一种用于提高3D打印生物材料成形件的亲水性的方法与流程

一种用于提高3d打印生物材料成形件的亲水性的方法
技术领域
[0001]
本发明涉及3d打印领域，特别是指一种用于提高3d打印生物材料成形件的亲水性的方法。


背景技术：

[0002]
激光选区熔化技术(selective laser melting,slm)是一种在惰性气体的保护下，利用聚焦的高功率激光束辐照金属粉末床，使金属粉末快速熔化、凝固，从而实现三维零件成形的3d打印技术。由于这种技术的激光热影响区较小，因而成形精度高，能够制造高性能、复杂几何形状的金属零件。利用slm技术制造的生物材料合金，具有高比强度、低弹性模量、抗蚀性优异等优点，正在被广泛应用于航空航天和汽车工业领域，但是仍然无法大量应用于医用领域。这是因为医用领域要求生物材料植入体表面具有良好的生物相容性，不仅能使细胞更好地附着在植入体上，同时还要使体液在植入体上具有一定的渗透率。然而，slm成形的生物材料合金表面粗糙，呈现疏水性，无法满足医疗领域对slm成形件表面性能的要求。因此，为了使slm成形的生物材料能够满足医疗领域的应用要求，需要降低其表面粗糙度同时提高亲水性。
[0003]
目前，钛合金的表面浸润性改性方法主要有：表面化学涂层法、纳/飞秒激光表面织构化、激光辐照法等。这些方法均可以有效地改变生物材料的表面浸润性，但是表面化学涂层法形成的涂层往往不是很稳定，极易发生脱落失效；纳/飞秒激光表面织构化对试样表面的平整度要求较高，不适合slm成形件的加工；而激光辐照法相较于前两种方法，具有加工面积可控、快速精确处理材料表面的优点，具有很好的应用前景。目前，准分子激光辐照对pa2200尼龙sls成形件表面改性，发现这种方法可以使打印件表面变得光滑，同时产生c＝＝o双键亲水性基团，接触角由120
°
减小至70
°
，改善并调控了成形件的表面浸润性。但是，利用准分子激光辐照改变slm成形生物材料合金表面浸润性的应用研究成果较少。


