复合植入材料及其制造方法与流程

本发明涉及外科领域，具体来说，本发明提供了一种适用于制造各种外科植入物的复合植入材料及其制造方法。本发明的复合植入材料具有优良的隔热性能，能够良好地解决植入物在电磁场中发热的问题。
背景技术：
：所有骨科疾病中，骨折内固定、关节置换等含金属植入物患者占较大比例。以关节置换为例，全世界每年有超过100万的患者接受人工关节置换，随着平均寿命和世界人口的不断增加，预计这一数字将呈指数式猛增。(AAOS.2007年，MayoClinic.2011年)目前金属植入物最主要的材料为合金材料，如不锈钢、钴铬合金和钛合金等。研究表明，钛及钛合金拥有更优秀的机械性能、抗腐蚀性和生物相容性，因此近年来钛及钛合金被更广泛的应用与制造各种矫形外科植入物上。在所有含金属植入物患者中，不少患者需要进行高频电疗以获得最佳康复疗效，但是传统的物理治疗学认为治疗区内有金属植入物时禁止使用高频电疗。其原因在于，当组织内有金属物体并处于高频电场作用下，金属物体对电场能量的分布产生一种分流的作用，电流将沿着电阻最小的分路通过，导致该处电流比较集中，产生分流效应。且任何交变电磁场中的金属物体都会在其内部产生感应电流，即涡流。此两种情况均可使植入物本身及其周围组织升温，从而对周围组织造成热损伤。如何解决高频电场中金属植入物升温造成的热损伤是目前物理医学亟待解决的问题。该问题良好的解决办法一是减少金属植入物产热，二是在金属植入物表面设置热障层。对于在金属植入物表面覆盖热障材料层的做法，要求该热障材料层必须具有良好的生物相容性，即能够在人体内运作而不会引起排斥反应。它们还须具备良好的机械性：足够牢固以承受负重、足够有弹性以承受压力而不至破损，足够光滑以协调各组件之间相互移动。此外，它们还必须有抗腐蚀性、抗降解性和耐磨性，并可以在长时间内保持其强度和形状。目前人们仍在探索同时满足上述隔热性能、生物相容性、耐磨性和耐腐蚀性的用于植入物的材料。技术实现要素：为了解决上述问题，本发明利用氧化铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO2)以及任选的钛(Ti)、碳(C)、氮化硅(Si3N4)等具有良好的耐腐蚀性、优良的生物相容性以及热学性能的生物惰性涂层材料，用不同的工艺方法，将之涂覆在钛及钛合金等基材表面，形成具有低热降功能的薄膜，达到降低高频电场中金属植入物温度升高对周围组织的伤害的作用。为了达到上述目的，本发明的构思是：用不同的工艺方法，如提拉法、溶胶凝胶法、喷洒法、磁控溅射法等，将氧化铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO2)以及任选的钛(Ti)、碳(C)、氮化硅(Si3N4)等生物惰性涂层材料涂覆在钛及钛合金基体表面，形成具有低热降功能的梯度掺杂的多层薄膜或者混合材料的单层薄膜，达到降低高频电场中金属植入物温度升高的作用。根据本发明的一个实施方式，本发明提供了一种复合植入材料，所述复合植入材料包含：(i)基材；(ii)设置在所述基材表面上的涂层，所述涂层包含选自以下的材料：氧化锌、氧化钛、氧化铝。根据本发明的一个实施方式，所述涂层中氧化锌、氧化钛和氧化铝的重量比为氧化锌:氧化钛:氧化铝＝1:2～6:0.5～2。根据本发明的一个优选实施方式，所述基材包含选自以下的材料：钛、钛合金、铁、钢、钴铬合金、以及陶瓷或聚合物与上述一种或多种金属材料的复合材料。根据本发明的另一个优选实施方式，所述涂层从上到下依次包括第一子层、第二子层和第三子层，三个子层分别包含所述氧化锌、氧化钛和氧化铝中的一种。根据本发明的另一个优选实施方式，按照从上到下的顺序，所述第一子层、第二子层和第三子层的组成设置选自以下的一种：氧化锌/氧化钛/氧化铝、氧化锌/氧化铝/氧化钛、氧化钛/氧化锌/氧化铝、氧化钛/氧化铝/氧化锌、氧化铝/氧化锌/氧化钛、氧化铝/氧化钛/氧化锌。