梅 濤，姚燕生，周瑞根，葛張森，張亦元，張志宏

（1.安徽建筑大學(xué) 機(jī)械與電氣工程學(xué)院，安徽 合肥 230601；2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230027；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(jìn)的制造和加工技術(shù)，以得到復(fù)雜的材料結(jié)構(gòu)和增強(qiáng)材料特性。隨著人口老齡化與意外事故的增加，人們對個(gè)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(jì)90年代激光制造技術(shù)直接成型復(fù)雜的高性能零件成為生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[1]。激光制造技術(shù)能夠加工多種材料，主要包括金屬、無機(jī)非金屬、有機(jī)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(shè)備需要與人體軟組織緊密相連，以進(jìn)行健康診斷和反饋治療。而這些設(shè)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(shè)備的內(nèi)外引線和其他各種醫(yī)用材料也時(shí)常需要連接使用，這對醫(yī)用材料的焊接質(zhì)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(qiáng)健的成骨細(xì)胞活性，并且經(jīng)常導(dǎo)致細(xì)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(xué)響應(yīng)，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(guān)鍵[2]。改變激光的照射參數(shù)，可以創(chuàng)建不同性質(zhì)的表面，引起細(xì)胞的生物學(xué)行為變化，這對于細(xì)胞朝著目標(biāo)方式進(jìn)行生物學(xué)響應(yīng)至關(guān)重要[3]。

激光制造技術(shù)作為先進(jìn)的制造加工技術(shù)，涉及多學(xué)科交叉融合，由于具有高度可控性、精準(zhǔn)性和數(shù)據(jù)化等特點(diǎn)，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(shù)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(yīng)用進(jìn)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(shù)是結(jié)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(jìn)制造技術(shù)。與其他快速成型技術(shù)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(jì)算機(jī)建立模型，再由打印機(jī)將材料層層疊加，以制備零件。然而這些技術(shù)存在著熱積累、制造精度較低、產(chǎn)生較強(qiáng)的X 射線、降溫時(shí)間長等各種缺點(diǎn)，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?qū)崿F(xiàn)個(gè)性化的增材制造和微觀結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)調(diào)控，制造具備良好生物力學(xué)相容性的復(fù)雜仿生結(jié)構(gòu)植入物。在成型過程中，為防止出現(xiàn)較大的殘余熱應(yīng)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(zhì)骨和5%～10%孔隙率的外部皮質(zhì)骨兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)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(dǎo)致骨結(jié)合部位載荷失效與“應(yīng)力屏蔽”現(xiàn)象。激光制造技術(shù)可以制造多孔連通微結(jié)構(gòu)的骨骼植入物，同時(shí)提供骨細(xì)胞生長空間和營養(yǎng)物質(zhì)、代謝廢物的輸送通道[7]。Zhu 等[8]利用選區(qū)激光熔化技術(shù)（Selective laser melting，SLM）制備了不同孔隙率的Co-Cr 合金。大鼠的成纖維細(xì)胞（L929）和骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞（rBMSCs）在SLM成型的Co-Cr 合金上均具有良好的細(xì)胞形態(tài)和遷移能力，60%孔隙率的Co-Cr 合金明顯促進(jìn)了成骨細(xì)胞的增殖和分化。

金屬玻璃具備高強(qiáng)度、低彈性模量和良好的生物相容性，在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域表現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力[9]。Lu 等[10]利用激光增材制造技術(shù)制備了一種梯度結(jié)構(gòu)的鋯基大塊金屬玻璃復(fù)合材料（Bulk metallic glass composites，BMGC）。制備的梯度結(jié)構(gòu)BMGC 能夠?qū)⒊錾那?qiáng)度（＞1.3 Gpa）和拉伸延展性（約13%）組合起來，這種高強(qiáng)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(chǔ)。

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(shí)現(xiàn)材料的性能組合，例如通過添加適當(dāng)?shù)纳锘钚詣┏煞郑岣吖莻鲗?dǎo)性和抗菌性等。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(shù)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(qiáng)度和較低的彈性模量，可以減輕“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)，但較大的Ti 粉末粒子不會完全融化，導(dǎo)致其分散在由完全熔化的Ti 和小尺寸Ta 形成的基質(zhì)中。多材料增材制造在不同的材料性質(zhì)相差較大時(shí)存在一些難以解決的問題，還需要進(jìn)一步研究。

