现代生物医学领域中,由于意外创伤事故导致的创伤性骨折和骨丢失在临床上越来越常见,骨植入物对骨结构和功能的修复是临床医学常用的手段。目前应用较为广泛的骨植入物有金属植入物和生物陶瓷植入物。钛合金由于拥有良好的机械性能、耐腐蚀性被广泛应用,但是由于其较低的耐磨损性能和生物惰性,会影响植入的长期稳定性。生物陶瓷植入物中羟基磷灰石(Hydroxyapatite,HA)由于其良好的生物相容性、类骨性、耐生物磨损被广泛应用于骨修复和骨组织再生,但是其韧性低、脆性大,难以在植入物中大量领域应用。本文采用激光熔覆工艺在Ti6Al4V合金表面制备了组织结构致密Pexidartinib溶解度、耐磨损和具有良好生物活性的HA梯度涂层。另外,由于激光熔覆涂层表面的原始形MK-2206研究购买貌不利于降低生物磨损率和成骨细胞的粘附增殖,本文基于HA涂层的生物活性的优越性,采用纳秒激光在其表面制备仿骨微纹理,使骨植入物材料同时具有类骨材质和类骨表面微纹理。本文的主要研究内容如下:(1)激光熔覆制备HA梯度涂层工艺优化研究根据材料的热力学特性调控预置粉末配比、预置层厚度和激光参数,研究此类参数对激光熔覆层的物相、晶体结构特征的影响。探讨了synaptic pathology激光熔覆HA梯度涂层熔融凝固的强化机理和陶瓷晶粒的生长机制,进一步研究其对梯度熔覆层硬度梯度、耐腐蚀、耐磨损和细胞毒性等各项性能的影响,以优化激光熔覆工艺。研究表明,当激光熔覆参数为搭接率50%,扫描速度1cm/s,激光功率700W时,涂层表面平整界面致密,并且与基体结合紧密,无细胞毒性,生物磨损性能优异。(2)纳秒激光加工HA涂层的烧蚀机理和去除规律研究建立了纳秒激光烧蚀类骨材质HA梯度涂层的二维模型,研究激光烧蚀过程中的材料表面的传热及流场变化,分析了烧蚀坑的演变过程。仿真结果显示,熔池的温度场主要受热传导影响,随着烧蚀次数的增加,在汽化和液相迁移的共同作用下,烧蚀坑的深度显著增加。随着熔池的逐渐凝固,马兰戈尼流作用下熔池内的流速逐渐降低,反冲压力通过影响液相的流速决定了烧蚀坑内部的形貌及烧蚀区域。HA材料与金属材料相比热导系数较金属更小,烧蚀坑呈现出形成浅且宽的形貌。采用相同参数进行试验验证,试验结果与仿真结果较为相近,验证了此模型的可行性。通过正交和响应曲面法,研究了激光参数对于烧蚀槽形貌的影响。研究发现伴随着激光频率和烧蚀次数的增加,HA涂层烧蚀槽内热累积量增加,导致烧蚀槽的宽度和深度不断增加。当烧蚀次数较高且激光能量密度较大时,材料会出现多光子吸收效应,导致材料以爆炸的形式脱离基体。(3)HA涂层表面仿骨微纹理的提取及制备研究根据骨表面微观结构特征,设计制备长径比1.5:1～4.0:1和深度最大为10.9～23.4μm的仿骨微纹理,实现了具有深度梯度仿骨微纹理的可控加工,并研究了不同尺寸微纹理的细胞活性,优化微纹理几何结构。研究发现,具有仿骨特征的微纹理能够良好地模拟原生骨,并且控制细胞与材料表面的相互作用。当微纹理的长径比为2.5:1,最大深度为15.7μm时,成骨细胞具有良好的增殖率以及粘附强度。仿骨微纹理的几何形貌以及深度梯度,构造了成骨细胞粘附和增殖的重要环境诱导信号,在其对细胞形态的引导下,细胞形态由微纹理前端至尾端呈现出不同的粘附形态。(4)仿骨微纹理阵列生物磨损和细胞粘附性能研究以优化后的仿骨微纹理结构为单元,加工了平行、交错、首尾相接的微纹理阵列。通过对微纹理试样表面进行仿“行走状态”关节载荷摩擦磨损试验,研究了具有仿骨特征的微纹理阵列对HA涂层植入物生物摩擦性能的影响。另外,还通过成骨细胞的体外培养试验,研究了不同排列方式的微纹理阵列对成骨细胞粘附以及增殖状态的影响。研究表明,仿骨微纹理阵列能够提高植入物的生物磨损性能,并且能够有效地减少对磨副的磨损率,提高了骨植入物的服役年限。成骨细胞体外粘附试验表明,平行和交错排列的微纹理阵列具有较好细胞粘附增殖特性。较小间距的平行和交错仿骨微纹理阵列同时具有较好的生物磨损性能和细胞粘附增殖性能。综上所述,本文针对医疗器械领域对改善骨植入物性能的迫切需求,采用激光熔覆和纳秒激光微织构工艺制备了同时具有类骨材质和类骨表面特征的仿骨微纹理HA涂层植入物。通过对材料表面性能、理化性能、磨损性能和细胞粘附性能方面的研究,验证了仿骨微纹理HA涂层材料具有优异的生物磨损性能和细胞活性。上述研究为激光可控制备仿骨植入物提供实验和理论基础。