根据本发明的另一个优选实施方式，包含氧化锌的子层的厚度为35-55nm，包含氧化钛的子层的厚度为45-65nm，包含氧化铝的子层的厚度为65-85nm。根据本发明的另一个优选实施方式，所述氧化锌、氧化钛和氧化铝均匀分布在所述整个涂层中。根据本发明的另一个优选实施方式，所述涂层还任选包含以下的一种或多种：钛、碳、氮化硅。当所述涂层包括多个子层的时候，所述钛、碳和氮化硅中的一种或多种包含在另外的单独的子层中。当所述氧化锌、氧化钛和氧化铝均匀分布在所述整个涂层中的时候，所述钛、碳和氮化硅中的一种或多种也均匀分布在所述整个涂层中。本发明还提供了一种制备以上所述的复合植入材料的方法，该方法包括以下步骤：(1)提供基材；(2)将包含锌源、钛源和铝源的原料施涂在所述基材上以形成膜；(3)对步骤(2)得到的具有膜的基材进行加热。根据本发明的一个实施方式，当所述复合植入材料的涂层包含多个子层的时候，将包含锌源、钛源和铝源的原料各自单独地施涂在所述基材上，加热形成子层之后，再制备下一个子层。根据本发明的另一个实施方式，当所述氧化锌、氧化钛和氧化铝均匀分布在所述整个涂层中的时候，将锌源、钛源和铝源混合在一起施涂到所述基材上，然后加热以形成所述涂层。通过本发明的操作在金属基材上形成了生物惰性涂层材料，包括氧化铝(Al2O3)、氧化锌(ZnO)、氧化钛(TiO2)、钛(Ti)、碳(C)、氮化硅(Si3N4)等涂层，具有良好的耐腐蚀性和优良的生物相容性(组织附着类型为骨性结合，对骨细胞生长有一定的引导诱发作用，能促进缺损骨组织的修复)。用不同的工艺方法，如提拉法、溶胶凝胶法、喷洒法、磁控溅射法等，将生物惰性材料涂覆在钛及钛合金基体表面，能充分发挥两类材料的优点，尤其这些材料具有优良的热学性能，如较高的比热容和较低的导热系数，可解决术后内置物患者在高频电场中金属植入物产热问题，以满足该类患者进行物理治疗的需求。附图说明图1是根据本发明一个实施方式的具有三个子层的复合植入材料的示意图，其中不同的氧化物分别包含在各个子层之内；图2是根据本发明另一个实施方式的复合植入材料的示意图，其中在基板上仅施涂一个涂层，所有的氧化物都均匀分布在这一个涂层之内；图3是使用提拉法涂覆基材的示意图；图4是使用旋涂法涂覆基材的示意图；图5显示了本发明两种复合植入材料的制造流程图；图6a和图6b比较了本发明实施例与比较例各自的隔热性能。具体实施方式本文所公开的“范围”以下限和上限的形式。可以分别为一个或多个下限，和一个或多个上限。给定范围是通过选定一个下限和一个上限进行限定的。选定的下限和上限限定了特别范围的边界。所有可以这种方式进行限定的范围是包含和可组合的，即任何下限可以与任何上限组合形成一个范围。例如，针对特定参数列出了60-120和80-110的范围，理解为60-110和80-120的范围也是预料到的。此外，如果列出的最小范围值1和2，和如果列出了最大范围值3，4和5，则下面的范围可全部预料到：1-3、1-4、1-5、2-3、2-4和2-5。在本发明中，除非有其他说明，数值范围“a-b”表示a到b之间的任意实数组合的缩略表示，其中a和b都是实数。例如数值范围“0-5”表示本文中已经全部列出了“0-5”之间的全部实数，“0-5”只是这些数值组合的缩略表示。如果没有特别指出，本说明书所用的术语“两种”指“至少两种”。在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有实施方式以及优选实施方式可以相互组合形成新的技术方案。在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有技术特征以及优选特征可以相互组合形成新的技术方案。在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的所有步骤可以顺序进行，也可以随机进行，但是优选是顺序进行的。例如，所述方法包括步骤(a)和(b)，表示所述方法可包括顺序进行的步骤(a)和(b)，也可以包括顺序进行的步骤(b)和(a)。