激光调控改善TC4合金细胞粘附性的方法及TC4合金

本发明涉及增材制造材料工艺，具体涉及激光调控改善tc4合金细胞粘附性的方法及tc4合金。

背景技术：

1、tc4钛合金因其优异的力学性能、良好的生物相容性以及与人体骨相近的弹性模量，被广泛用作骨植入体材料。激光粉末床熔融（lpbf）增材制造技术能够一体化成形复杂结构的骨植入体，具有极高的临床应用价值。然而，tc4合金在lpbf成形后，其表面易形成致密的tio2氧化层，该氧化层会抑制细胞在植入体表面的粘附与增殖，影响骨整合效果。此外，致密tc4合金的弹性模量（约110-120gpa）仍显著高于人体皮质骨（约10-30gpa），植入后易产生“应力屏蔽”效应，导致骨吸收和植入体松动失效。

2、相关技术中，为改善tc4植入体的细胞粘附性能，通常采用后处理方法（如纳秒激光加工、阳极氧化、电化学腐蚀等）在材料表面构建微纳结构，但这些方法需要对植入体进行二次加工，工序复杂且成本高昂。在lpbf工艺参数优化方面，现有研究多聚焦于追求极限致密度和力学性能，通过优化激光功率、扫描速度、扫描间距等参数来消除内部孔隙，以获得高强度的致密tc4合金。然而，这种“完美”致密的tc4表面过于光滑，缺乏有利于细胞锚定的微拓扑结构，且过高的弹性模量加剧了应力屏蔽风险。

3、因此，亟需一种能够在保证力学性能满足骨植入体要求的同时，主动改善表面细胞粘附性能并降低弹性模量的tc4合金制备方法，以解决现有技术中tc4植入体表面细胞粘附性差和应力屏蔽风险高的技术问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种激光调控改善tc4合金细胞粘附性的方法及tc4合金，所述激光调控改善tc4合金细胞粘附性的方法实现了在保证tc4合金力学性能满足骨植入体要求的前提下，主动引入烧蚀孔隙以大幅降低弹性模量并显著改善细胞粘附性能，从而有效避免应力屏蔽现象。

2、为了解决上述问题，本发明第一方面公开了一种激光调控改善tc4合金细胞粘附性的方法，包括如下步骤：

3、s1，分别以激光功率、激光扫描速度、激光扫描间距为单因素变量，设置多个不同的激光加工参数组；

4、s2，采用所述激光加工参数组，通过激光粉末床熔融增材制造技术制备tc4钛合金成型件；

5、s3，从制备的成型件中筛选出至少三种具有不同孔隙类型的样品，所述三种样品包括激光能量密度过低产生的未熔融孔隙样品、激光能量密度过高产生的烧蚀孔隙样品以及激光能量密度适中的致密样品；

6、s4，对筛选出的样品进行细胞粘附性实验，获得具有细胞粘附性能的tc4钛合金。

7、进一步地，所述步骤s1中，激光功率的取值范围为60w～360w，或激光扫描速度的取值范围为400mm/s～2400mm/s，或激光扫描间距的取值范围为2μm～12μm。

8、进一步地，所述步骤s3中，未熔融孔隙样品的激光加工参数为激光功率60w、扫描速度400mm/s、扫描间距6μm；烧蚀孔隙样品的激光加工参数为激光功率140w、扫描速度400mm/s、扫描间距6μm；致密样品的激光加工参数为激光功率140w、扫描速度800mm/s、扫描间距6μm。

