Спосіб модифікації поверхні надшвидкими лазерними регулярними періодичними структурами на біосумісних матеріалах для медичних імплантів

Реферат: Спосіб модифікації поверхні надшвидкими лазерними регулярними періодичними структурами на біосумісних матеріалах для медичних імплантів ультракороткими лазерними імпульсами з надшвидким перебігом лазерного сканування. Створення таких високоякісних періодичних структур досягається за допомогою правильно підібраних лазерних параметрів. Висока продуктивність процесу сканування забезпечується за допомогою поєднання гальваносканера і 3-координатного рухомого столу з поступальним рухом, що рухається відносно гальваносканера. UA 111942 U (54) СПОСІБ МОДИФІКАЦІЇ ПОВЕРХНІ НАДШВИДКИМИ ЛАЗЕРНИМИ РЕГУЛЯРНИМИ ПЕРІОДИЧНИМИ СТРУКТУРАМИ НА БІОСУМІСНИХ МАТЕРІАЛАХ ДЛЯ МЕДИЧНИХ ІМПЛАНТІВ UA 111942 U UA 111942 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до модифікації поверхонь біосумісних матеріалів під дією фемтосекундного лазера. Внаслідок такої модифікації на поверхні з'являються періодичні нано/мікростуктури, а також тонка плівка оксиду, яка з додаванням спеціальних біосумісних речовин значно підвищує остеоінтеграцію між імплантом і живою тканиною. Лазерне наноструктурування біосумісних металів і сплавів може застосовуватись для різноманітних типів медичних імплантів: зубних, тазобедрених, колінних чашечок та ін. На сьогоднішній день однією із найболючіших проблем зубних імплантів є приживляння їх до живої тканини людини. За статистичними показниками ймовірність такого приживляння є приблизно 50 %. Одним із способів модифікації поверхні біосумісних матеріалів для покращення поглинальних та оптичних властивостей є лазерні індуковані періодичні поверхневі структури (скорочено - ЛІППС). Ці структури мають періодичний рельєф поверхні, їх орієнтація безпосередньо пов'язана з поляризацією світла лазера і вони можуть бути сформовані на поверхні різних матеріалів (металів, напівпровідників, діелектриків, полімерів). Поверхневі періодичні структури утворюються в результаті інтерференції падаючої і розсіяної поверхневих електромагнітних хвиль (ПЕХ) з подальшим ефектом самоорганізації, які не призводять безпосередньо до регулярних періодичних структур. Технічна задача, яка вирішується за допомогою цього патенту, полягає у забезпеченні умов для досягнення високоякісних періодичних структур та великої швидкості їх генерації. Додаткові технічні проблеми, які належить вирішити це: мінімізація негативного впливу процесів, що беруть участь у формуванні періодичної структури (термопластичні деформації, нетермічні плавлення) і виявлення механізмів абляції (розщеплення, фазового вибуху, кулонівського вибуху). На даний момент лазерні індуковані періодичні поверхневі структури (ЛІППС) на металах страждають від нездатності утворення регулярних наноструктур та малої швидкості їх генерації. Це перешкоджає застосуванню лазерних індукованих періодичних поверхневих структур (ЛІППС) у медицині, зокрема у зубних, тазобедрених та колінних імплантах та ін. Подібна робота по отриманню лазерних індукованих періодичних поверхневих структур (ЛІППС) описано в патенті US20140083984, Timothy Gerke (2014), "Formation of laser induced periodic surface structures (LIPSS) with picosecond pulses". Патент США присвячений генерації періодичних структур, який включає: сфокусований промінь пікосекундних лазерних імпульсів по поверхні матеріалу. Суттєвою відмінністю тут є використання пікосекундних імпульсів, адже в цьому разі фізика утворення структур буде суттєво відрізнятися. На поверхні будуть утворюватись оплавлені зони, що є дуже небажаним явищем. Основним недоліком є низька швидкість процесу, через що неможливо розглядати технологію для використання в промисловості. Подібною роботою є патент US7875414, де розкритий спосіб періодичного формування структури на великій площі з одноосним лазерним променем. Метод використовує більші щільності енергії лазерного випромінювання, але настільки ж низькі, як і поріг абляції. Крім того, перекривання в скануванні встановлюється таким чином, що кількість лазерних імпульсів, що опромінюють в однаковому положенні на поверхні матеріалу знаходиться в діапазоні від 10 до 300. Недоліками є