圖1 用于金屬的激光多材料增材制造技術(shù)[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(shù)打印出具有復(fù)雜細(xì)胞微結(jié)構(gòu)的氧化鋁基陶瓷植入物樣品，不同微結(jié)構(gòu)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(qiáng)的耐腐蝕性的玻璃陶瓷涂層。韓國研究團(tuán)隊(duì)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?；谋砻娉练e涂層的強(qiáng)度范圍為31.7～47.2 N，并能夠促進(jìn)血清蛋白和成骨細(xì)胞的粘附，這些結(jié)果為骨結(jié)合部位植入物的表面處理提供了參考。

圖2 激光快速誘導(dǎo)HAp 涂層形成的過程示意圖[16]

激光快速成型技術(shù)在毫秒范圍脈沖下加工金屬粉末，可以制造出具有復(fù)雜多孔結(jié)構(gòu)的植入物，不僅在形狀大小上滿足美學(xué)要求，也在舒適性方面具有重大進(jìn)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(jìn)展。通過結(jié)合醫(yī)學(xué)成像技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)特定的模型，能夠讓醫(yī)務(wù)人員提前模擬手術(shù)過程，優(yōu)化手術(shù)程序，及時(shí)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(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)還是影響植入物進(jìn)一步發(fā)展的因素，其發(fā)展的難點(diǎn)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(xué)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(dāng)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(shù)是以激光為熱源進(jìn)行微組裝的技術(shù)。焊接金屬材料時(shí)，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(dǎo)熔化基材，實(shí)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(yīng)小及非線性多光子吸收的特點(diǎn)，不僅可以在透明材料表面上制取各種結(jié)構(gòu)，還可以在內(nèi)部進(jìn)行微細(xì)加工[18]。由于醫(yī)用材料的特殊性及細(xì)微化，對焊接質(zhì)量提出了嚴(yán)格的要求，在考慮材料特性的同時(shí)，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(zhì)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(yīng)用價(jià)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(zhì)量。結(jié)果表明：用脈沖Nd：YAG 激光器的焊接質(zhì)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(zhì)量的焊接接頭。

形狀記憶合金廣泛應(yīng)用在血管和腔內(nèi)支架、心臟修補(bǔ)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?fù)]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(dǎo)致材料焊接區(qū)的自彈性恢復(fù)率降低[22]。如何減少或消除脆性金屬間化合物還需要進(jìn)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(jié)果發(fā)現(xiàn)：脈沖能量為4 μJ、界面焦點(diǎn)位置為-225 μm、掃描速度為20 mm/s 時(shí)，焊接區(qū)域均勻整齊，質(zhì)量最佳。激光焊接的血壓式傳感器最大內(nèi)部壓力可高達(dá)1.4 MPa，整個(gè)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(zhì)量至關(guān)重要。激光微焊接醫(yī)用金屬材料時(shí)，利用毫秒脈沖激光，在合適的熱量輸入、掃描速度、重復(fù)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(qiáng)度大的焊接件。但激光微焊接異種材料時(shí)，需要衡量焊接材料的組合，因?yàn)闊嵝阅懿町愝^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(diǎn)體積內(nèi)，能夠在低熱應(yīng)力下精確加工。但對于一些高度熱敏感的材料，會導(dǎo)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(rèn)識激光與材料的相互作用和連接機(jī)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(xì)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(zhì)吸附、細(xì)胞介導(dǎo)蛋白的合成與沉積、在生物材料表面構(gòu)建生物粘附模體，與細(xì)胞表面的整合素相互關(guān)聯(lián)，完成吸附并為后續(xù)反應(yīng)做準(zhǔn)備，如圖3 所示[24]。由于細(xì)胞與材料表面的相互作用和材料的物理化學(xué)性質(zhì)（如潤濕性、粗糙度、表面能量等）有直接關(guān)系[3，25]，所以改變材料的表面性質(zhì)可以調(diào)控細(xì)胞的生物學(xué)行為。傳統(tǒng)的植入物表面改性方法存在加工效率低、結(jié)構(gòu)精度差、容易引入雜質(zhì)影響骨整合等缺點(diǎn)。超短脈沖激光與材料作用時(shí)間極短，具有峰值極高、損傷閾值較小、聚焦能量高等特點(diǎn)，能夠在材料表面加工出不同形貌結(jié)構(gòu)，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(zhì)的自組織或者對樣品進(jìn)行連續(xù)燒蝕的微加工能夠獲得高純度的微/納米尺度結(jié)構(gòu)，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(xì)胞與合成材料粘附的機(jī)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(guān)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(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：微溝槽促進(jìn)了細(xì)胞粘附和增殖，而微溝槽深度的增加增強(qiáng)了細(xì)胞的粘附和增殖。為了進(jìn)一步研究鈦合金表面其他地形結(jié)構(gòu)對細(xì)胞的影響，Schnell 等[29]采用飛秒光纖激光器照射TC4 表面，結(jié)果顯示：柱狀微結(jié)構(gòu)抑制了人成骨肉瘤MG-63 細(xì)胞的粘附、生長和擴(kuò)散，而在納米結(jié)構(gòu)和正弦微結(jié)構(gòu)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(dǎo)在TC4 表面制備了微/納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。培養(yǎng)檢測MC3T3-E1 細(xì)胞，結(jié)果表明：微六角形通道促進(jìn)了細(xì)胞的聚集、粘附、生長和增殖，而微結(jié)構(gòu)和納米波紋的組合進(jìn)一步增強(qiáng)了成骨細(xì)胞的粘附和增殖能力。此外，還發(fā)現(xiàn)MC3T3-E1 細(xì)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(xì)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(jié)構(gòu)和細(xì)胞培養(yǎng)結(jié)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(diǎn)陣微結(jié)構(gòu)。在表面培養(yǎng)人微血管內(nèi)皮細(xì)胞和人成纖維細(xì)胞，結(jié)果顯示：所有點(diǎn)陣微結(jié)構(gòu)幾乎同等程度抑制了成纖維細(xì)胞的分化，內(nèi)皮細(xì)胞的增殖沒有受到負(fù)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(xì)胞。結(jié)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(xì)菌在激光處理區(qū)域都受到抑制，INT407 細(xì)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(jié)構(gòu)能夠抑制目標(biāo)細(xì)胞的生物學(xué)行為和多種有害細(xì)菌的存活。

