一种骨植入用钽-铜涂层及其制备方法与流程

本发明涉及医用材料，特别适用于齿科植入物、关节置换和人体组织缺损的填充材料技术领域；具体为在植入物表面的钽-铜涂层材料及其制备方法。

背景技术：

由于植入假体松动和磨蚀引发的不良细胞反应使人工关节等植入体只有10-15年的寿命，不能满足长期使用要求。同时，作为常见的也是灾难性的术后并发症，与植入材料相关的细菌感染成为亟待解决的重要问题。另外，临床使用的实体植入物无论是强度还是弹性模量均远高于人体骨骼，会发生“应力遮挡效应”，导致应力遮挡区内的骨骼发生骨改建现象，进而使骨密度降低及强度下降，摘除骨板后容易发生二次骨折。将钛合金加工为多孔状态，模拟人骨的自然结构将大大提高植入体与骨组织的机械结合，从而增加植入物的长期稳定性。多孔结构钛合金的弹性模量小于实体，而更加适应人骨环境，减少应力遮挡效应。同时在植入物表面复合具有杀菌作用的金属离子，将会降低术后感染，提高手术成功率。

现有制备多孔钛的方法包括等离子喷涂，钛珠涂层，编织涂层等，通常只在材料表面获得多孔结构，粉末冶金技术虽然可以获得整体的多孔结构，但是孔径和空隙率难以控制且孔的连通欠佳。3D打印技术是一种高效的快速成型技术，3D打印技术可将整体材料制备为多孔结构，可根据实际 需要进行产品的个性化定制。-3D打印多孔钛合金的植入实验表明，钛合金表面有利于骨组织粘附和生长，但能够长入孔隙内部的往往是纤维组织，骨组织只能长入孔隙表层及孔隙边缘，不能深入到孔隙内部，这仍然会影响植入材料的长期稳定性。金属钽是一种生物相容性极佳的亲生物金属，1940年纯钽首次被应用于骨科医疗，可将钽作为涂层材料，提高多孔钛合金的骨长入问题。利用铜(Cu)离子来杀菌的历史十分悠久，自1761年Schulthees采用硫酸铜防治小麦腥黑病起至今已有二百多年的历史。有研究报道通过在纯钛中加入1％或5％的Cu元素，形成的Ti-Cu合金有明显的杀菌功能，并在动物体内植入实验中表现出了较强的抗炎症作用及一定的促进成骨的生物医学功能。Ti-Cu及316L-Cu的杀菌作用原理为铜发生腐蚀释放铜离子，而钽铜复合物与上述材料不同，其杀菌原理是采用特定方法形成了钽铜合金及部分弥散的铜单质产生杀菌作用。

目前关于钽涂层的制备主要集中在物理沉积方法。研究表明利用多弧离子镀方法和磁控溅射技术等物理方法制备的钽涂层可提高原有基体材料的血液相容性，动物实验也得到了较好的结果。此外，钽涂层可提高钛金属的骨整合性能，增进细胞的粘附能力，促进细胞的生长，钽涂层更高的表面能和更好的润湿性改善了细胞与植入材料之间的相互作用。虽然物理气相沉积方法获得的涂层质量较好，且适合在相对比较平整的表面制备涂层，但是骨科或齿科材料通常具有相对复杂的表面，因此对复杂表面具有很好涂覆能力的化学气相沉积方法就显得更为合适。目前，由美国Zimmer公司取得专利(专利号US5282861)，并投入商业化生产的多孔钽就是采用化学气相沉积技术(CVD)在玻璃碳形成的网状泡沫骨架上沉积金属钽来 制备的，几乎是纯钽，力学性能完全取决于钽的量，这种具有开孔结构多孔钽的主要局限就是其力学强度不够，不能用于需要承力的部位。由于表面为纯钽，因而也不具备杀菌功能。

技术实现要素：

为了解决植入物的骨相容性以及抗菌性的问题，本发明提供了一种骨植入用钽-铜涂层及其制备方法，采用等离子化学气相沉积技术，可在3D打印多孔钛合金等支架上制备金属钽-铜涂层，以解决多孔钛合金生物相容性的问题，该方法所得永久植入材料适合多种植入部位力学性能要求，利于骨细胞粘附及长入，为骨细胞生长提供了足够的三维生长空间，且具有优异的耐蚀性、极佳的生物相容性，同时具备杀菌功能。

