製備納米結構生物活性鈦金屬薄膜的方法
2023-04-26 13:28:11
專利名稱：製備納米結構生物活性鈦金屬薄膜的方法
技術領域：
本發明涉及的是一種生物材料技術領域的製備方法，特別是一種製備納米結構生物活性鈦金屬薄膜的方法。
背景技術：
在機體內，細胞處於由細胞外基質提供的、由膠原蛋白、纖粘蛋白等不溶性大分子構成納米尺度的支架中。研究發現作為自然骨主要成分的羥基磷灰石，其結晶體長約50～100nm，直徑約1-10nm。然而，傳統植入材料(包括純鈦和鈦合金材料)的表面顆粒尺度在微米量極，具有在微米尺度下粗糙，而在納米尺度下光滑的特點，從而限制了細胞和表面在納米尺度上的相互作用，使這類材料和骨組織間不能穩定結合，造成植入體鬆動脫落。因此，通過構建納米尺度下的粗糙表面，將可能促進植入材料和骨細胞的相互作用，提高材料和骨組織間的結合強度。
2004年美國普渡大學Webster領導下科研小組將顆粒尺度不同的Ti，Ti6Al4V，CoCrMo金屬和合金顆粒壓型製備成表面顆粒尺度不同的金屬和合金材料，首次發現金屬/合金的納米表面可改善人工植入物的功能，即藉由納米級的表面，可以讓骨骼細胞更穩固地依附在金屬/合金上，他們的工作刊登在《Biomaterials》(《生物材料》)2004年第25卷4731-4739頁的文章「Increasedosteoblast adhesion on nanophase metalsTi，Ti6Al4V，and CoCrMo」(「成骨細胞在納米相金屬Ti，Ti6Al4V，和CoCrMo上粘連能力的提高」)。但遺憾的是，他們尚未對所製備的材料的強度和彈性模量等力學性質進行研究，而植入材料的生物力學相容性即具有和自然骨組織的相匹配的機械力學性質是生物材料應具有的性能之一。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供一種製備納米結構生物活性鈦金屬薄膜的方法，使其具有簡單經濟的優點，在保持原有良好機械性能的前提下，在普通生物醫用植入物材料表面修飾一層具有恰當納米結構的鈦金屬膜層，以改善其生物活性。
本發明是通過以下技術方案實現的，其步驟如下(1)將待處理的醫用植入物基材先後置入丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗15分鐘，然後用去離子水衝洗，烘乾後備用。
(2)將金屬純度為99.9％的鈦靶固定在磁控陰極靶託上，將清洗烘乾後待處理的醫用植入物基材固定在磁控濺射系統真空室的樣品基座上。靶面至樣品的距離為60mm至110mm之間，靶表面上濺射區域的磁場強度約為2800高斯。
(3)烘烤磁控濺射系統真空室，待磁控濺射系統真空室本底真空抽至2×10-3Pa以下時，通入氬氣，調節氬氣流量在10sccm-30sccm之間，調節功率在40W-100W之間，氣壓在0.3Pa-4Pa之間後，對濺射系統中的鈦靶進行直流輝光濺射清洗。濺射清洗時，轉動檔板位置，用檔板將待處理的醫用植入物基材和鈦靶隔開，以免從鈦靶表面濺射出的成分沉積到待處理的醫用植入物基材上。
(4)待濺射清洗穩定後，移開檔板，在待處理的醫用植入物基材上沉積納米結構金屬Ti生物活性膜。此時，氬氣流量仍保持在30sccm，調節總氣壓在0.3Pa-3.6Pa之間，調節功率在40W-80W之間，直流磁控濺射鈦靶。
(5)濺射後從真空室取出試樣，即在基材表面沉積了一層納米結構生物活性鈦金屬薄膜。
本發明製備得到的納米結構生物活性鈦金屬薄膜，表面布滿了緻密且均勻的Ti顆粒，通過選擇恰當的製備參數，薄膜表面平均顆粒尺度可控制在在10nm至50nm之間，薄膜厚度控制在20nm-200nm之間。
