生物醫(yī)用材料激光制造技術研究進展

梅 濤，姚燕生，周瑞根，葛張森，張亦元，張志宏

（1.安徽建筑大學 機械與電氣工程學院，安徽 合肥 230601；2.中國科學技術大學 工程科學學院，安徽 合肥 230027；3.中國科學技術大學附屬第一醫(yī)院，安徽 合肥 230001）

生物材料和仿生材料的開發(fā)通常需要先進的制造和加工技術，以得到復雜的材料結構和增強材料特性。隨著人口老齡化與意外事故的增加，人們對個性化仿生人造骨、組織工程支架和植入式醫(yī)療器械等生物醫(yī)用材料需求明顯增多。20 世紀90年代激光制造技術直接成型復雜的高性能零件成為生物醫(yī)用材料領域的研究熱點[1]。激光制造技術能夠加工多種材料，主要包括金屬、無機非金屬、有機聚合物等粉末材料，為植入人體的生物材料提供了廣泛的選擇范圍。

植入式生物電子設備需要與人體軟組織緊密相連，以進行健康診斷和反饋治療。而這些設備通常由外殼和微電子電路組成，密封性失效是最主要的故障之一。此外，電子設備的內(nèi)外引線和其他各種醫(yī)用材料也時常需要連接使用，這對醫(yī)用材料的焊接質量提出了更高的要求。對于植入物來說，大多數(shù)合成材料不支持強健的成骨細胞活性，并且經(jīng)常導致細胞分化差和骨形成受限，而材料的表面形態(tài)和特征會影響植入物在生物體內(nèi)的生物學響應，甚至可以決定植入物的后期效果。因此，創(chuàng)建具有良好生物相容性的表面是作為植入物的關鍵[2]。改變激光的照射參數(shù)，可以創(chuàng)建不同性質的表面，引起細胞的生物學行為變化，這對于細胞朝著目標方式進行生物學響應至關重要[3]。

激光制造技術作為先進的制造加工技術，涉及多學科交叉融合，由于具有高度可控性、精準性和數(shù)據(jù)化等特點，推動了生物醫(yī)用材料制造加工方法的改造升級。本文對激光制造技術在生物醫(yī)用材料快速成型、微焊接和表面改性等方面的研究與應用進行綜述，并對今后的發(fā)展前景做出展望。

1 生物醫(yī)用材料激光快速成型

激光快速成型技術是結合制造高精度與高性能為一體，制造過程綠色環(huán)保的先進制造技術。與其他快速成型技術例如電子束增材制造[4]、熔融層積成型[5]、電弧增材制造[6]等相比，其原理基本相同，即通過計算機建立模型，再由打印機將材料層層疊加，以制備零件。然而這些技術存在著熱積累、制造精度較低、產(chǎn)生較強的X 射線、降溫時間長等各種缺點，影響制造工藝穩(wěn)定性和材料成型效率?；跀?shù)字化的激光快速成型能夠實現(xiàn)個性化的增材制造和微觀結構精準調控，制造具備良好生物力學相容性的復雜仿生結構植入物。在成型過程中，為防止出現(xiàn)較大的殘余熱應力、變形和微小裂紋等問題，需要選取合理范圍的激光參數(shù)，從而獲得良好性能的成型件。

人體骨骼由50%～90%孔隙率的內(nèi)部松質骨和5%～10%孔隙率的外部皮質骨兩個基本結構組成。其彈性模量約在0.5～20 GPa 之間，與金屬彈性模量相差甚大，會導致骨結合部位載荷失效與“應力屏蔽”現(xiàn)象。激光制造技術可以制造多孔連通微結構的骨骼植入物，同時提供骨細胞生長空間和營養(yǎng)物質、代謝廢物的輸送通道[7]。Zhu 等[8]利用選區(qū)激光熔化技術（Selective laser melting，SLM）制備了不同孔隙率的Co-Cr 合金。大鼠的成纖維細胞（L929）和骨髓間充質干細胞（rBMSCs）在SLM成型的Co-Cr 合金上均具有良好的細胞形態(tài)和遷移能力，60%孔隙率的Co-Cr 合金明顯促進了成骨細胞的增殖和分化。

