专利名称：金属表面羟基磷灰石材料的双激光涂覆方法
技术领域：
本发明属于生物医学工程中材料涂覆技术领域，涉及一种金属表面羟基磷灰石材 料的双激光涂覆方法。
背景技术：
金属材料的植入性假体主要用于人体需要抗重力负荷的部位(如人造四肢和人 造关节)，而生物活性复合材料、陶瓷材料在负荷较轻的部位有其发展前景(如牙齿、面部 矫形手术等)。羟基磷灰石[Caltl(PO4)6(OH)2] (Hydroxyapatite简称HAp或HA)是构成人体 骨骼、牙齿的无机质，具有良好的生物相容性。在普通合成的生物材料中添加羟基磷灰石可 显著改善材料对成骨细胞的黏附和增殖能力，促进新骨生成。这种特性非常适用于需要快 速起效的假体植入性手术中。虽然羟基磷灰石具有显著的生物兼容性，但是它的陶 瓷性能， 特别是低强度、低抗击性和脆性制约了羟基磷灰石作为整体材料的应用。而钛合金恰好弥 补了这一缺陷，利用其高强度和高韧性特点，该类材料已被广泛应用于矫形外科手术，甚至 包括心脏植入性支架、起搏器和瓣膜等。但是，钛合金材料的骨质黏附性很差，常常会出现 人工关节或其他假体的无菌性松动现象。钛合金羟基磷灰石涂层材料在具备金属材料的高 强度和高韧性的同时，也具备羟基磷灰石的良好生物活性。目前常用的钛合金羟基磷灰石涂层方法有离子束溅射喷涂法、涂覆_烧结法、溶 胶_凝胶法、电化学反应法、等离子喷涂法、激光烧结覆熔法、激光激发沉淀法等。其中激 光涂层方法由于其容易控制和操作简单等优点，正在日益引起关注。申请人的前置申请 专利“一种钛基金属表面进行羟基磷灰石粉末的新型激光涂层工艺”(发明专利申请号 CN200810121880. 2)通过近红外激光直接照射预先敷设在钛合金表面的羟基磷灰石进行涂 层。该方法虽然具有工艺简单、涂层厚度及羟基磷灰石的比例可控性好的特点，但是在实际 操作中存在预敷层均勻度难以控制、如果预敷层太厚，激光扫描后羟基磷灰石与基体材料 结合强度不够等缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种金属表面羟基磷灰石材料的双 激光涂覆方法。本发明方法所使用的装置包括脉冲激光器、反射透射镜、第一反射镜、第二反射 镜、聚焦镜、密封腔体、真空泵、第一透明窗体和第二透明窗体。密封腔体上开有两个透明窗体，分别为第一透明窗体和第二透明窗体，第一透明 窗体所对应的光路上依次设置有聚焦镜、反射透射镜和脉冲激光器，反射透射镜的正上方 设置有第一反射镜，第二透明窗体的正上方设置有第二反射镜，第一透明窗体和第二透明 窗体所在的轴线相互垂直，密封腔体侧向的真空泵用来抽取腔内的气体，密封腔体放置有 涂层材料标靶和基体钛金属材料。本发明方法的具体步骤是
步骤(1)将羟基磷灰石粉末在高温高压环境下(压强90 llOMPa，温度450 5500C )压成饼状，并烧结3 5小时，作为涂层材料标靶；步骤(2)将涂层材料标靶和基体钛金属材料(钛或钛合金)平行放置于密封腔体 内，并与水平的激光光路成45°角。涂层材料标靶和基体钛金属材料平行相距5 10厘
米。
