脉冲激光处理对铁锰合金表面结构及降解行为的影响

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FeMn合金具有良好的力学性能和生物可降解性,是一种很有发展前景的生物可降解材料,但相对较慢的降解速率阻碍了其进一步发展。此外,传统金属种植体的生物活性较差。近年来,激光表面处理技术在医疗植入体的加工和表面改性领域获得了广泛应用。相关学者探究了通过激光改性在材料表面产生特定的结构对粗糙度和润湿性的影响及其在生物相容性中的重要作用。然而,文献中缺乏对脉冲激光改性生物可降解铁基合金表面特性差异的研究。本论文采用两种脉冲激光(纳秒和飞秒)对Fe-30Mn合金进行了表面烧蚀处理,研究了脉冲激光工艺参数对Fe-30Mn合金表面形貌的影响。探讨了两种不同脉冲激光作用下Fe-30Mn合金表面的烧蚀机理,并评价了它们的表面特性及其对降解行为、润湿性和抗菌活性的影响。(1)利用1064 nm波长的纳秒激光在Fe-30Mn合金表面建立了沟槽结构外观。随激光功率的增大(20~80 W),沟槽略有加宽,约为100μm左右。随着激光扫描速度从200~2 mm·s-1的降低,表面形貌演变由轻微烧蚀现象转变为烧蚀裂纹的产生,最后到熔体结构的形成,导致了表面粗糙度不同程度的增加。在获得的裂纹和熔体结构表面上测得的Ra值分别为189 nm和366.6 nm。在α-MEM培养液中浸泡30天,两类沟槽表面腐蚀速率分别为0.047 mm·a-1和0.059 mm·a-1,与未处理样品的0.050mm·a-1接近。此外,对表面润湿角的测量结果显示,θ值在55~65°之间,略低于未处理的样品(70.3±3.0°),表面更加亲水。同时,抑菌实验结果表明,表面沟槽结构具有良好的抗菌作用,抑菌率可达到95%以上。(2)利用800 nm波长的飞秒激光在Fe-30Mn合金表面建立了纳米波纹结构。随着激光能量的增加(10~30 m J·cm-2),波纹周期减小,间隙增大,周期在400~600 nm之间。表面粗糙度和表面积均随激光能量的增大而增大,对改性后的三类纳米结构表面Ra值的测量结果分别为109.4 nm、116.3 nm和178.1 nm,相应的表面积增加了26%、43%和77%。同时,与纳秒激光处理前后的样品相比,极化和浸泡实验结果均显示了更高的腐蚀速率,浸泡30天的平均腐蚀速率分别为0.061 mm·a-1、0.063 mm·a-1和0.071mm·a-1。此外,纳米结构导致了更疏水的表面,θ值在125~145°之间。同时,三类纳米结构表面抑菌率分别为55.9%、58.5%和79.53%,低于沟槽结构。以上结果表明,激光表面处理在生物可降解金属的物理表面改性方面具有很大的潜力。
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