金屬玻璃具備高強度、低彈性模量和良好的生物相容性，在生物醫(yī)用材料領域表現(xiàn)出巨大應用潛力[9]。Lu 等[10]利用激光增材制造技術制備了一種梯度結構的鋯基大塊金屬玻璃復合材料（Bulk metallic glass composites，BMGC）。制備的梯度結構BMGC 能夠將出色的屈服強度（＞1.3 Gpa）和拉伸延展性（約13%）組合起來，這種高強度-延伸性協(xié)同作用的BMGC 也為人體骨骼代替物奠定了理論基礎。

在多材料增材制造過程中，配置不同比例的多種材料不僅可以改變孔隙率，還可以實現(xiàn)材料的性能組合，例如通過添加適當?shù)纳锘钚詣┏煞郑岣吖莻鲗院涂咕缘?。圖1 展示了兩種用于金屬的多材料增材制造的工作方式[11]。Sing 等[12]利用SLM 技術制備出每種元素含量為50 wt%的鈦鉭合金。研究發(fā)現(xiàn)：SLM 生產(chǎn)的鈦鉭合金在快速凝固后僅由β相組成，表現(xiàn)出高強度和較低的彈性模量，可以減輕“應力屏蔽”效應，但較大的Ti 粉末粒子不會完全融化，導致其分散在由完全熔化的Ti 和小尺寸Ta 形成的基質中。多材料增材制造在不同的材料性質相差較大時存在一些難以解決的問題，還需要進一步研究。

圖1 用于金屬的激光多材料增材制造技術[11]

陶瓷材料具有出色的生物活性，被廣泛用于骨組織再生[13]。Safonov 等[14]利用激光立體光刻技術打印出具有復雜細胞微結構的氧化鋁基陶瓷植入物樣品，不同微結構和厚度的試樣經(jīng)單軸壓縮測試表現(xiàn)出的載荷范圍為93～817.5 N。Rau 等[15]通過Nd：YAG 納秒脈沖激光沉積法得到了致密無裂紋、更強的耐腐蝕性的玻璃陶瓷涂層。韓國研究團隊Seung 等[16]利用納秒激光開發(fā)了快速可控制備羥基磷灰石涂層的方法，如圖2 所示。基材表面沉積涂層的強度范圍為31.7～47.2 N，并能夠促進血清蛋白和成骨細胞的粘附，這些結果為骨結合部位植入物的表面處理提供了參考。

圖2 激光快速誘導HAp 涂層形成的過程示意圖[16]

激光快速成型技術在毫秒范圍脈沖下加工金屬粉末，可以制造出具有復雜多孔結構的植入物，不僅在形狀大小上滿足美學要求，也在舒適性方面具有重大進步。此外，利用激光立體光刻制備陶瓷植入物，以及利用納秒脈沖激光沉積法來制備玻璃陶瓷涂層也取得了出色進展。通過結合醫(yī)學成像技術與計算機軟件設計特定的模型，能夠讓醫(yī)務人員提前模擬手術過程，優(yōu)化手術程序，及時發(fā)現(xiàn)問題，提高可靠性。然而定制植入物成本較高，目前臨床應用較少，沒有形成廣泛的產(chǎn)業(yè)體系。生物材料以及成型件內(nèi)部結構設計還是影響植入物進一步發(fā)展的因素，其發(fā)展的難點在于如何確保材料長期在人體環(huán)境內(nèi)的安全性、生物相容性、力學性能等。盡管如此，激光快速成型的生物醫(yī)用材料仍然可以滿足當前基本的使用需求。