例如，所述提到所述方法还可包括步骤(c)，表示步骤(c)可以任意顺序加入到所述方法，例如，所述方法可以包括步骤(a)、(b)和(c)，也可包括步骤(a)、(c)和(b)，也可以包括步骤(c)、(a)和(b)等。在本发明中，如果没有特别的说明，本文所提到的“包括”表示开放式，也可以是封闭式。例如，所述“包括”可以表示还可以包含没有列出的其他组分，也可以仅包括列出的组分。本发明所开发的复合植入材料中的基材一般是钛或者钛合金，但是也可以是医学领域目前使用的或者以后可能会开发出的任意材料，例如各种组成的钢材、钴铬合金、其他的各种合金材料、以及上述一种或多种金属材料与陶瓷或聚合物材料的复合材料。只要该基材有可能在电磁场中发热，就可以利用本发明涂层的优良隔热效果来实现保护植入物周围组织的效果。但是，即使基材中不含金属，不会在电磁场中发热，也同样可以考虑使用本发明特别设计的涂层，只不过此时利用的是本发明涂层的优良机械性能、耐腐蚀性和生物相容性。本发明所述的基材可以根据需要做成任意植入物的形状，包括但不限于，骨科使用的板材、钉、人工关节、吻合器、心脏瓣膜等，在其上施加了本发明的涂层之后，便可以作为成品植入物使用。在所述基材上形成本发明的涂层之前，需要对所述基材进行清洁处理，以除去基材表面上的颗粒杂质、油污、金属碎屑等。所述清洁处理可以通过本领域众所周的方式进行，例如酸洗、碱洗、清洁剂洗涤、高温水洗、蒸气洗涤、气流吹扫等。另外，还可以根据需要在形成涂层之前对基材进行任何其他的表面处理，例如抛光、表面纹理化等，以提高涂层与基材的接合强度。本发明施加到基材上的涂层可以有两种形式。第一种形式包括至少三个子层，每个子层中包含氧化锌、氧化铝和氧化钛中的一种，优选每个子层仅含一种氧化物，而不含其他的氧化物组分。在此情况下，还可以添加另外的子层，所述另外的子层可以包含其他的生物惰性涂层材料，例如钛、碳、氮化硅等。这些另外的子层也优选每个子层仅含一种物质。这些子层可以按照需要以所需的次序设置，根据本发明的一些实施方式，从上到下的子层可以是以下的一种：氧化锌/氧化钛/氧化铝、氧化锌/氧化铝/氧化钛、氧化钛/氧化锌/氧化铝、氧化钛/氧化铝/氧化锌、氧化铝/氧化锌/氧化钛、氧化铝/氧化钛/氧化锌。如果还包括另外的子层，则这些另外的子层可以处于上述任意两个子层之间，或者位于最下方而与基材相接触，或者位于最上方而暴露于外界环境。在第二种形式中，在基材上只有一层涂层，该涂层不再分成另外的子层。氧化锌、氧化钛、氧化铝以及其他任选的的物质都均匀地分散在整个涂层中。本发明施加涂层的方法是首先提供包含相应材料的来源的溶液，将所述溶液施涂到基材上，然后进行加热。所述相应原料的来源可以是相应金属材料的盐在水或有机溶剂中的溶液。例如，锌源可以包括乙酸锌以及锌的各种醇盐在水或有机溶剂中的溶液；钛源可以包括钛的各种醇盐，例如钛酸异丙酯、钛酸四正丁酯等的醇溶液；铝源可以包括异丙醇铝等铝盐在水或醇中的溶液。本领域技术人员有能力对所述溶液的pH值以及溶剂进行选择，以保证在涂覆上述原料的过程中不会发生沉降、团聚等现象而造成涂层内的组成或结构不均匀。通过施涂上述溶液在基材上形成膜之后，进行适当温度的前后热处理，这对于最终形成的氧化物薄膜非常重要。例如，Al2O3各种变体中只有α-Al2O3具有良好的机械性能，而α-Al2O3在一定温度下才会生成，因此热处理温度的不同直接关系到涂层的性能；ZnO溶胶涂覆后，在400℃左右退火处理后，薄膜晶粒开始生长，600℃退火处理后，薄膜晶界清晰，晶粒尺寸均匀，表面粗糙度降低；TiO2有三种晶相结构，不同的热处理温度会得到不同的晶体。经400℃热处理后，仍为无定形TiO2；经500℃热处理，形成锐钛矿型TiO2；经600℃热处理后，锐钛矿和金红石型TiO2并存。在本发明的一个优选实施方式中，用来形成氧化钛子层的热处理温度为250-400℃，优选280-350℃；更优选300℃。