9、进一步地，所述步骤s4中获得的具有细胞粘附性能的tc4钛合金的激光加工参数为激光功率140w、扫描速度400mm/s、扫描间距6μm。

10、进一步地，所述具有细胞粘附性能的tc4钛合金的弹性模量为75.9gpa。

11、进一步地，细胞沿所述烧蚀孔隙样品的孔隙四周紧密粘附。

12、进一步地，所述步骤s2中激光粉末床熔融增材制造技术的工艺参数包括：粉末层厚0.02mm，成型室内充入氩气保护，氧含量控制在1000ppm以下。

13、进一步地，所述步骤s3中通过表面微观形貌表征筛选样品，筛选依据为激光能量密度过大产生的烧蚀孔隙或能量密度过小产生的未熔融孔隙。

14、进一步地，所述步骤s4中的细胞粘附性实验采用小鼠成骨前细胞mc3t3-e1，通过荧光染色和扫描电镜观察细胞在样品表面的粘附形态。

15、本发明第二方面还公开了一种tc4合金，采用激光调控改善tc4合金细胞粘附性的方法制备而成，所述tc4合金的表面具有烧蚀孔隙。

16、与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

17、本发明通过以激光功率、激光扫描速度、激光扫描间距为单因素变量，系统设置多组激光加工参数，采用激光粉末床熔融增材制造技术制备tc4钛合金成型件，并从中筛选出具有未熔融孔隙、烧蚀孔隙和致密三种不同孔隙类型的样品，确立了通过调控激光加工参数主动引入孔隙来改善细胞粘附性的技术路径。其中，具有烧蚀孔隙的样品表面细胞粘附性能大幅提升，为有效改善金属假体材料细胞粘附性能提供了新的思路。

18、本发明优化得到的激光加工参数制备出的tc4钛合金，在极限抗拉强度与极限抗压强度下降较少的前提下，弹性模量较致密tc4合金大幅降低，能够有效避免骨植入体因模量过高而产生的应力屏蔽现象，同时保持良好的力学性能，满足骨植入体的应用要求。

19、本发明优化得到的tc4合金对细胞无毒性，且表现出优异的细胞粘附性。细胞沿材料表面的烧蚀孔隙四周紧密粘附，细胞生长状态良好，具有丝状伪足，证明通过激光加工参数调控主动引入孔隙的方法能够有效改善金属假体材料的细胞粘附性能。

1.激光调控改善tc4合金细胞粘附性的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的激光调控改善tc4合金细胞粘附性的方法，其特征在于，所述步骤s1中，激光功率的取值范围为60w～360w，或激光扫描速度的取值范围为400mm/s～2400mm/s，或激光扫描间距的取值范围为2μm～12μm。

3.根据权利要求2所述的激光调控改善tc4合金细胞粘附性的方法，其特征在于，所述步骤s3中，未熔融孔隙样品的激光加工参数为激光功率60w、扫描速度400mm/s、扫描间距6μm；烧蚀孔隙样品的激光加工参数为激光功率140w、扫描速度400mm/s、扫描间距6μm；致密样品的激光加工参数为激光功率140w、扫描速度800mm/s、扫描间距6μm。

4.根据权利要求3所述的激光调控改善tc4合金细胞粘附性的方法，其特征在于，所述步骤s4中获得的具有细胞粘附性能的tc4钛合金的激光加工参数为激光功率140w、扫描速度400mm/s、扫描间距6μm。

5.根据权利要求4所述的激光调控改善tc4合金细胞粘附性的方法，其特征在于，所述具有细胞粘附性能的tc4钛合金的弹性模量为75.9gpa。

6.根据权利要求4所述的激光调控改善tc4合金细胞粘附性的方法，其特征在于，细胞沿所述烧蚀孔隙样品的孔隙四周紧密粘附。

7.根据权利要求1所述的激光调控改善tc4合金细胞粘附性的方法，其特征在于，所述步骤s2中激光粉末床熔融增材制造技术的工艺参数包括：粉末层厚0.02mm，成型室内充入氩气保护，氧含量控制在1000ppm以下。

8.根据权利要求1所述的激光调控改善tc4合金细胞粘附性的方法，其特征在于，所述步骤s3中通过表面微观形貌表征筛选样品，筛选依据为激光能量密度过大产生的烧蚀孔隙或能量密度过小产生的未熔融孔隙。

9.根据权利要求1所述的激光调控改善tc4合金细胞粘附性的方法，其特征在于，所述步骤s4中的细胞粘附性实验采用小鼠成骨前细胞mc3t3-e1，通过荧光染色和扫描电镜观察细胞在样品表面的粘附形态。

10.一种tc4合金，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项所述的激光调控改善tc4合金细胞粘附性的方法制备而成，所述tc4合金的表面具有烧蚀孔隙。