2 生物醫(yī)用材料激光微焊接

激光微焊接技術是以激光為熱源進行微組裝的技術。焊接金屬材料時，聚焦的激光撞擊金屬基材的表面，激光束被金屬表面部分吸收，通過熱傳導熔化基材，實現(xiàn)材料焊接，其余激光束被反射，吸收的激光能量有一部分以熱損失消耗并在熔池附近形成熱影響區(qū)[17]。對于透明易碎材料，超短脈沖激光與透明材料相互作用具有熱效應小及非線性多光子吸收的特點，不僅可以在透明材料表面上制取各種結構，還可以在內(nèi)部進行微細加工[18]。由于醫(yī)用材料的特殊性及細微化，對焊接質量提出了嚴格的要求，在考慮材料特性的同時，還要考慮材料的可焊性。焊接過程中材料的原有特性會受到熱循環(huán)的影響，發(fā)生不同程度的變化，所以激光微焊接的研究主要集中在良好焊接質量的工藝參數(shù)及產(chǎn)生缺陷的控制措施等方面。

Ti 合金具有良好的生物相容性，在植入物和醫(yī)療器械方面具有很大應用價值。Fan 等[19]比較了使用脈沖Nd：YAG 激光器、連續(xù)二極管激光器和光纖激光器封裝微型TC4 薄片的焊接質量。結果表明：用脈沖Nd：YAG 激光器的焊接質量最高。Baruah[20]接著研究Nd：YAG 脈沖激光參數(shù)對微焊接兩片500 μm 厚的TC4 薄片的影響。研究發(fā)現(xiàn)：在激光掃描速度3～7 mm/s、峰值功率1～5 kW 等適宜的工藝參數(shù)下，減少了氧化物的形成，可獲得高質量的焊接接頭。

形狀記憶合金廣泛應用在血管和腔內(nèi)支架、心臟修補器、牙科正畸器等器件上。Dong 等[21]使用Nd：YAG 脈沖激光微焊接NiTi 形狀記憶合金絲，研究發(fā)現(xiàn)：Ni 元素飽和蒸氣壓水平高于Ti 元素，大量Ni 元素揮發(fā)使熔合區(qū)的成分發(fā)生變化，生成了脆性金屬間化合物。焊縫組織中的金屬間化合物會抑制馬氏體形變，導致材料焊接區(qū)的自彈性恢復率降低[22]。如何減少或消除脆性金屬間化合物還需要進行研究。

玻璃為植入式生物傳感器常用材料，傳統(tǒng)的粘接方法容易降低其耐久性和成品率。Kim 等[23]提出了一種基于超快激光微焊封裝植入式血壓傳感器的新工藝。結果發(fā)現(xiàn)：脈沖能量為4 μJ、界面焦點位置為-225 μm、掃描速度為20 mm/s 時，焊接區(qū)域均勻整齊，質量最佳。激光焊接的血壓式傳感器最大內(nèi)部壓力可高達1.4 MPa，整個焊接過程最多僅需40 s，提高了玻璃鍵合效率。

微型化、高性能是現(xiàn)代醫(yī)用植介入器械的發(fā)展方向，選擇合適的焊接工藝連接這些材料、獲得期望的焊接質量至關重要。激光微焊接醫(yī)用金屬材料時，利用毫秒脈沖激光，在合適的熱量輸入、掃描速度、重復頻率等工藝參數(shù)下，確保焊接的穩(wěn)定性，降低變形度，從而獲得表面光滑、強度大的焊接件。但激光微焊接異種材料時，需要衡量焊接材料的組合，因為熱性能差異較大的材料組合容易出現(xiàn)氣孔、裂紋和脆性金屬化合物等缺陷。使用皮秒或飛秒超快激光可發(fā)射透明材料吸收帶的波長，在非線性吸收過程下，材料的加工局限于聚焦點體積內(nèi)，能夠在低熱應力下精確加工。但對于一些高度熱敏感的材料，會導致激光工藝窗口較小，熔池體積受限，焊接條件苛刻。因此，還需要充分認識激光與材料的相互作用和連接機理，開發(fā)新的焊接工藝，從而制備可靠性高的焊接件。