本发明的技术方案如下：

一种骨植入用钽-铜涂层，其特征在于：钽-铜涂层的厚度为0.1-50μm，涂层中铜元素的质量比例为：0％＜Cu≤10％。

本发明所述骨植入用钽-铜涂层的制备方法，其特征在于：采用等离子增强化学气相沉积法，使用氢气将金属钽和铜的卤化物还原为纯金属并沉积在基体表面而获得钽-铜涂层。

其中，所用基体为实体或多孔结构，采用钛及钛合金、钴基合金、不锈钢或网状玻璃碳制成。

本发明所述骨植入用钽-铜涂层的制备方法，其特征在于：所用实体基体为医用材料及器件，所用多孔结构基体的孔隙率≧80％，孔径为200μm-5mm。

本发明所述骨植入用钽-铜涂层的制备方法，其特征在于：所述卤化物为纯度≧99.99％的五氯化钽和氯化铜粉末，质量比为五氯化钽：氯化铜＝(20～10):1；还原气体氢气为纯度≧99.99％的高纯氢气；沉积钽-铜涂层的厚度为0.1-50μm。

本发明所述骨植入用钽-铜涂层的制备方法，其特征在于：等离子体的功率为100-400W，氢气的流量为50-300SCCM，沉积真空度为5-200Pa，五氯化钽的蒸发温度为180-300℃，氯化铜的蒸发温度为200-350℃，沉积温度为350-550℃。

本发明采用等离子化学气相沉积技术在多孔支架基体表面沉积金属钽、铜的基本原理为：还原性气体(氢气)将气化后的五氯化钽粉末还原为金属钽，将气化的无水氯化铜还原为金属铜，并在高温区沉积到多孔钛合金支架基体孔隙表面。沉积过程中的化学反应方程式如下：

本发明制备钽-铜涂层的具体步骤如下：

(1)、将多孔支架基体依次用去离子水、无水乙醇超声清洗10分钟后，干燥氮气吹干送入沉积室；

(2)、五氯化钽和氯化铜混合粉末放入蒸发室，抽极限真空至10^-4Pa，用高纯氩气反复清洗最少3次，以除去空气，保证无氧环境；

(3)、沉积室升温至沉积温度，蒸发室加热使氯化物汽化，等离子电源启动，氢气作为还原性气体，氩气作为载气将五氯化钽及氯化铜蒸汽送 入沉积室并还原为金属钽和金属铜，沉积在多孔支架基体表面，反应一定时间后随炉冷却至室温。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出一种骨植入用钽-铜涂层多孔支架，该多孔支架可模拟人骨的结构和力学性能，满足各个部位对力学性能和结构的不同要求，为骨细胞的粘附和骨组织的长入提供有利的三维空间，同时具有杀菌功能。

2、本发明所述多孔支架表面的金属钽具有良好的生物相容性。金属钽将多孔支架基体包覆其中，防止有害元素的溶出，并提高了其耐蚀性。金属钽有利于细胞的粘附，周围组织有向钽涂层多孔支架内部生长的趋势，提高了多孔支架的组织结合能力；多孔支架表面的钽铜合金及金属铜具有杀菌作用，减少了术后感染的可能，大大提高手术的成功率。

3、将金属钽-铜涂层和多孔金属或网状玻璃碳结合起来应用于组织填充领域，具有远优于高分子材料、生物陶瓷材料的力学性能和高于其他金属材料的耐蚀性和生物相容性。

4、将本发明沉积金属钽-铜涂层的多孔支架材料应用于关节置换，以及肿瘤切除再造和股骨头缺血性坏死治疗等组织填充领域。

附图说明

图1为实施例1中沉积设备示意图。图中，1沉积室炉体；2蒸发室炉体。

图2为实施例2沉积前后样品X射线衍射图。图中，横坐标为衍射角2θ(度)，纵坐标为强度(A.U.)。

图3为实施例3中涂层前后样品表面L-929细胞粘附形貌。其中，a为 钛合金基体，b为钽-铜涂层。

图4为实施例4中多孔钛合金沉积钽后样品表面及截面形貌扫描照片。其中，上图为样品表面，下图为截面形貌。

图5为实施例5中网状玻璃碳基体沉积钽-铜涂层后样品截面形貌扫描照片。

具体实施方式

如图1所示，本发明方法所用的沉积设备主要包括：沉积室炉体1、蒸发室炉体2等，沉积室炉体1中设置衬底，蒸发室炉体2中设置蒸发源，蒸发源的一端与流量控制器的一端连通，流量控制器的另一端分别连接H₂和Ar供应管路，蒸发源的另一端与衬底所在的沉积室相通，衬底所在的沉积室分别与尾气处理部分和真空系统部分相通。

本发明均采用等离子增强化学气相沉积法制备，五氯化钽和氯化铜粉末作为反应源，氢气为还原性气体，氩气为载气，设备图如图1所示。多孔钛合金(Ti-6Al-4V)支架基体由3D打印技术中的电子束熔融方法制备，孔隙率≧80％，孔径为200μm-1mm，网状玻璃碳支架基体为浸渍法制备，孔隙率≧80％，孔径为500μm-5mm，支架基体样品需经酸洗，水洗，酒精清洗后，干燥氮气吹干，再置入沉积室炉体1。

