NiTi形状记忆合金表面超快激光诱导微/纳双尺度复合结构及其对生物摩擦性能的调控机理

To solve the clinical problem of poor osseointegration ability of NiTi shape memory alloy (SMA) implants, methods of the fabrication of micro/nano dual scale hybrid structure induced directly by ultrafast laser on the surface of NiTi SMA alloy, bionic design of micro-nano synergistic interaction, and biological evaluation of the performance of osseointegration, are proposed. The main contents of this project include: (1) To reveal the internal rules of the action between process parameters of the ultrafast laser and the micro/nano morphology and scale characteristics of the surface, and obtain the optimized process parameters. (2) To seek the relationship between micro/nano dual scale hybrid structure and various biological properties of the surface of NiTi alloy, and improve osseointegration ability and reliability of implants. (3)Using dental implants as the subject, the mechanism of micro/nano dual scale hybrid structure on fretting corrosion will be studied by means of fretting tribology, electrochemical corrosion and biomedicine. The interaction mechanism between fretting wear and biological corrosion will be revealed, and inflammatory effects of debris on human tissue will be investigated. Contents of this project reflect the deep cross between ultrafast laser micromachining and biomedical science. The achievements of this study can not only enrich the biotribological theory, guide clinical application of dental implants and improve the service life and reliability of the implant, but also provide technical basis for the application of ultrafast laser micro/nano processing in biomedicine field.

针对NiTi形状记忆合金种植体骨整合性能差的难题，本项目提出了利用超快激光在NiTi合金表面直接诱导加工微/纳双尺度复合结构、微纳协同作用的仿生设计和骨整合性能的生物学综合评价的解决方案。主要研究内容包括：（1）揭示超快激光工艺参数与表面微纳形貌和尺度特征间内在的作用规律，优化工艺参数。（2）寻求NiTi合金表面微/纳双尺度复合结构与各种生物学性能间的对应关系，提高种植体骨整合能力和植入可靠性。（3）以牙种植体为研究对象，运用微动摩擦学、电化学腐蚀和生物医学等研究手段，探讨微/纳双尺度复合结构对微动腐蚀的调控机制，揭示微动磨损与生物腐蚀间的交互作用机理，考察磨屑对人体组织产生的炎症反应。研究内容反映了超快激光微加工和生物医学的深度交叉，研究成果不仅可以丰富生物摩擦学理论，指导牙种植体的临床应用，提高种植体服役寿命和可靠性，而且还可以为超快激光微纳加工在生物医学领域中的应用提供技术基础。

项目基于微—纳协同作用的仿生设计理念，提出了利用超快激光在NiTi形状记忆合金表面直接诱导加工微/纳双尺度复合结构的解决方案，实现了植入材料的力学性能、物理化学性能和骨整合性能间的生理适配的目标。围绕NiTi形状记忆合金表面超快激光诱导微/纳双尺度复合结构及其生物摩擦学性能涉及的应用基础科学问题，取得的主要研究结论和成果如下：1）项目利用超快激光成功地在NiTi合金表面制备了5种微/纳复合结构，优化了激光功率、扫描速度、扫描方式、扫描间距等关键工艺参数，为推动NiTi合金的激光表面改性技术提供基础支持；2）阐明了激光加工后NiTi合金表面熔凝层及氧化物层的成分、厚度和组织结构与生物学特性、表面润湿性等之间的作用关系，揭示了NiTi合金表面氧化的热力学条件和动力学机制；3）搭建了模拟人体环境的微动磨损装置，结合实验研究、理论分析和模拟仿真，建立了腐蚀条件下微动磨损模型，为后续的研究提供了实验平台，降低了实验成本；4）发现了“力学和生物学”双重因素共同作用下的“摩擦－腐蚀”交互作用机理，建立了基于人体环境下的微动腐蚀损伤模型，实现磨屑生物反应预测，为NiTi形状记忆合金临床应用提供科学依据。培养硕士研究生5名；参加国内学术会议5次；在国内外学术期刊上发表论文12篇，其中：SCI检索9篇，待检索1篇（SCI源刊已录用）；EI收录1篇；申请国家发明专利15项，其中授权7项；转化专利成果1项；获江苏省科学技术奖二等奖和三等奖各1项。通过结构仿生设计、力学仿真优化、生物性能调控等反馈，构建了表面拓扑结构与骨整合性能间的关系模型，为实现植入体结构—性能一体化设计提供了新思路。