一种Cu/Zn共注入TiN包裹钛合金的制备方法及应用与流程

本发明涉及一种cu/zn共注入tin包裹的钛合金的制备方法，及其在延长骨科种植体使用寿命方面的应用。

背景技术：

钛合金是目前骨科医疗器械领域的常用材料，具有生物相容性好，密度轻，弹性模量低，耐蚀性能良好的优势。但其硬度较低，抗剪切和耐磨损性较差，抗菌性差等缺陷，导致了以钛合金为基材的人工关节、接骨钢板、螺钉、椎间融合器等创伤内固定产品植入后易磨损，在关节周围组织形成黑褐色稠物，引起疼痛；易有释放出v、al元素，诱发癌症与老年痴呆症。因此，有必要对医用钛合金进行表面改性，保留其力学与生物学优势，克服其临床缺陷。

等离子体浸没离子注入作为近年来发展迅速的一种新型表面改性技术，一般在高真空条件下进行，是一种无污染、环保的表面改性方法。它能保留钛合金原有理化特性，在钛合金表面成膜、注入修饰离子，从而改变钛合金表面生物与物理性能，提高其硬度、耐磨性、抗菌性等。

本发明提供一种cu/zn混合离子共注入tin包裹的钛合金的制备方法。该方法是采用等离子体浸没离子注入技术（piii）在钛合金表面沉积一层氮化钛（tin）薄膜。tin作为一种生物性能良好的硬质薄膜，包覆在钛合金表面一方面可以提高其耐磨性和硬度；另一方面可抑制钛合金中al、v等毒离子的释放。然后，再通过piii将cu和zn混合离子共注入包裹层——tin涂层中。铜作为一种抗菌剂，与其他的抗菌材料相比毒性低，它不仅是一种必需的微量元素，是多种酶的催化剂、能参与代谢；更重要的是，铜还可以防止细菌形成保护性生物膜，能强烈破坏细菌的细胞壁和细胞膜，防止细菌繁殖。锌作为多种酶和蛋白质的组成部分，可以促进细胞的增殖和分化，也是人体必需的微量元素，在人类的生长发育中起着重要的作用。cu/zn混合离子注入修饰能协同提升钛合金的细胞相容性和抗菌性。综上所述，cu/zn共注入tin包裹的钛合金材料，较传统医用钛合金具有硬度高、耐磨性强、细胞相容性良好、抗菌性好的优势，作为骨科植体材料可有效延长传统医用钛合金的临床使用寿命。

技术实现要素：

本发明涉及一种采用铜（cu）、锌（zn）离子共注入表面包裹氮化钛薄膜的钛合金（tin-ti-6al-4v），以达到延长钛合金在骨科种植体中使用寿命的方法。首先，采用等离子体浸没离子注入技术（piii）在钛合金（ti-6al-4v）表面制备一层氮化钛（tin）薄膜；然后再通过piii将cu离子和zn离子共注入在tin-ti-6al-4v中，制备出表面含有cu、zn混合修饰的tin薄膜包裹的钛合金材料（cu/zn-tin-ti-6al-4v）。该材料可抑制钛合金中毒离子的释放，具有优于医用钛合金的硬度、耐磨性、抗菌性与细胞相容性，可延长钛合金在骨科种植体中使用寿命。

为实现上述目的，本发明公开了如下的技术内容：

一种cu/zn共注入tin包裹钛合金的制备方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）将直径10mm，厚度2mm的钛合金分别用蒸馏水、无水乙醇和丙酮溶液超声清洗，反复清洗几次；

（2）将步骤（1）中清洗后的钛合金放入真空室内，当基体压强达到10^-5-10^-7高真空时，在400-500v偏压下，用氩离子清洗钛合金10-20min；

（3）步骤（2）完成后，打开流量计，使氩气和氮气的流量按体积比3:1-9:1比例，打开直流弧源，在氩气和氮气的氛围中溅射钛靶(99.99%)5-180min，真空中钛离子与氮离子结合形成tin，沉积在钛合金表面，tin涂层可达纳米至微米级别（500nm-2μm）；

（4）步骤（3）完成后，关闭氮气，将氩气调小3-15sccm流量，在开负-10--30kv高压的情况下，打开两个脉冲弧源同时电离纯铜靶和纯锌靶10-120min，将电离的铜离子和锌离子共注入到氮化钛包裹的钛合金中，即制得含有铜、锌离子的钛合金样品cu/zn-tin-ti-6al-4v；所述的铜离子脉冲计数范围为1800-5400，锌离子脉冲计数范围为1800-5400。其中沉积时间为5-180分钟，铜、锌离子共注入时，共注入时间为10-120分钟。

