专利名称：载银医用金属生物活性涂层及其制备方法应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种医用金属生物活性涂层的制备方法及其应用，特别是涉及一种载银医用金属生物活性涂层的制备方法及其应用。
背景技术：
人体器官和组织往往由于创伤、疾病、功能退化或先天性异常等原因而降低甚至 丧失其原有的功能，应用生物医用材料来修复或替代人体组织和功能是临床上行之有效的医疗途径。钛合金等是一种不仅具有良好的形状记忆效应，而且具有相变伪弹性的新型智能材料。由于其具有优良的生物相容性，无毒、不致癌、不致畸、不诱发变态反应，与机体组织有良好的亲和性，目前在生物医学工程领域已经得到了广泛的应用。对于开放性骨折和严重的骨缺损的治疗，一直是医学界难以解决的问题。难度在于如果早期不进行手术植骨修复骨缺损，可能会造成骨折延迟愈合、难以形成连接的问题如使骨折端血运受到干扰，增加软组织的损伤；还会出现骨端的吸收硬化、骨质疏松及骨与软组织萎缩，并伴有关节僵硬。而手术植骨又存在发生感染的可能，而且如果发生感染还会有并发症的出现。所以常规解决方法是在骨折后的感染、慢性骨髓炎遗留的大段骨缺损伤口愈合至少十个月后才进行手术植骨，尽管如此，骨移植还常常因为感染的复发而失败。现有技术在对植骨材料进行载有抗菌药物的处理时，通常采用庆大霉素、头孢类的抗菌素。导致的问题是一、许多致病菌对抗菌素可以快速产生抗药性；二、由于创伤部位血液循环被破坏，难以达到有效抗菌浓度，而增加用药提高血药浓度又会引起全身毒副作用。因此，传统治疗模式不仅疗程长，而且致残率高。银用于抗菌治疗具有无毒、无过敏、无耐、无交叉药物干扰等诸多优点。纳米银具有更高的比表面积，更高的活性面，因而杀菌活性也更强，用量降低，节约成本。为了解决这些问题，我们采用纳米银作为抗菌剂对医用金属表面进行修饰改善。目前已开发的金属基体表面沉积的方法有溶胶-凝胶(Sol-Gel)、等离子喷涂、水热法、脉冲激光沉积、电化学沉积法、涂覆-烧结法、喷雾热解法以及溅射等。磁控溅射是近年来发展起来的一种“高速低温溅射技术”。该技术的原理是电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子(或分子)沉积在基片上成膜。该技术具有基体温升低、成膜速度快、膜成分均匀、膜层性能稳定、薄膜体附着强度高等优点。目前这种技术大多用于玻璃膜的制备，在金属基体上沉积生物活性涂层的制备还比少。V. NeLea等通过对比磁控溅射和脉冲激光两种技术制备羟基磷灰石(HA)涂层，结果表明两种方法制备的HA涂层都是晶态的，且具有良好的力学性能，但与脉冲激光方法相比，磁控溅射制得的涂层表面较光滑。报道了采用高能、低能相结合的离子注技术制备富银抗菌膜热解碳的方法。但目前还没有磁控溅射技术制备载纳米银颗粒的抗菌医用金属生物活性涂层的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种银沉积到医用金属表面上的制备技术，在医用材料表面制备出性能稳定、抗菌、无生物毒性、生物相容性好的抗菌生物活性涂层。为达到上述目的，本发明提供一种载银医用金属 生物活性涂层的制备方法其特征在于采用磁控溅射法，包括以下步骤
(1)金属基体的处理；
(2)溅射前金属基体的处理；
(3)磁控溅射法制备载银医用金属生物活性涂层，阴极为高纯银靶，工作气体为氩气，真空室基底真空低于2. 0xl0_3Pa，靶的功率为40-80W，频率为13. 0-15. 6MHz，流量为30SCCM，控制沉积时间，得到载银医用金属生物活性涂层。所述的金属基体的处理为，金属基片先置于去离子水中振荡清洗，再放入丙酮溶液中振荡清洗，然后用去离子水清洗。所述的溅射前金属基片的处理为，将步骤(I)处理后的金属基片用氮气溅射清洗。所述的高纯银靶的纯度为99. 99%。所述的沉积时间为1-2分钟。所述的医用金属为医用钛，或钛合金，或医用不锈钢。本发明提供一种载银医用金属生物活性涂层。本发明提供一种载银医用金属生物活性涂层在植入人体的硬组织替代材料方面的应用。具体工艺参数如表I所示。表I
样品名称真空度(Pa) * ·流量(SCCM) 沉积时间(mm)