在本发明的另一个优选实施方式中，用来形成氧化锌子层的热处理温度为350-450℃，优选380-400℃，更优选390℃。在本发明的另一个实施方式中，用来形成氧化铝子层的热处理温度为250-350℃，优选280-320℃，更优选300℃。在本发明的另一个优选实施方式中，氧化锌、氧化钛和氧化铝均匀分布在同一个涂层中，在此情况下，用来形成该单一涂层的热处理温度为400-600℃，优选450-630℃，更优选500℃。图1显示了本发明设计的包括多个子层的复合植入材料的结构，在制造此种涂层的时候，每次使用仅含一种原材料的溶液在基材上进行涂覆，然后进行高温加热和退火处理，以形成仅含一种金属氧化物的子层，然后在该子层之上重复进行上述涂覆-加热步骤，以最终形成图1所示包括至少三个子层的结构。图2显示了本发明设计的不含子层的单涂层复合植入材料的结构。在制造此种涂层的时候，将全部的原材料一次性加入，在施涂之后经过一次加热处理即可。可以用于本发明的施涂工艺包括提拉法、旋涂法、喷洒法、磁控溅射法等，这些方式可以使用常规的提拉仪、旋涂仪、喷洒器和磁控溅射仪进行。所述磁控溅射法是一种本领域已知的技术，在使用磁控溅射法形成本发明的涂层的时候，可以通过单独使用金属铝靶、金属钛靶、金属锌靶中的一种对基材表面或者已经涂覆有其他金属氧化物子层的基材表面进行溅射，通过控制电压、溅射室气氛和溅射时间来调节溅射形成的金属氧化物层的晶型和厚度；或者对于仅包括单层的情况，可以通式使用上述三种金属靶进行溅射，并通过控制各个靶上施加的电压，溅射室气氛和溅射时间来调节该单层中均匀分布的各种金属氧化物的组成、晶型和分布满足所需的要求。图3显示了使用提拉法涂覆基材的示意图，图4显示了使用旋涂法涂覆基材的示意图。实施例在以下实施例中具体列举了本发明的优选实施方式，但是应当理解，本发明的保护范围不仅限于此。实施例1：使用旋涂法制备包含三个子层的复合植入材料在本实施例中使用图5中的(a)所示的步骤，具体来说，包括以下步骤：1)配制TiO2，Al2O3，ZnO原料溶液；①ZnO原料溶液配制方法：制备ZnO溶胶的试剂有：二水合乙酸锌(Zn(CH3COO)2·2H2O)作为前驱体，无水乙醇作为溶剂，单乙醇胺作为稳定剂，所用试剂均为分析纯。制备工艺为：称取定量的(Zn(CH3COO)2·2H2O)溶于无水乙醇中，使得溶液中金属离子浓度为0.45mol/L，加入与Zn2+等摩尔量的单乙醇胺，同时滴入少许冰醋酸，于70℃恒温充分搅拌2h，即得到性能稳定、无色透明的(锌离子浓度约为0.5mol/L)淡黄色透明ZnO溶胶，将溶胶静置陈化2d待用。②TiO2原料溶液配制方法：制备TiO2溶胶需要的试剂有：钛酸四丁酯(M＝340.35，Ti(OC4H9)4)、无水乙醇(M＝46.07，CH3CH2OH)、三乙醇胺(M＝149.19，N(CH2CH2OH)3)与去离子水(M＝18，H2O)。制备工艺为：首先，将钛酸四丁酯5ml溶解到6.5毫升无水乙醇中，室温下搅拌2个小时；随后加入少量三乙醇胺继续搅拌1个小时，三乙醇胺作抑制剂，用来延缓钛酸四丁酯的强烈水解，防止反应速度过快产生白色沉淀；最后逐滴加入0.9ml去离子水和5ml无水乙醇，继续高速搅拌1个小时，即可得到浅黄色稳定、均匀的透明溶胶。③Al2O3原料溶液配制方法：制备Al2O3溶胶的试剂有：异丙醇铝(Al(C3H7O)3)作为前驱体，去离子水作为溶剂，HNO3做胶溶剂(催化剂)。制备工艺为:将20g异丙醇铝(纯度>98％)溶解在270mL蒸馏水中，在80℃搅拌1h，加入HNO3调节pH值到3左右。在90℃下搅拌5h，得到透明溶胶。Al2O3溶胶中固体含量约为5％。2)清洗基板：第一步使用丙酮溶液超声清洗1.5h，第二步使用无水乙醇溶液超声清洗1.5h，最后使用去离子水超声清洗1.5h，基板清洗后保存于异丙醇溶液中。3)将清洗过的钛合金(Ti6Al4V)基板固定在旋涂仪上，用移液枪吸取100μl如上所述制备的ZnO溶胶，完全滴至基板上，选择转速3K/min涂膜60s。