步骤(3)将密封腔抽成真空(气压抽至IPa以下)，然后充入水蒸汽或水蒸汽与氩 气混合体至气体压强为30 120Pa，并保持该压强，整个涂层过程在此压强下进行。步骤(4)脉冲激光器发出激光，激光束投射到透射反射镜，其中透射后的光束依 次通过聚焦镜、第一透明窗体进入密封腔体，投射到与光路成45度的涂层材料标靶上。激 光参数为重复频率IOHz 30Hz，聚焦后能流密度为0. 7 1. 5J/cm2在透射反射镜处发生反射的激光，经过第一反射镜、第二反射镜后从密封腔体上 的第二透明窗体投射到与光路成45度的基体钛金属材料上，该路激光的能流密度为0. 1 0. 2J/cm2，在基体钛金属材料上形成的光斑直径约3 8mm。步骤(5)聚焦的脉冲激光对密封腔体中的涂层材料标靶进行激发，激发产生的羟 基磷灰石颗粒吸附到基体钛金属材料上，同时未聚焦的脉冲激光对密封腔体中的基体钛金 属材料加热，使基体钛金属材料上光斑区的温度保持在400°C以上，从而完成该光斑区内羟 基磷灰石材料的涂覆。步骤(6)调整基体钛金属材料的光斑区位置，重复步骤(5)直到基体钛金属材 料的整个外表面均完成羟基磷灰石材料的涂覆为止，这样在基体钛金属材料上形成1 10 μ m厚的羟基磷灰石涂层。本发明方法中的激光激发涂层材料，使得涂层材料能与多种基体材料结合并且结 合速度快，激光覆熔涂层能改善涂层材料的结晶度并使涂层材料与基体材料结合粘合度增 加。
图1为本发明方法所使用的装置的结构示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示，进行金属表面羟基磷灰石材料的双激光涂覆方法所使用的装置包括 脉冲激光器1、反射透射镜11、第一反射镜2、第二反射镜3、聚焦镜10、密封腔体8、真空泵 5、第一透明窗体9和第二透明窗体4。激光器1发出的激光为Nd:YAG激光或ArF(波长 193nm)准分子脉冲激光。本发明中的激光源也可以选用两个，并不一定需要从同一激光源 中分离出两路。密封腔体8上开有两个透明窗体，分别为第一透明窗体9和第二透明窗体4，第一 透明窗体9所对应的光路上依次设置有聚焦镜10、反射透射镜11和脉冲激光器1，反射透 射镜11的正上方设置有第一反射镜2，第二透明窗体4的正上方设置有第二反射镜3，第一 透明窗体9和第二透明窗体4所在的轴线相互垂直。密封腔体8侧向的真空泵5用来抽取 腔内的气体，密封腔体8内放置有涂层材料标靶6和基体钛金属材料7。
利用上述装置进行金属表面羟基磷灰石材料的双激光涂覆方法的具体实施例如 下实施例1步骤(1)将羟基磷灰石粉末在压强为90MPa，温度为550°C环境下压成饼状，并烧结3小时，作为涂层材料标靶；步骤(2)将涂层材料标靶和基体钛金属材料(钛或钛合金)平行放置于密封腔体 内，并与水平的激光光路成45°角。涂层材料标靶和基体钛金属材料平行相距5厘米。步骤(3)将密封腔抽成真空(气压抽至IPa以下)，然后充入水蒸汽或水蒸汽与氩 气混合体至气体压强为30Pa，并保持该压强，整个涂层过程在此压强下进行。步骤(4)脉冲激光器发出激光，激光束投射到透射反射镜，其中透射后的光束依 次通过聚焦镜、第一透明窗体进入密封腔体，投射到与光路成45度的涂层材料标靶上。激 光的重复频率30Hz，聚焦后能流密度为1. 5J/cm2。在透射反射镜处发生反射的激光，经过第一反射镜、第二反射镜后从密封腔体上 的第二透明窗体投射到与光路成45度的基体钛金属材料上，该路激光的能流密度为0. 