本發明採用直流磁控濺射的技術，根據物理氣相沉積成膜理論，選擇合適的工藝參數以及成膜後處理手段，在醫用植入物表面修飾一層顆粒尺度恰當納米結構的鈦金屬薄膜，Ti薄膜暴露在空氣後，在保留原有薄膜表面的納米結構的同時，表面即覆蓋形成一層幾個納米厚生物相容性優良的氧化層，使生物活性更加優異。中與現有技術相比，簡單經濟，而且通過這種方法製得的納米結構Ti生物活性膜與植入物表面結合牢固，對原醫用植入物的機械性能無任何破壞，提高了原普通醫用植入物的生物相容性，方法簡單且成本較低，有很大的應用潛力。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明作進一步的描述。
實施例1將經過拋光的醫用植入物Ti基材先後置入丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗15分鐘，然後用去離子水衝洗，烘乾備用。將純度為99.9％的鈦靶固定在磁控陰極靶託上，將清洗烘乾後待處理的醫用植入物基材固定在磁控濺射系統真空室的樣品基座上。靶表面上濺射區域的磁場強度約為2800高斯，靶面至基板的距離為60mm。製備前先烘烤真空室，待本底真空抽至2×10-3Pa時，通入氬氣至1Pa後對靶材進行直流輝光濺射清洗。待完成濺射清洗鈦靶後調節氬氣流量為10sccm，總氣壓為0.3Pa。調節功率至40W，濺射10分鐘後從真空室取出式樣，即在基材表面沉積了一層納米結構生物活性鈦金屬薄膜。
經橢偏儀檢測，薄膜的厚度約為56nm。經原子力顯微鏡AFM檢測，薄膜表面顆粒平均尺度為40nm左右。
實施例2將拋光的醫用植入物Ti6Al4V基材先後置入丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗15分鐘，然後用去離子水衝洗，烘乾備用。將純度為99.9％的鈦靶固定在磁控陰極靶託上，將清洗烘乾後待處理的醫用植入物Ti6Al4V基材固定在磁控濺射系統真空室的樣品基座上。靶表面上濺射區域的磁場強度約為2800高斯，靶面至基板的距離為110mm。製備前先烘烤真空室，待本底真空抽至2×10-3Pa時，通入氬氣至0.3Pa後對靶材進行直流輝光濺射清洗。待完成濺射清洗鈦靶後，此時調節氬氣的流量為30sccm，總氣壓為1.2Pa。調節功率至80W，濺射5分鐘後從真空室取出式樣，即在基材表面得到了一層納米結構生物活性鈦金屬薄膜。
經橢偏儀檢測，薄膜的厚度約為25nm。經原子力顯微鏡AFM檢測，薄膜表面顆粒平均尺度為10nm左右。
實施例3將拋光的醫用植入物Ti6Al4V基材先後置入丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗15分鐘，然後用去離子水衝洗，烘乾備用。將純度為99.9％的鈦靶固定在磁控陰極靶託上，將清洗烘乾後待處理的醫用植入物Ti6Al4V基材固定在磁控濺射系統真空室的樣品基座上。靶表面上濺射區域的磁場強度約為2800高斯，靶面至基板的距離為90mm。製備前先烘烤真空室，待本底真空抽至2×10-3Pa時，通入氬氣至3Pa後對靶材進行直流輝光濺射清洗。待完成濺射清洗鈦靶後，此時調節氬氣的流量為20sccm，總氣壓為3.6Pa。調節功率至60W，濺射40分鐘後從真空室取出式樣，即在基材表面得到了一層納米結構生物活性鈦金屬薄膜。
經橢偏儀檢測，薄膜的厚度約為210nm。經原子力顯微鏡AFM檢測，薄膜表面顆粒平均尺度為50nm左右。