技术实现要素：

[0004]
本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种用于提高3d打印生物材料成形件的亲水性的方法，能够快速、高效地提升3d打印成形件的表面质量，有助于加快3d打印件的应用效率。
[0005]
本发明采用如下技术方案：
[0006]
一种用于提高3d打印生物材料成形件的亲水性的方法，包括如下步骤：
[0007]
将3d打印的生物材料成形件，通过超声波清洗，对成形件表面进行激光加工前的预处理；
[0008]
调整用于生物材料激光加工的装置，在准分子激光器和样本台之间依次装载扩束镜和准直镜，调整准分子激光器与扩束镜的距离s1，以及扩束镜和准直镜之间的距离s2，使激光在样品台上的聚焦光斑为能量分布均匀的矩形，在光路调整完毕后，打开准分子激光器，使激光在样本台上的白纸烧蚀出矩形光斑，并用直尺测量得到矩形光斑的宽度w和长度
l，记为光斑的大小；
[0009]
将得出的矩形光斑的宽度w和长度l输入激光加工装置的计算机控制系统中；
[0010]
通过单一变量法调控激光能量密度e和激光的脉冲数n，使成形件的粗糙度达到设定的阈值，进行成形件的加工；
[0011]
将加工好的成形件进行二次超声波清洗。
[0012]
具体地，所述激光能量密度e具体为：
[0013]
e＝p/(w*l)
[0014]
其中p为激光功率。
[0015]
一较佳实施例，所述准分子激光器为248nm krf准分子激光器，采用的激光波长为248nm，频率为2hz。
[0016]
一较佳实施例，准分子激光器与扩束镜的距离为3cm，扩束镜与准直镜的距离为17cm，准直镜与成形件的距离为33cm。
[0017]
一较佳实施例，激光的脉冲数n为50个，激光能量密度e为0-531mj/cm
2
[0018]
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
[0019]
1、与传统的3d打印成形件表面处理方法(如喷砂法)对比，本发明能够无接触地加工3d打印成形件，并且不产生有害生物活性的物质，不对外界环境产生污染，是一种高效、绿色的表面处理方法；
[0020]
2、本发明通过准分子激光加工3d打印件，通过调整激光器的能量密度和脉冲数，能够快速降低成形件的表面粗糙度，使成形件的亲水性大大提高，能加快3d打印成形件走向实际应用进程。
[0021]
3、本发明基于准分子激光加工3d打印件，单次加工面积大，且加工范围可控，对于3d打印件表面的大面积、大批量的高效处理具有应用前景。
附图说明
[0022]
图1是3d打印生物材料合金表面加工流程图；
[0023]
图2是准分子激光加工装置设计图；
[0024]
图3是3d打印生物材料表面处理前后对比图。
[0025]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。
具体实施方式
[0026]
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。
[0027]
本发明的3d打印生物材料合金表面亲水性提高方法的设计流程如附图1，具体的实施方式如下：
[0028]
步骤一：将3d打印的医用钴铬钼合金(cocrmo)成形件，通过超声波清洗(时间为30min)，选用的清洗剂为无水乙醇，对成形件表面进行激光加工前的预处理；
[0029]
步骤二：调整用于cocrmo激光加工的装置；首先，在样品台上放置一张白纸；其次，在准分子激光与样品台之间装载整形均束的光学元件，以便提高激光加工能量的均匀性。具体装载方式为，在准分子激光后依次装载扩束镜和准直镜，两个光学元件的位置可自由调整，使激光在样品台上的聚焦光斑为能量分布均匀的矩形。最后，在光路调整完毕后，打
开准分子激光器，使激光在白纸上加工出矩形的烧蚀印记，用直尺测量得到矩形光斑的宽度w和长度l。例如，当光学元件装载位置为：准直镜与成形件的距离为33cm，扩束镜与准直镜的距离为17cm，扩束镜与准分子激光器的距离为3cm，此时聚焦光斑大小为0.4cm
×
0.8cm，此时加工效果最佳；
[0030]
步骤三：将步骤二测量的矩形光斑的宽度w和长度l输入激光加工装置的计算机控制系统中；首先通过调整激光功率p，得到激光加工的面能量密度e＝p/(w
×
l)；其次，设置激光加工的脉冲数n，得到单位时间内激光加工面的次数。将步骤一处理好的成形件放置到样品台，用夹具固定，通过设置不同的激光能量密度e与脉冲数n(可通过单一变量法调控激光加工参数)，使成形件表面的粗糙度逐步降低，当面粗糙度(sa)降低至8μm以下，即认为成形件表面已经得到改善。以cocrmo合金为例，当激光加工参数为：脉冲数n＝50，能量密度e＝531mj/cm
2
，能得到理想的表面粗糙度，此时面粗糙度为7.9μm；
[0031]
步骤四：将步骤三加工好的样品进行二次超声波清洗(时间为10min)，选用的清洗剂为无水乙醇。
[0032]
如图2是准分子激光加工装置的设计图，包括激光参数设置装置、准分子激光器、扩束镜、准直镜和样品台。
[0033]
其中当光学元件装载位置为：准直镜与成形件的距离为33cm，扩束镜与准直镜的距离为17cm，扩束镜与准分子激光器的距离为3cm，此时聚焦光斑大小为0.4cm
×
0.8cm，此时加工效果最佳。
[0034]
如图3，是3d打印cocrmo表面处理前后对比图，从图中可以看出，本发明提供的3d打印生物材料合金表面亲水性提高方法，无接触地消除成形件表面残留的粉末，实现表面抛光效果，且使成形件由疏水性表面(接触角为120
°±
4
°
)转化为亲水性表面(接触角为6
°±
1
°
)，可满足生物医用工程的应用需求，且这种方法能大面积加工3d打印生物材料成形件。
[0035]
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

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