нерегулярність періодичних структур та мала швидкість процесу. Найбільш близьким до пропонованого є спосіб модифікації поверхні за допомогою лазерних індукованих періодичних поверхневих структур (ЛІППС) описана в патенті PCT/US2007/079897 (опублікованому WO2008097374, Guo and Vorobyev (2008), "Ultra-short duration laser methods for the nanostructuring of materials", Guo and Vorobyev, де автори демонструють утворення періодичних структур на поверхні металів для медичних імплантів, зміни оптичних властивостей та утворення гідрофобних поверхонь з ультракороткими імпульсами, використовуючи лазерну довжину хвилі 800 нм. До недоліків патенту можна віднести низьку регулярність структур та наявність біфуркацій, що може призводити до різних поверхневих властивостей на окремих ділянках поверхні. Також основним недоліком є дуже мала швидкість сканування. В основу корисної моделі поставлена технічна задача модифікації біосумісних металів і сплавів для покращення їх остеоінтеграції з живою тканиною, шляхом генерації лазерноіндукованих періодичних поверхневих структур (ЛІППС) та тонкої плівки оксиду на великій швидкості для впровадження в медицину, зокрема виготовлення різноманітних імплантів (зубних, тазобедрених і т. д.) Поставлена технічна задача вирішується шляхом створення таких високоякісних періодичних структур, що досягається за допомогою правильно підібраних лазерних 1 UA 111942 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 параметрів. А ось висока продуктивність процесу сканування забезпечується за допомогою поєднання гальваносканера і 3-координатного рухомого столу, що в такій компоновці рухаються одночасно. Вектори їх рухів завжди знаходяться в перпендикулярній площині. При обробці круглих зразків використовується круговий моторизований стіл з додатковим оснащенням для фіксування зразка. Також внаслідок хімічних процесів на поверхні ЛІППС формується тонка оксидна плівка, що разом із спеціальних гелем створює захисний шар для клітин та сприяє їх росту і, як наслідок, пришвидшує остеоінтеграційні процеси. Для надшвидкої генерації високоякісних періодичних поверхневих структур на біосумісних металах та сплавах, три умови повинні бути виконані одночасно: 1) Розмір освітленій області повинен бути меншим порівняно з трьома характерними довжинами затримки поверхневих електромагнітних хвиль (ПЕХ). В цьому випадку вільні електрони приводяться в рух саме поверхневі електромагнітні хвилі (ПЕХ), осцелюючи когерентно по всій освітленій області, таким чином, забезпечуючи високо періодичне поглинання лазерної енергії в освітленій області з періодичністю уздовж поляризації світла. 2) Для ефективного руху вільних електронів від імпульсного лазерного променя, тривалість лазерного імпульсу повинна бути менша за час, якого потребують електрони для термалізації біосумісних матеріалів. 3) Висока щільність енергії лазера, що наноситься на невеликій освітленій області, забезпечує велику амплітуду поглинання, яка закінчується режимом сильної абляції, яка рухається із поліпшенням механічної напруги в радіальному напрямку, вже на одиночних лазерних імпульсах. Це дозволяє уникнути утворення надлишкового обсягу матеріалу на поверхні після видалення розплавленого матеріалу. Сильна абляція з наступним швидким затвердінням залишкового розплаву зберігає регулярний періодичний профіль поглинання на поверхні біосумісних матеріалів, утворюючи тим самим високо регулярні періодичні поверхневі структури. Для утворення лазерно індукованих періодичних поверхневих структур (ЛІППС) з високою регулярністю або просто періодичних структур була виготовлена наступна експериментальна установка (Фіг. 1). Де 1 - над швидка фемтосекундна лазерна система, 2 - пучок, 3 - атенюатор, 4 - дзеркало 1, 5 - дзеркало 2, 6 - лінза 1, 7 - лінза 2, 8 - напівхвильова пластина, 9 гальванометрична скануючи головка (гальваносканер), 10 - фокусуюча лінза (f-theta лінза), 11 поляризатор, 12 - зона обробки, 13 - зразок (імплант), 14 - оптичний стіл, 15 - спеціальне оснащення для фіксування зразка (імпланта), 16 - моторизований круговий стіл, 17 - спеціальне оснащення для фіксування моторизованого кругового столу. Система складається з надшвидкої лазерної системи (1) з тривалістю імпульсу