《Optics & Laser Technology》：Laser generated micro/nanotexturing and controllable wettability of the titanium surface for its implications in different fields
编辑推荐：
钛表面激光微/纳米结构加工及其润湿性调控研究
摘要：采用脉冲纳秒Nd:YAG激光在钛表面制备三种扫描模式（直排、交叉、移位直排）的微/纳米结构，系统分析激光通量与扫描策略对表面形貌、粗糙度和润湿性的影响。结果表明低通量下形成超亲水微皱结构，高通量下通过多尺度结构实现超疏水特性，并发现表面化学成分变化与润湿性存在显著关联。该研究为单步激光功能化表面处理提供了理论依据。
P.昌德拉坎塔·辛格（P.Chandrakanta Singh）| 维尼特·库马尔·舒克拉（Vineet Kumar Shukla）| R.K.辛格（R.K. Singh）
印度甘地讷格尔（Gandhinagar）等离子体研究所（Institute for Plasma Research），邮编382428
摘要
在本研究中，我们在钛（Ti）表面生成了激光诱导的微/纳米结构，以提高其在生物医学工程中的应用潜力。重点关注了对表面润湿性的可控操控，因为润湿性在多种应用中起着关键作用，包括生物医学植入物、摩擦系统、自清洁表面和抗腐蚀涂层等。我们采用了三种不同的扫描方式——光栅扫描（raster）、交叉光栅扫描（cross-raster）和移位光栅扫描（shift-raster），并在不同的激光参数条件下在钛表面生成了结构。通过扫描电子显微镜（SEM）、三维轮廓测量（3D profilometry）和静态接触角测量分别系统研究了表面形貌、粗糙度和润湿性。研究发现，激光能量密度和扫描策略显著影响了生成结构的形状、尺寸和分布。在相对较低的激光能量密度下，表面形成了波纹和微沟结构，表现出超亲水性；而在较高的激光能量密度下，则形成了具有层级结构的超疏水性表面。此外，还利用光学发射光谱（optical emission spectroscopy）研究了不同表面纹理的化学性质与其亲水性和疏水性之间的关系。激光加工参数、表面形貌和润湿性之间的这种关联为根据具体应用需求对表面进行功能化处理提供了一种多功能、一步到位的方法。
引言
近年来，通过表面纹理化改变金属表面的形貌、摩擦学特性和润湿性特性引起了广泛关注，因为这些特性在生物工程和医学科学中有着直接的应用，例如细胞粘附、细胞生长、增殖、细胞迁移以及骨植入等[1]、[2]、[3]。例如，更好的功能性植入物不仅需要结构上的兼容性，表面的兼容性（即形貌、耐腐蚀性和润湿性）也对成功的骨愈合和高骨整合过程至关重要[4]。与光滑表面相比，微/纳米纹理化的植入物显示出更高的成功率[5]。表面润湿性由液体-固体界面的接触角定义[6]。适度的亲水性条件（接触角40°至60°）被认为是细胞增殖和粘附的理想状态[7]。然而，具有极端润湿性的表面（即超亲水性（约0°）和超疏水性（≥150°）在生物材料中尤为重要[8]、[9]。超疏水性表面能够抵抗细菌污染并降低感染风险[10]，而超亲水性表面则能增强细胞粘附性并提高生物相容性[11]。需要注意的是，表面的功能特性在很大程度上取决于表面上生成结构的形状、尺寸、拓扑结构和形成顺序。因此，精确且可控的表面纹理化对于其在所需应用中的使用至关重要。
为了提高材料的生物活性，人们采用了多种表面纹理化技术，如机械加工、等离子喷涂、喷砂和化学蚀刻等[12]、[13]、[14]。然而，这些方法存在一些主要缺点，如难以控制粗糙度的形状和尺寸、加工效果不佳、化学污染、效率低以及成本较高[15]、[16]。近年来，基于局部加热、熔化/蒸发和再固化的激光表面纹理化技术得到了发展[17]、[18]、[19]。这种技术的独特优势在于它能够根据材料的硬度在表面上产生所需的纹理[20]。与传统方法相比，该技术具有更高的精度和可控性，环保且为单步工艺，同时减少了处理时间和成本[16]。已有许多研究报道了激光表面纹理化技术在生物医学和工程应用中调整表面形貌和润湿性的效果[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。Yang等人[21]和Wang等人[22]展示了通过低温退火和紫外照射在激光纹理化的Ti-6Al-4V钛合金上实现从亲水到疏水的润湿性转变；Liu等人[23]通过热处理纹理化表面也实现了类似的润湿性转变；Hariyono等人[25]研究了在纳秒激光纹理化的Ti-6Al-4V表面上退火辅助的有机吸附对润湿性状态的影响；Primus等人[26]研究了在不同后处理条件下激光处理表面的可控润湿性变化。尽管关于这一主题的实验研究很多，但人们对多次激光扫描过程中能量密度依赖性的加热和材料去除过程及其对表面功能和润湿性行为的影响关注较少。特别是在使用纳秒激光脉冲进行表面处理的情况下，这些过程起着至关重要的作用。
鉴于上述情况，我们尝试使用脉冲纳秒Nd:YAG激光在钛（Ti）表面生成微/纳米结构。通过不同的扫描方案和激光加工参数来优化表面结构的尺寸、分布和图案。重点关注根据不同应用需求直接操控表面润湿性。选择钛作为实验材料是因为它具有重量轻、强度高、耐腐蚀性和生物相容性等优点。简要讨论了不同扫描方案中激光参数的重要性。还利用光学发射光谱研究了接触角行为与激光诱导的化学改性之间的关系。我们认为，本研究可以为未来针对不同应用的表面处理实验提供参考。
部分摘录
激光生成的纹理化
实验装置的示意图如图1所示。使用水刀将高纯度钛（99.9%）板材（尺寸为50×50×1毫米）切割成10×10×1毫米的小块，制备不同的样品。样品用异丙醇溶液清洗并在常温下干燥。然后使用波长为1064纳米、脉冲持续时间为6纳秒、重复频率为10赫兹的Nd:YAG激光（Quantel Brilliant）对钛表面进行处理。
在这些实验中，
激光纹理化钛表面的形貌分析
使用脉冲激光在金属表面雕刻图案涉及多个物理过程，例如加热、熔化、蒸发和等离子体形成。这些过程最终会去除相互作用区域的材料，在表面留下纹理化的图案。因此，通过对目标表面进行预定义的激光扫描，可以实现所需的激光表面纹理化。
结论
总之，系统地研究了使用脉冲纳秒Nd:YAG激光对钛表面进行激光纹理化以控制其形貌和润湿性。通过改变激光参数并采用不同的扫描策略，成功实现了从超亲水性到超疏水性的表面状态转变。主要研究结果总结如下：
1.交叉光栅扫描（CRS）生成了均匀的沟槽结构，并表现出持续的超亲水性，
作者贡献声明
P.昌德拉坎塔·辛格（P. Chandrakanta Singh）：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、验证、方法论、实验设计、概念化。
维尼特·库马尔·舒克拉（Vineet Kumar Shukla）：可视化、方法论、正式分析。
R.K.辛格（R.K. Singh）：概念化、正式分析、实验设计、方法论、验证、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢甘地讷格尔FCIPT的Purvi Kikani博士在形貌表征方面提供的帮助。P.C. Singh还要感谢等离子体研究所提供的博士后奖学金。