IHbdOr34030I
2— I.OxlO-:~40~"302
32.0xl0 JI 80I 302
本发明中，载银颗粒的抗菌医用金属生物活性涂层形貌通过扫描电镜观察，发现其表面涂层均匀，XRD图谱分析表明通过磁控溅射制备得到的纳米银抗菌生物活性涂层主要物相为Ag。本发明制备的载纳米银颗粒的抗菌医用金属生物活性涂层，其抗菌率高达99%以上。本发明还提供了载银颗粒的抗菌医用金属生物活性涂层的应用，即将载纳米银颗粒的抗菌医用金属生物涂层用于前成骨细胞MC3T3-E1的生物影响。将对数生长期的前成骨细胞MC3T3-E1加入到载纳米银抗菌医用金属生物涂层上，培养24小时，用MTT检测其对前成骨细胞MC3T3-E1的增殖情况，发现其有促进前成骨细胞增殖的能力。本发明提出的制备方法主要有如下优点
1)有高的沉积速率；
2)膜内缺陷低；
3)膜内应力低，与基体结合力强；4)膜成分均匀；
5)等离子体离子能量低，对基片的损伤很小；6)成膜温度低，甚至有可能在低温下合成亚稳态薄膜。
图I沉积I分钟的载纳米银医用金属生物涂层表面形貌图。图2沉积I分钟的载纳米银医用金属生物涂层扫描电镜厚度图。图3沉积2分钟的载纳米银医用金属生物涂层扫描电镜厚度图。 图4载纳米银医用金属生物涂层XRD图谱(横坐标表示衍射角2 (theta)，纵坐标表示衍射强度)。图5载纳米银医用金属生物涂层的抗菌菌落图。图6载纳米银医用金属生物涂层对前成骨细胞MC3T3-E1的增殖图。(I)空白钛片；(2)载纳米医用金属金生物涂层I ;(3)载纳米银医用金属生物涂层2 ; (4)载纳米银医用金属生物涂层3。
具体实施例方式以下实施例在以发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例I不同厚度载银钛合金生物活性涂层的制备 (I)金属基体的处理
本方法所用基材为尺寸为Φ12πιπιΧ1· 5mm的圆形钛片。用800，1000和1200号金相砂纸逐级打磨，直至表面平整光滑。将钛片置于去离子水中振荡清洗15min，再放入丙酮溶液中振荡清洗20min后,然后用去离子水清洗,备用。(2)不同厚度载纳米银医用金属生物活性涂层的制备
先将真空室基底真空抽至低于2. OxlO-3Pa,通入氩气对金属基体表面进行预溅射清洗，时间为5min。薄膜沉积时，氩气以一定流量比通入到真空室中。溅射电源采用直流电源，功率设定为40W，频率为13. 56MHz，氩气流量为40SCCM。本工作采用此参数下的反应溅射，通过变动溅射时间得到不同厚度的载纳米银医用金属生物活性涂层溅射时间分别lmin，2min。由场发射扫描电子显微镜观察表明由磁控溅射法制备的载纳米银医用金属生物活性涂层均匀(图I)，随着溅射时间的增加，其厚度增加，分别为9. 5±1. 51 μ m、19. 0±0. 57 μ m，能谱分析表明随着时间的增加，纳米银的含量也成倍增加(表2) XRD图谱分析表明通过磁控溅射制备得到的纳米银医用金属生物活性涂层主要物相为Ag。表2
样品名N重量百分O重量百分Si重量百分Ti重量百分Ag重量百分 称比比比比比
I"3.52~ O1.4290.534.54
~2 99053Μ73.519^62
35.70OI 2082.9810.12
实施例2不同粒径纳米银医用金属物活性涂层的制备(I)金属基体的处理
本方法所用基材为尺寸为Φ12πιπιΧ1· 5mm的圆形钛片。用800，1000和1200号金相砂纸逐级打磨，直至表面平整光滑。将钛片置于去离子水中振荡清洗15min，再放入丙酮溶液中振荡清洗20min后,然后用去离子水清洗,备用。(2)不同粒径纳米银医用金属生物活性涂层的制备
先将真空室基底真空抽至低于2. OxlO-3Pa,通入氩气对金属基体表面进行预溅射清洗，时间为5min。薄膜沉积时，氩气以一定流量比通入到真空室中。溅射电源采用直流电源，频 率设定为13. 56MHz，氩气流量为40SCCM，溅射时间为lmin。本工作采用此参数下的反应溅射，通过变动功率大小得到不同粒径大小的纳米银医用金属生物活性涂层功率分别设定为 40W，80W。由场发射扫描电子显微镜观察表明由磁控溅射法制备的载纳米银医用金属生物活性涂层均匀，随着功率的增加，其纳米银粒径增加，分别为20nm，40nm,能谱分析表明在沉积时间一定的条件下随着功率的增加，纳米银的含量也成倍增加。实施例3载纳米银医用金属生物活性涂层的抗菌性能