2J/ cm2，在基体钛金属材料上形成的光斑直径约3mm。步骤(5)聚焦的脉冲激光对密封腔体中的涂层材料标靶进行激发，激发产生的 羟基磷灰石颗粒与腔体内充入的气体混合形成等离子混合体，充满整个腔室，部分羟基磷 灰石颗粒吸附到基体钛金属材料上，未聚焦的脉冲激光对密封腔体中的基体钛金属材料加 热，使基体钛金属材料上光斑区的温度保持在400°C以上(一般温度保持400°C 600°C，即 在基体钛金属材料熔点以上)，从而完成该光斑区内羟基磷灰石材料的涂覆。步骤(6)调整基体钛金属材料的光斑区位置，重复步骤(5)直到基体钛金属材料 的整个外表面均完成羟基磷灰石材料的涂覆为止，这样在基体钛金属材料上形成10 μ m厚 的羟基磷灰石涂层。实施例2步骤(1)将羟基磷灰石粉末在压强为lOMPa，温度为500°C环境下压成饼状，并烧 结4小时，作为涂层材料标靶。 步骤(2)将涂层材料标靶和基体钛金属材料(钛或钛合金)平行放置于密封腔体 内，并与水平的激光光路成45°角。涂层材料标靶和基体钛金属材料平行相距8厘米。步骤(3)将密封腔抽成真空(气压抽至IPa以下)，然后充入水蒸汽或水蒸汽与氩 气混合体至气体压强为70Pa，并保持该压强，整个涂层过程在此压强下进行。步骤(4)脉冲激光器发出激光，激光束投射到透射反射镜，其中透射后的光束依 次通过聚焦镜、第一透明窗体进入密封腔体，投射到与光路成45度的涂层材料标靶上。激 光的重复频率20Hz，聚焦后能流密度为1. 2J/cm2。在透射反射镜处发生反射的激光，经过第一反射镜、第二反射镜后从密封腔体 上的第二透明窗体投射到与光路成45度的基体钛金属材料上，该路激光的能流密度为 0. 16J/cm2，在基体钛金属材料上形成的光斑直径约5mm。步骤(5)聚焦的脉冲激光对密封腔体中的涂层材料标靶进行激发，激发产生的 羟基磷灰石颗粒与腔体内充入的气体混合形成等离子混合体，充满整个腔室，部分羟基磷 灰石颗粒吸附到基体钛金属材料上，未聚焦的脉冲激光对密封腔体中的基体钛金属材料加热，使基体钛金属材料上光斑区的温度保持在400°C以上，从而完成该光斑区内羟基磷灰石 材料的涂覆。步骤(6)调整基体钛金属材料的光斑区位置，重复步骤(5)直到基体钛金属材料 的整个外表面均完成羟基磷灰石材料的涂覆为止，这样在基体钛金属材料上形成7 μ m厚 的羟基磷灰石涂层。实施例3步骤(1)将羟基磷灰石粉末在压强为llOMPa，温度为450°C环境下压成饼状，并烧 结5小时，作为涂层材料标靶；步骤(2)将涂层材料标靶和基体钛金属材料(钛或钛合金)平行放置于密封腔体 内，并与水平的激光光路成45°角。涂层材料标靶和基体钛金属材料平行相距10厘米。步骤(3)将密封腔抽成真空(气压抽至IPa以下)，然后充入 水蒸汽或水蒸汽与氩 气混合体至气体压强为120Pa，并保持该压强，整个涂层过程在此压强下进行。步骤(4)脉冲激光器发出激光，激光束投射到透射反射镜，其中透射后的光束依 次通过聚焦镜、第一透明窗体进入密封腔体，投射到与光路成45度的涂层材料标靶上。激 光的重复频率10Hz，聚焦后能流密度为0. 7J/cm2。在透射反射镜处发生反射的激光，经过第一反射镜、第二反射镜后从密封腔体上 的第二透明窗体投射到与光路成45度的基体钛金属材料上，该路激光的能流密度为0. IJ/ cm2，在基体钛金属材料上形成的光斑直径约8mm。