3 生物醫(yī)用材料激光表面改性

細胞與生物材料表面的相互吸附方式主要包括：利用溶液中的蛋白質吸附、細胞介導蛋白的合成與沉積、在生物材料表面構建生物粘附模體，與細胞表面的整合素相互關聯(lián)，完成吸附并為后續(xù)反應做準備，如圖3 所示[24]。由于細胞與材料表面的相互作用和材料的物理化學性質（如潤濕性、粗糙度、表面能量等）有直接關系[3，25]，所以改變材料的表面性質可以調控細胞的生物學行為。傳統(tǒng)的植入物表面改性方法存在加工效率低、結構精度差、容易引入雜質影響骨整合等缺點。超短脈沖激光與材料作用時間極短，具有峰值極高、損傷閾值較小、聚焦能量高等特點，能夠在材料表面加工出不同形貌結構，因而成為生物醫(yī)用材料表面改性的有效工具[26]。通過物質的自組織或者對樣品進行連續(xù)燒蝕的微加工能夠獲得高純度的微/納米尺度結構，不僅賦予了材料表面特殊的功能，還有效避免了潛在的污染[27]。

圖3 控制細胞與合成材料粘附的機制[24]

Ti 合金作為骨科和牙科植入物發(fā)揮著重要作用，對Ti 材料的表面改性受到廣泛關注。Yu 等[28]利用皮秒激光在TC4 鈦合金種植體樣品表面制備出微溝槽陣列，細胞實驗結果表明：微溝槽促進了細胞粘附和增殖，而微溝槽深度的增加增強了細胞的粘附和增殖。為了進一步研究鈦合金表面其他地形結構對細胞的影響，Schnell 等[29]采用飛秒光纖激光器照射TC4 表面，結果顯示：柱狀微結構抑制了人成骨肉瘤MG-63 細胞的粘附、生長和擴散，而在納米結構和正弦微結構表面上得到明顯改善。Li 等[30]利用微秒激光直寫和飛秒激光誘導在TC4 表面制備了微/納米復合結構。培養(yǎng)檢測MC3T3-E1 細胞，結果表明：微六角形通道促進了細胞的聚集、粘附、生長和增殖，而微結構和納米波紋的組合進一步增強了成骨細胞的粘附和增殖能力。此外，還發(fā)現(xiàn)MC3T3-E1 細胞以片狀脂蛋白和絲狀偽足粘附在納米波紋上，大多數(shù)細胞定向在-45°至45°之間，如圖4 所示。

圖4 激光處理后Ti-6Al-4V表面的結構和細胞培養(yǎng)結果[30]

Oberringer 等[31]利 用 飛 秒 激 光 在316LS 不銹鋼表面制備出不同密度的點陣微結構。在表面培養(yǎng)人微血管內(nèi)皮細胞和人成纖維細胞，結果顯示：所有點陣微結構幾乎同等程度抑制了成纖維細胞的分化，內(nèi)皮細胞的增殖沒有受到負面影響。Shaikh 等[32]利用飛秒激光處理45S5 生物活性玻璃（BG）的表面，培養(yǎng)檢測金黃色葡萄球菌、銅綠假單胞菌、大腸桿菌以及人類INT407 細胞。結果顯示：少數(shù)金黃色葡萄球菌粘附在激光處理區(qū)域，其他細菌在激光處理區(qū)域都受到抑制，INT407 細胞在激光處理BG 上的生長和粘附?jīng)]有受到影響。超快激光制備的表面特征結構能夠抑制目標細胞的生物學行為和多種有害細菌的存活。