涂膜完成后，水平放置晾干，再将其放入180℃烘箱中前热处理20min后取出，然后放入390℃烘箱中后热处理2h，即得到ZnO薄膜。4)重复以上步骤，在前膜基础上依次制备得到TiO2，Al2O3薄膜。TiO2薄膜制备方法：用移液枪吸取100μl如上所述制备的TiO2溶胶，完全滴至基板上，选择转速1K/min涂膜60s。涂膜后放入马弗炉中进行热处理：先升至60℃恒温30min，薄膜完全干燥后将炉温以5℃/min的升温速度升至300℃，恒温3h后自然冷却至室温，即得到均匀、透明的纳米TiO2薄膜。Al2O3薄膜制备方法：用移液枪吸取100μl如上所述制备的Al2O3溶胶，以转速2K/min涂膜60s，在室温下干燥20min，然后在75℃的真空干燥箱中干燥40min。再将试片放在管式炉中，在氢气保护下进行热处理。管式炉内的初压为0.2Pa，以流速0.5L/min的氢气作为保护气，以50℃/min的速率将炉温升到180℃，在此温度下保温1h。重复上述操作并升温到300℃，保温2h。最终将温度升至720℃，保温1h。样品随炉冷却至室温得到氧化铝薄膜。5)得到一种低热降的基于三层梯度掺杂的氧化物薄膜的钛合金基体。实施例2：使用旋涂法制备包含单个涂层的复合植入材料在本实施例中使用图5中的(b)所示的步骤，具体来说，包括以下步骤：1)配制TiO2/Al2O3/ZnO混合溶液(使用钛酸四丁酯、异丙醇铝和二水合乙酸锌作为前驱体，无水乙醇作为溶剂，乙醇胺作为稳定剂。三种金属化合物在混合溶液的比例换算为相应的金属氧化物的重量比可表述为：氧化锌:氧化钛:氧化铝＝1:4:1.25)；2)清洗基板：第一步使用丙酮溶液超声清洗1.5h，第二步使用无水乙醇溶液超声清洗1.5h，最后使用去离子水超声清洗1.5h，基板清洗后保存于异丙醇溶液中。3)将清洗过的钛合金(Ti6Al4V)基板固定在旋涂仪上，用移液枪向基板上滴下上述配制好的TiO2/Al2O3/ZnO混合溶液200μl，在1000K/min，60s的条件下成膜，后放入马弗炉中进行热处理：先升至180℃恒温30min，薄膜完全干燥后将炉温以5℃/min的升温速度升至500℃，恒温3h后自然冷却至室温，即得到TiO2/Al2O3/ZnO混合溶液薄膜。4)得到一种低热降的基于三种氧化物混合溶液单层薄膜的钛合金基体。比较例1-7比较例1是没有金属氧化物涂层的相同钛合金基板，在所述比较例2-7中，重复上述实施例1的步骤，但是区别在于，省略了其中氧化铝、氧化锌和氧化钛子涂层中的一层或两层，得到仅含一个或两个子涂层的复合材料。但是，在仅施涂一个或两个子层的情况下，等比例增加这仅有的一个或两个子层的旋涂量，以确保旋涂固体物质的总重量与实施例1相同。比较例1-7分别包含的子涂层如下表所示：比较例子涂层1无2ZnO3TiO24Al2O35TiO2+Al2O36ZnO+TiO27Al2O3+ZnO比较例8-14比较例8是没有金属氧化物涂层的相同钛合金基板，在所述比较例9-14中，重复上述实施例2的步骤，但是区别在于，省略了其中氧化铝、氧化锌和氧化钛中的一种或两种，得到涂层中仅含一种或两种氧化物的复合材料。但是，在仅施涂一种或两种氧化物的情况下，等比例增加这仅有的一种或两种氧化物的旋涂量，以确保旋涂固体物质的总重量与实施例2相同。比较例8-14涂层的组成如下表所示：实施例3在该实施例3中，对上述实施例1-2以及比较例1-14制得的复合材料的隔热性能进行了表征。具体来说，使用功率为25W、频率为2450MHz的高频电磁波对复合材料样品进行10分钟的照射之后，立刻测量样品表面的温度相比于照射之前表面温度的升高幅度，结果汇总见图6a和6b。从图6a和6b可以看到，相比于本发明所述的同时包含三种金属氧化物的复合材料相比，如果省略掉其中的任意一种或两种氧化物，即使在旋涂的物质量一样多(涂层基本厚度相同)的情况下，仍然会造成隔热效果的显著下降。当前第1页1 2 3