步骤(5)聚焦的脉冲激光对密封腔体中的涂层材料标靶进行激发，激发产生的 羟基磷灰石颗粒与腔体内充入的气体混合形成等离子混合体，充满整个腔室，部分羟基磷 灰石颗粒吸附到基体钛金属材料上，未聚焦的脉冲激光对密封腔体中的基体钛金属材料加 热，使基体钛金属材料上光斑区的温度保持在400°C以上，从而完成该光斑区内羟基磷灰石 材料的涂覆。步骤(6)调整基体钛金属材料的光斑区位置，重复步骤(5)直到基体钛金属材料 的整个外表面均完成羟基磷灰石材料的涂覆为止，这样在基体钛金属材料上形成1 μ m厚 的羟基磷灰石涂层。
权利要求
金属表面羟基磷灰石材料的双激光涂覆方法，其特征在于该方法包括如下步骤步骤(1)将羟基磷灰石粉末在高温高压下压成饼状，并烧结3～5小时，形成涂层材料标靶，所述的高压压强为90～110MPa，高温温度为450～550℃；步骤(2)将涂层材料标靶和基体钛金属材料平行放置于密封腔体内，并与水平的激光光路成45°角，涂层材料标靶和基体钛金属材料平行相距5～10厘米；所述的基体钛金属材料为钛或钛合金；步骤(3)将密封腔抽成真空，然后充入水蒸汽或水蒸汽与氩气混合体直至密封腔内气体压强为30～120Pa，并保持该压强，整个涂覆过程在此压强下进行；步骤(4)由脉冲激光器发出激光，激光投射到透射反射镜；在透射反射镜处发生透射的激光依次通过聚焦镜、第一透明窗体进入密封腔体，投射到涂层材料标靶上；该路激光重复频率为10Hz～30Hz，聚焦后能流密度为0.7～1.5J/cm2；在透射反射镜处发生反射的激光，经过第一反射镜和第二反射镜反射后从密封腔体上的第二透明窗体投射到基体钛金属材料上；该路激光重复频率为10Hz～30Hz，能流密度为0.1～0.2J/cm2，在基体钛金属材料上形成的光斑直径为3～8mm；步骤(5)经聚焦的脉冲激光对密封腔体内的涂层材料标靶进行激发，激发产生的羟基磷灰石颗粒吸附至基体钛金属材料上，同时未聚焦的脉冲激光对密封腔体中的基体钛金属材料加热，使基体钛金属材料上光斑区的温度保持在400℃以上，从而完成该光斑区内羟基磷灰石材料的涂覆；步骤(6)调整基体钛金属材料的光斑区位置，重复步骤(5)直到基体钛金属材料的整个外表面均完成羟基磷灰石材料的涂覆为止，这样就在基体钛金属材料上形成1～10μm厚的羟基磷灰石涂层。
全文摘要
本发明涉及一种金属表面羟基磷灰石材料的双激光涂覆方法。现有的方法可控性差，导致产品稳定性不好。本发明方法是将涂层材料标靶和基体钛金属材料放置于密封腔体内，从密封腔体外引入两束激光，一束激光投射到基体钛金属材料上，使得基体钛金属材料在光斑区内保持熔融状态，另一束激光投射到涂层材料标靶上，使得涂层材料处于激发状态，其颗粒与腔体内的气体混溶。部分涂层材料吸附至基体钛金属材料上，从而完成羟基磷灰石材料的涂覆。本发明方法激光激发涂层使涂层材料能与多种基体材料结合并且沉淀速度快，激光表面覆熔涂层能改善涂层材料的结晶度并使涂层材料与基体材料结合粘合度增加。
文档编号A61L27/42GK101880875SQ201010224670
公开日2010年11月10日 申请日期2010年7月9日 优先权日2010年7月9日
发明者吕永桂, 陈凯 申请人:杭州电子科技大学