實施例4將拋光的醫用植入物Ti基材先後置入丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗15分鐘，然後用去離子水衝洗，烘乾備用。將純度為99.9％的鈦靶固定在磁控陰極靶託上，將清洗烘乾後待處理的醫用植入物Ti基材固定在磁控濺射系統真空室的樣品基座上。靶表面上濺射區域的磁場強度約為2800高斯，靶面至基板的距離為90mm。製備前先烘烤真空室，待本底真空抽至2×10-3Pa時，通入氬氣至1Pa後對靶材進行直流輝光濺射清洗。待完成濺射清洗鈦靶後，此時調節氬氣的流量為30sccm，總氣壓為0.52Pa。調節功率至60W，濺射20分鐘後從真空室取出式樣，即在基材表面得到了一層納米結構生物活性鈦金屬薄膜。
經橢偏儀檢測，薄膜的厚度約為108nm。經原子力顯微鏡AFM檢測，薄膜表面顆粒平均尺度為30nm左右。
權利要求
1.一種製備納米結構生物活性鈦金屬薄膜的方法，其特徵在於，步驟如下(1)將待處理的醫用植入物基材清洗後烘乾後備用；(2)將鈦靶固定在磁控陰極靶託上，並將清洗烘乾後待處理的醫用植入物基材固定在磁控濺射系統真空室的樣品基座上，調節靶面至基板的距離，靶表面上濺射區域的磁場強度為2800高斯；(3)烘烤磁控濺射系統真空室，通入氬氣，調節氬氣流量在10sccm-30sccm之間，調節功率在40W-100W之間，氣壓在0.3Pa-4Pa之間後，對濺射系統中的鈦靶進行直流輝光濺射清洗；濺射清洗時，轉動檔板位置，用檔板將待處理的醫用植入物基材和鈦靶隔開，以免從鈦靶表面濺射出的成分沉積到待處理的醫用植入物基材上；(4)待濺射清洗穩定後，移開檔板，在待處理的醫用植入物基材上沉積納米結構金屬Ti生物活性膜，此時，氬氣流量仍保持在30sccm，調節總氣壓在0.3Pa-3.6Pa之間，調節功率在40W-80W之間，直流磁控濺射鈦靶；(5)濺射後從真空室取出試樣，即在基材表面沉積了一層納米結構生物活性鈦金屬薄膜。
2.根據權利要求1所述的製備納米結構生物活性鈦金屬薄膜的方法，其特徵是，所述的步驟(1)，具體是將待處理的醫用植入物基材先後置入丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗15分鐘，然後用去離子水衝洗，烘乾備用。
3.根據權利要求1所述的製備納米結構生物活性鈦金屬薄膜的方法，其特徵是，所述的步驟(2)，鈦靶純度為99.9％。
4.根據權利要求1所述的製備納米結構生物活性鈦金屬薄膜的方法，其特徵是，所述的步驟(2)，靶面至基板的距離為60mm至110mm之間。
5.根據權利要求1所述的製備納米結構生物活性鈦金屬薄膜的方法，其特徵是，所述的步驟(3)，待本底真空抽至2×10-3Pa以下時，通入氬氣。
全文摘要
一種生物材料技術領域的製備納米結構生物活性鈦金屬薄膜的方法，步驟如下將醫用植入物基材清洗、烘乾備用；固定鈦靶及基材；烘烤真空室，通入氬氣，調節氬氣流量在10sccm－30sccm，功率在40W－100W，氣壓在0.3Pa－4Pa之間後，對濺射系統中的鈦靶進行直流輝光濺射清洗；待完成濺射清洗鈦靶後，氬氣流量仍保持在30sccm，調節總氣壓在0.3Pa－3.6Pa之間，調節功率在40W－80W之間，直流磁控濺射鈦靶；濺射後從真空室取出試樣。本發明簡單經濟，製得的納米結構Ti生物活性膜與植入物表面結合牢固，對原醫用植入物的機械性能無任何破壞，提高了原普通醫用植入物的生物相容性，有很大的應用潛力。
文檔編號A61L27/06GK1718842SQ20051002867
公開日2006年1月11日 申請日期2005年8月11日 優先權日2005年8月11日
發明者鍾曉霞, 周威, 袁璐琦, 夏宇興 申請人:上海交通大學