在鈦合金表面製備生物活性複合薄膜的方法
2023-10-22 21:45:37 2
專利名稱：在鈦合金表面製備生物活性複合薄膜的方法
技術領域：
本發明涉及一種在鈦合金表面製備生物活性複合薄膜的方法，具體是採用物理氣相沉積技術和多步組裝的化學方法在鈦合金表面獲得梯度多層類金剛石、酪蛋白磷酸肽生物活性複合薄膜。
背景技術：
鈦及鈦合金以良好的生物相容性、低密度、低彈性模量(80_100GPa)等特點越來越受到醫學研究人員的關注。因此鈦及鈦合金人工關節(例如髖關節、膝關節、肘關節、踝關節等)及修復體已被廣泛用於人體骨組織修復及矯形手術中。目前廣泛使用的T1-6A1-4V具有強度高、延展性好等特點。但其耐磨性和生物活性較差，即使與作為關節凹軟材料的超高分子聚乙烯對磨，也會產生磨屑，磨屑會誘發骨吸收，從而導致人工關節無菌性鬆動而造成置換敗。其次生物材料植入體內後，最先發生的是有機分子(主要是蛋白質分子)在材料表面的吸附，生成吸附層，之後再在有機分子吸附層上才能誘發進一步的生理反應。因此，鈦合金的表面處理是非常重要。目前鈦合金表面處理的研究主要包括物理處理(噴砂、離子注入等)、化學處理(酸蝕、微弧氧化、電化學沉積、鹼熱處理等)，但對於生物處理，即表面生物蛋白黏附的研究較少。鈦合金表面只有吸附某些有機分子才會激活周圍組織中一些細胞而發生作用，並促進細胞的增殖及合成因子的活化。因此，如何提高鈦合金耐磨性能和生物活性，從而使其作為生物植入材料更更廣泛的應用於生物醫學領域，具有重要的臨床意義。
發明內容
本發明的目的是提供一種具有耐磨性能和良好生物活性的鈦合金表面薄膜的方法，以此來提高鈦合金的摩擦學性能和生物活性，彌補其在臨床應用中的不足。一種在鈦合金表面製備生物活性複合薄膜的方法，其特徵在於將經過常規前處理後的鈦合金置於多弧離子鍍-磁控濺射複合氣相沉積真空系統中，沉積以Ti為過渡層的DLC薄膜，具體步驟為:A、鈦合金即T1-6A1_4V鍍件表面濺射清洗，將鈦合金基片置於多弧離子鍍_磁控濺射複合氣相沉積真空系統中，氬氣氣體流量500SCCm，偏壓為1.3KV，靶電流為12A，處理時間為15min ；B、多弧離子鍍Ti過渡層，金屬Ti靶為陰極，工作氣體為氬氣，流量為70SCCm，偏壓800V，處理時間5 IOmin ；C、多弧離子鍍沉積DLC，工作氣體為甲烷，流量為200sccm偏壓為800V，佔空比為80%，處理時間為40min ； D、DLC表面聚多巴胺薄膜的修飾，將多巴胺加入TriS-HCl緩衝溶液中，充分攪拌使多巴胺完全溶解，然後將表面沉積了 DLC薄膜的T1-6A1-4V基片放入該溶液中，室溫下攪拌後，將樣片取出，放入去離子水中超聲處理，然後用去離子水衝洗，最後氮氣吹乾；E、在修飾了聚多巴胺薄膜的DLC表面進一步修飾酪蛋白磷酸肽(CPP)，將經D步驟處理的樣品浸入酪蛋白磷酸肽溶液中，室溫下靜置後用PBS衝洗，真空乾燥，最後在T1-6A1-4V基片表面獲得DLC/CPP複合生物活性薄膜。在E步驟中，酪蛋白磷酸肽溶液的濃度為9-llg/L。製備的複合薄膜，依次由鈦合金基體、DCL薄膜、酪蛋白磷酸肽活性蛋白表層構成。薄膜既保持了鈦合金作為基體材料的一系列優秀品質，又提高了其生物活性及摩擦學性倉泛。本發明在表面製備了 DLC/CPP生物活性複合薄膜的鈦合金的摩擦係數遠遠低於普通鈦合金，幹摩擦係數低於0.08，(摩擦磨損試驗採用球-盤摩擦試驗機進行評價,採用往復滑動的方式，載荷為5N，摩擦對偶為Φ5πιπι的Si3N4球)。採用本發明製得的DLC/CPP生物活性複合薄膜，具有優異的摩擦學性能和生物活性。其特點在於將具有高硬度及高耐磨性和低摩擦係數等一系列優異的性能的DLC薄膜和能效促進人體對鈣的吸收和利用的CPP相結合，製備出了 DLC/CPP生物活性複合薄膜。經這種複合薄膜改性的鈦合金兼有了優異的摩擦學性能和生物活性，克服了傳統鈦合金在臨床應用中存在的耐磨性及生物活性差等缺點。從而滿足其作為生物植入材料在臨床應用中的要求。本發明的鈦合金表面加工方法屬於真空等離子和化學自組裝範疇，綠色環保，不會對環境造成汙染。表面接枝活性蛋白方法簡單易行，不需要專用設備操作簡便、工藝穩定，可實現批量生產。因此該技術在生物醫用材料領域具有很好的應用價值。
