飞秒激光与生物镁合金材料的交互作用机制及生物相容性研究

Due to similar density and good biocompatibility with bones, magnesium alloys are very promising candidates for various kinds of interventional micro/nano medical devices. However, their special physical and chemical properties, such as the low melting point, high thermal conductivity and large thermal expansion coefficient, may lead to adverse effects during any thermal process. Because of extremely short pulse-width and high transient peak power, femtosecond (fs) laser significantly decreases the heat-affected-zone which can enhance the precision and quality of the machined parts. However, the physical mechanism during the manufacturing process for fs laser is also differ from the long-pulsed laser. Hence, in this study the Two-Temperature model and Molecular Dynamics model, combining with the theory of quantum mechanics, will be employed to develop a multi-scale quantum model for studying the interaction mechanism between fs laser and biomedical magnesium alloys. The temperature and time evolution laws and the relaxation process will be simulated among photons, electrons, and phonons. The laser energy absorption mechanism and the heat transfer mechanism will be revealed from the atom and electronic level. The heating effect, oxidation characteristics, ablation morphology, and microstructures and their formation mechanism will be analyzed. The biocompatibility and degradation mechanism of the micro-machined surface on biomedical magnesium alloys will be investigated in the simulated body fluid. The research results will be beneficial to the development of fs laser manufacturing and provide theoretical and technical supports for magnesium alloy applications in the field of biology.

基于与人骨密度相近和良好生物相容性，镁合金将有望作为生物材料用于制备各种医用介入性微纳器件，但因熔点低、导热快、热膨胀系数大等特点使得其热加工性能较差。飞秒激光脉宽极窄、瞬时峰值功率极高的特点大大减弱了热效应带来的负面影响，在精密微加工领域成为制造的佼佼者。而飞秒激光极端的加工条件使得其制造过程的物理机制也不同于长脉冲激光。因此，本申请拟采用双温模型的分子动力学方法，结合量子力学理论，建立飞秒激光与生物镁合金材料相互作用的多尺度量子模型，模拟光子-电子-等离子-晶格之间的相互作用过程，从原子、电子层面揭示激光能量吸收机理和传热机制；研究飞秒激光微细加工过程中的热效应、氧化特征、烧蚀形貌、微观结构及形成机制；研究生物镁合金微细加工表面在模拟体液环境下的生物相容性及其降解机理。本项目的研究将促进飞秒激光微纳制造理论的发展，为拓展镁合金材料在生物领域（如血管支架）的应用提供科学理论和技术支持。

飞秒激光诱导微/纳米结构是材料表面制备特殊性能的重要方法，在光电子、微电子、生物领域等有重要应用前景。本项目以镁基材料为研究对象，以飞秒激光为加工手段，研究了两者的作用机理、表面微纳结构形貌的演变、形成机制以及对其性能的影响规律。重要结果如下：.飞秒激光与材料作用过程中，部分能量被反射，部分能量沉积在材料表层，以光子形式被表层的平衡态电子吸收，使得表层电子被激发，在100 fs 时间内通过相互碰撞振荡达到费米分布，使电子热化。之后，高能量的电子与声子发生碰撞，电子的能量传输给声子，并在十几个皮秒内将热量传递给晶格，使晶格温度升高。因镁特殊的物理性能，会引发熔化、气化、蒸发、相爆炸等现象，这个过程在几十皮秒到几个纳秒之间进行。最终，表面的去除伴随着材料的冷却再结晶形成了不同的微纳结构形貌。.通过调控飞秒激光的能量密度和扫描速度，在镁基生物材料表面成功制备了Fs-irradiated和Fs-inscribed两种形貌。Fs-irradiated包括纳米级FLIPSS波纹结构，颗粒结构和孔洞结构；Fs-inscribed以沟槽结构为主。前者主要决定烧蚀形貌的种类，后者主要影响烧蚀形貌的尺寸。.在可见光范围内，通过测试微纳结构表面光反射率表征吸光性能的好坏。结果表明，FLIPSS波纹结构降低了镁表面的光吸收率；而颗粒结构、孔洞结构和沟槽结构吸光性很好。沟槽结构的光吸收率最高可达93％，相比母材提高了43.1％。颗粒结构和孔洞结构表面的光吸收率集中在85％～90％范围内。.接触角测量试验结果表明，飞秒激光烧蚀后形成的纳米级FLIPSS波纹结构、颗粒结构和孔洞结构表面均呈现疏水性，接触角最大可达135°，但因镁合金表面活性高，疏水状态并不稳定；而沟槽结构表面呈现亲水性，接触角约为20°。.采用Live/dead染色的方法来观察小鼠成骨细胞在微纳结构表面的存活状态，对培养24h后的细胞形态进行了观察。结果表明，表面微纳结构能够有效改善材料表面引发的细胞毒性反应和细胞的铺展状态。.本项目的研究将促进飞秒激光微纳制造理论的发展，为拓展镁基材料的应用提供理论支持和技术支持。

内容获取失败，请点击重试