根据JC/T 897-2002抗菌陶瓷制品抗菌性能检测方法，采用平皿培养法进行抗菌测试。我们对革兰氏阴、阳性细菌大肠杆菌和金黄葡萄球菌进行了测试，抗菌率=(对照组-抗菌组)/对照组X100%，结果见表3。载纳米银医用金属生物活性涂层在培养皿里的菌落数，如图4所示。这些结果表明载纳米银钛合金生物活性涂层均具有明显的抗菌性倉泛。表 3
样品编号~对大肠杆菌的抗菌率~对金黄色葡萄球菌的抗菌率^
~ 100% 100%
2100% 100%
3100%99%
实施例4载纳米银医用金属生物活性涂层对前成骨细胞MC3T3-E1的影响
(I)细胞的培养
本发明所用前成骨细胞MC3T3-E1购自上海中科院细胞库，所用培养液为含体积分数为10%的胎牛血清和I %的青霉素-链霉素的a -MEM培养液。所用细胞在37°C，在体积分数为5% CO2的饱和湿度培养箱中培养，实验选用对数生长期细胞。(2) MTT检测细胞增殖
收集对数生长期细胞，调整细胞悬液浓度，使细胞密度为5 X IO3-I X IO4/孔；将载纳米银生物活性涂层放入24孔板，每孔加入700ul细胞悬液；5% C02，37°C孵育24小时；吸去培养液，每孔加入70ul MTT溶液(5mg/ml,即O. 5% MTT)，继续培养4h ;每孔加入700ul 二甲基亚砜(DMSO)，置摇床上低速振荡lOmin，使结晶物充分溶解；然后将其吸入96孔板中，在酶联免疫检测仪OD49tol处测量各孔的吸光值。如图6所示载纳米银医用金属生物活性涂层的细胞增殖率大于对照组，此结果表明载纳米银医用金属生物活性涂层对前成骨细胞的生长有促进作用，这将更有利于临床的应用。
权利要求
1.一种载银医用金属生物活性涂层的制备方法其特征在于采用磁控溅射法，包括以下步骤 (1)金属基体的处理； (2)溅射前金属基体的处理； (3)磁控溅射法制备载银医用金属生物活性涂层，阴极为高纯银靶，工作气体为氩气，真空室基底真空低于2. 0xl0_3Pa，靶的功率为40-80W，频率为13. 0-15. 6MHz，流量为30SCCM，控制沉积时间，得到载银医用金属生物活性涂层。
2.根据权利要求I所述的载银医用金属生物活性涂层的制备方法，其特征是在于，所述的金属基体的处理为，金属基片先置于去离子水中振荡清洗，再放入丙酮溶液中振荡清洗，然后用去离子水清洗。
3.根据权利要求I所述的载银医用金属生物活性涂层的制备方法，其特征是在于，所述的溅射前金属基片的处理为，将步骤(I)处理后的金属基片用氮气溅射清洗。
4.根据权利要求I所述的载银医用金属生物活性涂层的制备方法，其特征是在于，所述的高纯银靶的纯度为99. 99%。
5.根据权利要求I所述的载银医用金属生物活性涂层的制备方法，其特征是在于，所述的沉积时间为1-2分钟。
6.根据权利要求I所述的载银医用金属生物活性涂层的制备方法，其特征是在于，所述的医用金属为医用钛，或钛合金，或医用不锈钢。
7.由权利要求1-6之一所述的方法得到的载银医用金属生物活性涂层。
8.由权利要求7所述的载银医用金属生物活性涂层在植入人体的硬组织替代材料方面的应用。
全文摘要
一种载银医用金属生物活性涂层的制备方法其特征在于采用磁控溅射法，包括以下步骤(1)金属基体的处理；(2)溅射前金属基体的处理；(3)磁控溅射法制备载银医用金属生物活性涂层，阴极为高纯银靶，工作气体为氩气，真空室基底真空低于2.0x10-3Pa，靶的功率为40-80W，频率为13.0-15.6MHz，流量为30SCCM，控制沉积时间，得到载银医用金属生物活性涂层。本发明的载银医用金属生物活性涂层性能稳定、抗菌、无生物毒性、生物相容性好。
文档编号A61L27/54GK102886071SQ201110204159
公开日2013年1月23日 申请日期2011年7月20日 优先权日2011年7月20日
发明者王美艳, 姜来新, 何丹农 申请人:上海纳米技术及应用国家工程研究中心有限公司