圖1為不同處理鈦合金表面成骨細胞增殖率的比較。我們與未進行表面改性的鈦合金進行了相關生物學性能對比，結果如圖1所示，鈦合金表面DLC/CPP生物活性複合薄膜有優異的生物活性。
具體實施例方式實施例1取I X Icm2大小Ti_6Al_4V片，Ti_6Al_4V片表面DLC/CPP生物活性複合薄膜結構為T1-6A1-4V基體/DLC層/CPP層，處理工藝按照以下步驟進行:(I)將Ti_6Al_4V基片進行常規除油清洗，然後在丙酮和乙醇溶液中依次進行超聲清洗；(2)T1-6Al-4V基片置於多弧離子鍍-磁控濺射複合氣相沉積真空系統中，進行氬等離子體濺射清洗，氬氣氣體流量為500sccm，偏壓為1.3KV，靶電流為12A，處理時間為15min ； (2)多弧離子鍍Ti過渡層，金屬Ti靶為陰極，工作氣體為氬氣，流量為70sccm，偏壓800V，處理時間5 IOmin ； (3)多弧離子鍍沉積DLC，工作氣體為甲烷，流量為200SCCm偏壓為800V，佔空比為80%，處理時間為40min ； (4) DLC表面聚多巴胺薄膜的修飾，稱量80mg多巴胺加入製備好的Tris-HCl緩衝溶液40mL，充分攪拌使多巴胺完全溶解，然後將表面沉積了 DLC薄膜的Ti_6Al_4V基片放入該溶液中，室溫下攪拌2h後，將樣片取出，放入去離子水中超聲lmin，然後用大量去離子水衝洗，最後氮氣吹乾；(5)在修飾了聚多巴胺薄膜的DLC表面進一步修飾酪蛋白磷酸肽(CPP)，將經上一步驟處理的樣品浸入配製成的10g/L的酪蛋白磷酸肽溶液中，室溫下靜置過夜後用PBS衝洗， 真空乾燥。最後在T1-6A1-4V基片表面獲得DLC/CPP複合生物活性薄膜。
權利要求
1.一種在鈦合金表面製備生物活性複合薄膜的方法，其特徵在於將經過常規前處理後的鈦合金置於多弧離子鍍-磁控濺射複合氣相沉積真空系統中，沉積以Ti為過渡層的DLC薄膜，具體步驟為: A、鈦合金即T1-6A1-4V鍍件表面濺射清洗，將鈦合金基片置於多弧離子鍍-磁控濺射複合氣相沉積真空系統中，氬氣氣體流量500SCCm，偏壓為1.3KV，靶電流為12A，處理時間為 15min ； B、多弧離子鍍Ti過渡層，金屬Ti靶為陰極，工作氣體為氬氣，流量為70SCCm，偏壓800V，處理時間5 IOmin ； C、多弧離子鍍沉積DLC，工作氣體為甲烷，流量為200sccm偏壓為800V，佔空比為80%，處理時間為40min ； D、DLC表面聚多巴胺薄膜的修飾，將多巴胺加入Tris-HCl緩衝溶液中，充分攪拌使多巴胺完全溶解，然後將表面沉積了 DLC薄膜的T1-6A1-4V基片放入該溶液中，室溫下攪拌後，將樣片取出，放入去離子水中超聲處理，然後用去離子水衝洗，最後氮氣吹乾； E、在修飾了聚多巴胺薄膜的DLC表面進一步修飾酪蛋白磷酸肽，將經D步驟處理的樣品浸入酪蛋白磷酸肽溶液中，室溫下靜置後用PBS衝洗，真空乾燥，最後在T1-6A1-4V基片表面獲得DLC/CPP複合生物活性薄膜。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於E步驟中酪蛋白磷酸肽溶液的濃度為9-1Ig/L0
全文摘要
本發明公開了一種在鈦合金表面製備生物活性複合薄膜的方法，具體是將經過常規前處理後的鈦合金置於多弧離子鍍-磁控濺射複合氣相沉積真空系統中，沉積以Ti為過渡層的DLC薄膜。複合薄膜依次由鈦合金基體、DCL薄膜、酪蛋白磷酸肽活性蛋白表層構成。薄膜既保持了鈦合金作為基體材料的一系列優秀品質，又提高了其生物活性及摩擦學性能。
文檔編號C23C14/16GK103160790SQ20111042811
公開日2013年6月19日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者張俊彥, 卜銀忠, 王琳, 張斌 申請人:中國科學院蘭州化學物理研究所