实施例1

将多孔钛合金(Ti-6Al-4V)样品置入沉积室炉体1；将五氯化钽和氯化铜粉末放入蒸发室炉体2，其质量比为五氯化钽：氯化铜＝15:1，然后连接气路，并检查密封状况，抽极限真空(10^-4Pa)后，氩气反复清洗整个系统3次，以确保氧气含量降到最低。设定沉积温度350℃，五氯化钽和氯化 铜源蒸发温度为200℃，工作真空度5Pa，氢气流量为50SCCM，等离子功率100W，沉积时间1h，沉积金属钽-铜层的厚度为1μm，铜比例为3％，抗压强度50Mpa，弹性模量3Gpa。

实施例2

将多孔钛合金(Ti-6Al-4V)样品置入沉积室炉体1，将五氯化钽和氯化铜粉末放入蒸发室炉体2，其质量比为五氯化钽：氯化铜＝20:1，然后连接气路，清洗管路。设定沉积温度400℃，五氯化钽和氯化铜源的蒸发温度为220℃，工作真空度10Pa，氢气流量为100SCCM，等离子功率100W，沉积时间1h。五氯化钽的熔点为216℃，沸点为242℃。因此不需要很高的真空度，在常压下就可以提供足够的反应源。220℃可提供稳定的五氯化钽和氯化铜蒸汽。本实施例中，沉积金属钽-铜层的厚度为5μm，铜比例为2％。图2为沉积后的X射线衍射图谱，可以发现沉积后基体的衍射峰几乎被钽特征峰取代，说明钽已经沉积在基体上。

实施例3

将平面钛合金(Ti-6Al-4V)样品置入沉积室炉体1，将五氯化钽和氯化铜粉末放入蒸发室炉体2，其质量比为五氯化钽：氯化铜＝10:1，然后连接气路，清洗管路。设定沉积温度450℃，五氯化钽和氯化铜源蒸发温度为240℃，工作真空度10Pa，氢气流量为300SCCM，等离子功率150W，沉积时间2h。本实施例中，沉积金属钽-铜层的厚度为12μm，铜比例为7％。图3为L-929小鼠成纤维细胞在钛合金基体和钽涂层粘附后的SEM形貌。 钛合金基体上的细胞呈圆形或纺锤形，生长状态一般，而钽涂层表面上的细胞呈贴壁生长，有伪足充分伸展，且与周围细胞有相连趋势。由此可见，钽涂层钛合金表面上的细胞融合情况、细胞分泌基质情况均优于钛合金基体。因此钽-铜涂层可以提高钛合金基体的生物相容性。

实施例4

将多孔钛合金(Ti-6Al-4V)样品置入沉积室炉体1，将五氯化钽和氯化铜粉末放入蒸发室炉体2，其质量比为五氯化钽：氯化铜＝12:1，然后连接气路，清洗管路。设定沉积温度为450℃，五氯化钽和氯化铜源蒸发温度为280℃，工作真空度200Pa，氢气流量为200SCCM，等离子功率300W，沉积时间4h。本实施例中，沉积金属钽-铜层的厚度为40μm，铜比例为6％，抗压强度55Mpa，弹性模量4Gpa。多孔钛合金沉积钽-铜涂层后的表面及截面形貌如图4所示。

实施例5

将网状玻璃碳样品置入沉积室炉体1，将五氯化钽和氯化铜粉末放入蒸发室炉体2，其质量比为五氯化钽：氯化铜＝15:1，然后连接气路，清洗管路。设定沉积温度为450℃，五氯化钽和氯化铜源蒸发温度为300℃，工作真空度200Pa，氢气流量为300SCCM，等离子功率300W，沉积时间4h。本实施例中，沉积金属钽-铜层的厚度为50μm，铜比例为3％，抗压强度30Mpa，弹性模量2Gpa。网状玻璃碳沉积钽-铜涂层后的截面形貌如图5所示。

实施例6

将平面钛合金样品置入沉积室炉体1，将五氯化钽和氯化铜粉末放入蒸发室炉体2，其质量比为五氯化钽：氯化铜＝13:1，然后连接气路，清洗管路。设定沉积温度450℃，五氯化钽和氯化铜源的蒸发温度为230℃，工作真空度10Pa，氢气流量为200SCCM，等离子功率200W，沉积时间2h。本实施例中，沉积金属钽-铜层的厚度为15μm，铜比例为5％。将样品按照“JIS Z 2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、GB/T2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准规定进行定量的抗菌性能检测。结果得到样品对常见感染菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌)作用后的杀菌率为99％。

实施例结果表明，本发明选择3D打印多孔钛合金作为基体提供适合骨组织生长和骨缺损重建的多孔几何环境，采用等离子化学气相沉积技术制备高生物相容性及抗菌性的金属钽-铜涂层。本发明利用模拟骨骼外形、表面粗糙度和力学性能的多孔基体，采用的化学气相沉积技术可提供钽-铜涂层的有效覆盖，通过参数的调控可获得致密且粗糙度适宜的钽-铜涂层，可提高医用材料骨长入能力以及增加材料的抗菌性能。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。