晶硅片廣泛應用于醫(yī)療器械中，Yiannakou 等[33]采用脈寬150 fs、波長800 nm、1 kHz 頻率的鈦寶石飛秒激光照射單晶硅片表面。激光能量由低到高，所得表面由周期性的納米級波紋變?yōu)殡S著高度增加的準周期性微溝槽，微槽高度從2.42±1.07 μm升至10.98±1.52 μm。培養(yǎng)神經(jīng)膠質SW10 細胞的結果顯示：在低激光能量照射硅片的納米結構上，細胞受到排斥，生長受到抑制，而高激光能量照射硅片產(chǎn)生的微/納米復合結構為細胞提供有利的生存地形，明顯改善了細胞生長與粘附情況。

芳香族聚合物是脊柱植入物以及整形外科手術的生物材料，表面納米結構也有利于提高聚合物傳感器靈敏度[34]。Wu 等[35]用氮化硅微粒與聚醚酮酮混合制備了具有生物活性的復合材料植入物，隨后用脈寬120 fs、功率20 mw、掃描速度800 μm/s的飛秒激光修飾復合材料表面，生成了微/納米結構。研究表明：微/納米結構的存在增強了表面的親水性、蛋白質吸附、rBMSCs 細胞的光密度和堿性磷酸酶活性，表明了微/納米結構顯著促進了rBMSCs 細胞的增殖和成骨分化。

超快激光能夠加工幾乎所有類型的材料，對生物醫(yī)用材料表面改性具有獨特優(yōu)點。在組織工程領域，利用超快激光在生物醫(yī)用材料表面創(chuàng)建特殊的形貌結構，能夠促進或抑制某種細胞的生物學行為。微/納復合結構通常有利于細胞生物響應，而單一的微米或納米結構在不同材料和不同表面地形結構下也會抑制細胞生物學行為。由于細胞的種類繁多，激光又能在各種生物材料表面制備出形態(tài)迥異的微/納結構，所以，各種生物材料表面形貌和微/納結構對不同細胞生物學行為的影響還需要更多基礎性研究，探索細胞生物學行為的規(guī)律與控制方法。

4 總結與展望

激光制造技術打破了傳統(tǒng)制造工藝束縛，激光快速成型的多孔隙結構植入物能夠在保持高強度的前提下降低彈性模量，減少“應力屏蔽”效應。脈沖激光沉積具有生物活性的玻璃陶瓷涂層為細胞提供了適宜的微環(huán)境。激光能夠在較小的熱影響區(qū)下對各種生物醫(yī)用材料焊接和封裝，提高了微型精密材料應用的靈活性，而在焊接過程中如何減少或消除脆性金屬間化合物、實現(xiàn)殘余應力的最小化等問題還需要進一步的研究。利用超快激光在生物材料表面制備微/納結構，改善材料表面物理化學性質，有效提高了材料表面的生物相容性。然而，超快激光表面改性創(chuàng)建的拓撲結構與細胞的作用機理還缺少完整解釋，有待深入研究。

目前的激光制造技術雖然能夠直接制造并進一步處理生物材料，但是在生物醫(yī)學領域的發(fā)展還不夠成熟，個性化的植入物也沒有得到規(guī)?；膽谩Ｏ乱徊娇梢酝ㄟ^升級激光制造技術的設備和工藝，實現(xiàn)高效、智能、綠色的生產(chǎn)模式，并開發(fā)復合粉末材料，對不同材料的力學性能和生物活性進行有機結合。利用有限元軟件對焊接溫度場與應力場進行模擬仿真，優(yōu)化激光參數(shù)，減少缺陷產(chǎn)生。為滿足微機電系統(tǒng)元件和材料功能表面發(fā)展的需要，超快激光提供的微納制造將是未來的研發(fā)重點。與此同時，還要探索降低生產(chǎn)成本、建立行業(yè)標準、完善性能評價體系等，以在生物醫(yī)學領域爭取更大的發(fā)展空間。