏抗菌能力和骨整合活性。传统表面改性方法如喷砂酸蚀(SLA)、磁控溅射等存在加工污染、区域选择性差等瓶颈。如何实现植入体表面精准功能化调控，成为提升临床疗效的关键科学问题。

山东大学等机构的研究团队创新性采用皮秒激光加工技术，通过调控激光偏振方向与热动力学效应，在钛表面构建了三种特征性微结构。研究发现：当脉冲数(N)为100和500时，钛的烧蚀阈值(φ_th)分别为3.23 J·cm^?2和2.36 J·cm^?2；沿激光偏振方向加工的微结构因电子振荡增强呈现更优形貌质量；微凸起阵列因大烧蚀面积和高氧含量特性，使ALP活性显著提升21%。该成果发表于《Optics》，为复杂植入体表面改性提供了新范式。

关键技术包括：1) 皮秒激光参数优化系统（脉冲能量2.36-3.23 J·cm^?2，偏振控制）；2) 超亲水性时效测试（0.9% NaCl溶液浸泡90天）；3) 体外成骨性能评估（ALP活性检测）。实验采用TA1纯钛（直径10mm，厚度1mm）经线切割和金刚石粉抛光制备基底。

【主要结果】

1. 样品制备与激光加工：通过单点烧蚀实验证实，能量密度与烧蚀直径呈正相关，脉冲数增加会降低烧蚀阈值。

2. 激光参数对表面结构的影响：热积累效应促进光吸收效率，微孔直径随能量密度增加而增大，最高可达92.14μm。

3. 微织构形成机制：熔区对流(Marangoni效应)和等离子体屏蔽效应共同决定微凸起形貌，偏振方向加工可减少飞溅缺陷。

4. 加工路径对图案的影响：交错扫描策略使微槽深度均匀性提升40%，线间距优化可控制表面粗糙度在0.5-2μm范围。

5. 润湿性与体外成骨性能：所有激光织构表面均呈现即时超亲水性（接触角<5°），且在生理盐水中保持90天；微凸起组细胞外钙沉积量较对照组增加35%。

研究结论表明，皮秒激光加工的微织构通过物理形貌和化学组分双重调控，实现了钛表面长效超亲水性和成骨活性提升。特别是微凸起阵列独特的拓扑结构，为细胞粘附提供了更多锚定位点，其表面氧化层增厚促进了钙磷沉积。该技术突破了传统改性方法的选择性限制，对个性化植入体开发具有重要指导意义。讨论部分指出，未来可进一步研究微纳复合结构对细菌/细胞竞争性生长的调控机制，以及激光参数与骨整合速率的量效关系。