本发明进一步公开了采用cu/zn共注入tin包裹钛合金的制备方法制备的cu/zn-tin-ti-6al-4v在延长骨科钛合金植体使用寿命方面的应用，实验结果显示：注入后（cu/zn-tin-piii）的样品与普通的医用钛合金相比硬度更高、耐磨性更好，且从亲水性实验、蛋白电泳实验、体外细胞实验和体外抗菌等实验来看，注入后的钛合金材料具有优异的力学性能和生物学性能，有望延长医用钛合金的使用寿命。

本发明公开的cu/zn共注入tin包裹钛合金制备方法与现有技术相比所具有的积极效果在于：

（1）离子注入是近十年来发展迅速的一种新型表面改性技术,它不但清洁无污染、环境友好，而且又能保持基体原有性能、尺寸和表面光洁度；

（2）用氮化钛做过渡层提高了钛合金的硬度和耐磨性能；

（3）cu/zn离子共注入可使材料的抗氧化性，抗腐蚀性，耐疲劳性，抗菌性，细胞相容性等发生显著变化，有望提高钛合金的性能和使用寿命。

（4）本发明公开的cu/zn共注入tin包裹的钛合金材料的制备方法操作简单、没有污染、实用性强、效率高、膜层稳定且注入离子分布均匀，进一步丰富和发展了医用钛合金的性能和使用寿命。

本发明主要解决了钛合金作为骨科植入物存在的易磨损、易感染等临床缺陷，重点考察了cu/zn离子共注入tin包裹钛合金后，钛合金的力学性能和生物学性能，主要的难点在于找到具有最优异性能钛合金中cu/zn离子注入的含量及比例。

附图说明

图1为注入后的钛合金样品（cu/zn-tin-piii）和注入前的钛合金的硬度折线图；

图2为注入后的钛合金样品（cu/zn-tin-piii）和注入前的钛合金（tin-piii）对蛋白质的吸附图；

图3是注入后的钛合金样品（cu/zn-tin-piii）和注入前的钛合金（tin-piii）表面细胞的od值随培养时间的变化的情况；

图4是注入后的钛合金样品（cu/zn-tin-piii）和注入前的钛合金（tin-piii）的表面细胞形貌图；

图5是注入后的钛合金样品（cu/zn-tin-piii）和注入前的钛合金（tin-piii）表面的抗菌效果图和样品抗菌率。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料均为商品或自制，如无特殊说明，均默认试剂为商店购买得到。

实施例1

取30片直径为10mm，厚度2mm的钛合金分别用蒸馏水、无水乙醇和丙酮溶液超声清洗15min。将清洗后的钛合金放入真空室内，当基体压强达到4.0×10^-4pa时，在500v的偏压下，用氩离子清洗钛合金15min。首先，在钛合金表面沉积了tin薄膜。打开流量计，使氩气和氮气的流量分别为18sccm和6sccm。打开直流弧源，在氩气和氮气的氛围中溅射钛靶(99.99%)，真空中钛离子与氮离子结合形成tin，沉积在钛合金表面。在此过程中，工作压强约为8.4×10^-2pa，沉积时间为60min，tin涂层厚度约为700nm。关闭氮气，将氩气流量调至10sccm。在负高压为-15kv下，打开两个脉冲弧源，使其同时电离纯铜靶和纯锌靶30min，将电离的铜离子和锌离子共注入到氮化钛包裹的钛合金中，，即制得含有铜、锌离子的钛合金样品cu/zn-tin-ti-6al-4v；所述的铜离子脉冲计数为1798，锌离子脉冲计数为1519。其中沉积时间为60分钟，铜、锌离子共注入时，共注入时间为30分钟。将制得的样品，进行体外细胞实验和抗菌实验，看看细胞和细菌的生长情况，以此来测定钛合金样品的使用性能。

实施例2

一种cu/zn共注入tin包裹钛合金的制备方法：

（1）将直径10mm，厚度2mm的钛合金分别用蒸馏水、无水乙醇和丙酮溶液超声清洗，反复清洗3次；

（2）将步骤（1）中清洗后的钛合金放入真空室内，当基体压强达到10^-5高真空时，在400偏压下，用氩离子清洗钛合金15min；

（3）步骤（2）完成后，打开流量计，使氩气和氮气的流量按体积比7:1比例，打开直流弧源，在氩气和氮气的氛围中溅射钛靶(99.99%)120min，真空中钛离子与氮离子结合形成tin，沉积在钛合金表面，tin涂层厚度可达1.2μm。