晶硅片廣泛應(yīng)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(zhǔn)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(zhì)SW10 細(xì)胞的結(jié)果顯示：在低激光能量照射硅片的納米結(jié)構(gòu)上，細(xì)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(fù)合結(jié)構(gòu)為細(xì)胞提供有利的生存地形，明顯改善了細(xì)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(shù)的生物材料，表面納米結(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)合材料表面，生成了微/納米結(jié)構(gòu)。研究表明：微/納米結(jié)構(gòu)的存在增強(qiáng)了表面的親水性、蛋白質(zhì)吸附、rBMSCs 細(xì)胞的光密度和堿性磷酸酶活性，表明了微/納米結(jié)構(gòu)顯著促進(jìn)了rBMSCs 細(xì)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(dú)特優(yōu)點(diǎn)。在組織工程領(lǐng)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(jié)構(gòu)，能夠促進(jìn)或抑制某種細(xì)胞的生物學(xué)行為。微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)通常有利于細(xì)胞生物響應(yīng)，而單一的微米或納米結(jié)構(gòu)在不同材料和不同表面地形結(jié)構(gòu)下也會抑制細(xì)胞生物學(xué)行為。由于細(xì)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(jié)構(gòu)，所以，各種生物材料表面形貌和微/納結(jié)構(gòu)對不同細(xì)胞生物學(xué)行為的影響還需要更多基礎(chǔ)性研究，探索細(xì)胞生物學(xué)行為的規(guī)律與控制方法。

4 總結(jié)與展望

激光制造技術(shù)打破了傳統(tǒng)制造工藝束縛，激光快速成型的多孔隙結(jié)構(gòu)植入物能夠在保持高強(qiáng)度的前提下降低彈性模量，減少“應(yīng)力屏蔽”效應(yīng)。脈沖激光沉積具有生物活性的玻璃陶瓷涂層為細(xì)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(yīng)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(shí)現(xiàn)殘余應(yīng)力的最小化等問題還需要進(jìn)一步的研究。利用超快激光在生物材料表面制備微/納結(jié)構(gòu)，改善材料表面物理化學(xué)性質(zhì)，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?fù)浣Y(jié)構(gòu)與細(xì)胞的作用機(jī)理還缺少完整解釋，有待深入研究。

目前的激光制造技術(shù)雖然能夠直接制造并進(jìn)一步處理生物材料，但是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展還不夠成熟，個(gè)性化的植入物也沒有得到規(guī)?；膽?yīng)用。下一步可以通過升級激光制造技術(shù)的設(shè)備和工藝，實(shí)現(xiàn)高效、智能、綠色的生產(chǎn)模式，并開發(fā)復(fù)合粉末材料，對不同材料的力學(xué)性能和生物活性進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。利用有限元軟件對焊接溫度場與應(yīng)力場進(jìn)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(jī)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(diǎn)。與此同時(shí)，還要探索降低生產(chǎn)成本、建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、完善性能評價(jià)體系等，以在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域爭取更大的發(fā)展空間。