（4）步骤（3）完成后，关闭氮气，将氩气调小12sccm流量，在开负-10kv高压的情况下，打开两个脉冲弧源同时电离纯铜靶和纯锌靶60min，将电离的铜离子和锌离子共注入到氮化钛包裹的钛合金中，即制得含有铜、锌离子的钛合金样品cu/zn-tin-ti-6al-4v；所述的铜离子脉冲计数为3600，锌离子脉冲计数为3578。其中沉积时间为120分钟，铜、锌离子共注入时，共注入时间为60分钟。

实施例3

制备的cu/zn共注入tin包裹钛合金的实际使用情况（延长骨种植体使用寿命）：

（1）取30片直径为10mm，厚度2mm的钛合金分别用蒸馏水、无水乙醇和丙酮溶液超声清洗3次。将清洗后的钛合金放入真空室内，当基体压强达到5.0×10^-4pa时，在450v的偏压下，用氩离子清洗钛合金20min。首先，在钛合金表面沉积了tin薄膜。打开流量计，使氩气和氮气的流量分别为20sccm和5sccm。打开直流弧源，在氩气和氮气的氛围中溅射钛靶(99.99%)，真空中钛离子与氮离子结合形成tin，沉积在钛合金表面。在此过程中，工作压强约为5.6×10^-2pa，沉积时间为150min，tin涂层厚度约为1.5μm。关闭氮气，将氩气流量调至8sccm。在负高压为-20kv下，打开两个脉冲弧源，使其同时电离纯铜靶和纯锌靶120min，将电离的铜离子和锌离子共注入到氮化钛包裹的钛合金中，即制得含有铜、锌离子的钛合金样品cu/zn-tin-ti-6al-4v；所述的铜离子脉冲计数为7195，锌离子脉冲计数为6940。其中沉积时间为150分钟，铜、锌离子共注入时，共注入时间为120分钟。

（2）图1为注入后的钛合金样品（cu/zn-tin-piii）和注入前的钛合金硬度折线图，注入后的硬度为21.85gpa，比注入前的硬度明显高了许多。说明适量注入铜、锌离子，改善了致密性，由此来提高薄膜的硬度，较高的硬度可以抵抗材料的变形和损伤，这对于种植体材料来说是非常重要的。

（3）图2蛋白质吸附直方图显示，注入后的钛合金样品（cu/zn-tin-piii）的蛋白质吸附能力比注入前的钛合金（tin-piii）提高了17.1%，而蛋白质电泳印迹上的蛋白质残基也最少。结果表明，亲水性材料越好，bsa的吸附能力越高，有利于细胞粘附和增殖。

（4）图3为注入后的钛合金样品和注入前的钛合金的表面细胞的od值随培养时间的变化。两组细胞增殖1天后无统计学差异。这是因为生存环境发生了变化，生长细胞处于不稳定状态。因此细胞需要时间来适应新的环境。3d后，注入后（cu/zn-tin-piii）细胞的增殖略高于注入前的（tin-piii）。5d后，这一趋势更加明显，表明cu/zn离子共植入有利于细胞的增殖和活力，且无细胞毒性。

（5）图4为注入前的钛合金（tin-piii）和注入后的钛合金样品（cu/zn-tin-piii）表面细胞的生长形态。与tin-piii相比，生长在cu/zn-tin-piii表面的细胞，有大量的伪足和多期纺锤体，且细胞数量也比tin-piii多。这与细胞的增殖是一致的，说明适当的铜、锌含量有利于细胞粘附增殖。

（6）图5中为在两个样本组的琼脂平板上重新培养大肠杆菌菌落和两组样品在pbs中孵育大肠杆菌24小时后的抑菌率。结果显示，注入后（cu/zn-tin-piii）的样品对大肠杆菌的抑制作用强，其抑菌率提高了约98.47%，注入后的钛合金（cu/zn-tin-piii）能显著提高体外抗菌能力。

结论：cu/zn离子共注入tin包裹的钛合金材料较普通的医用钛合金具有更高的硬度、更好的耐磨性、细胞相容性和抗菌性，有望延长医用钛合金的使用寿命，在以后的骨科种植体中有很大的应用前景。