一种生物活性纳米晶β?Ta涂层的制备方法

文档序号:10680521阅读:522来源:国知局
一种生物活性纳米晶β?Ta涂层的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种生物活性纳米晶β?Ta涂层的制备方法,采用双阴极等离子溅射沉积方法制备生物活性纳米晶β?Ta涂层,具体的工艺参数如下:靶材电压700~1000 V,工件电压250~350 V,靶材与工件间距10~20 mm,工作气压25~40 Pa,沉积温度600~900 ℃,沉积时间 1.0~2.0 h. 溅射靶材的种类:纯度为>99.9%的商用纯Ta;工件材料的种类:医用钛合金植入材料。本发明制备得到的纳米晶β?Ta涂层具有高硬度、高韧性以及优异的腐蚀抗力和磷灰石诱导能力,能明显提高医用钛合金的耐磨性、抗腐蚀性能和生物活性。
【专利说明】
[0001] -种生物活性纳米晶e-Ta涂层的制备方法
技术领域
[0002] 本发明设及到表面处理和生物医用材料领域,尤其设及一种生物活性纳米晶e-化 涂层的制备方法。
[0003]
【背景技术】
[0004] 在生物医用金属材料中,铁基金属因其优异的力学性能、耐腐蚀性能和良好的生 物相容性,成为目前骨科植入产品的首选材料。然而,铁基金属不具备骨引导和诱导骨组织 再生功能,属生物惰性材料,不能与骨形成化学键合。此外,对于关节类的植入物,磨损性能 的不足使得铁合金在机械磨损作用下很容易产生磨屑,大量磨屑聚积诱发机体细胞产生一 系列不良生物反应,造成骨质溶解和无菌松动,最终导致植入体失效。同时,在与人体长期 相互作用过程中,铁合金中Ni、Al、V等有害元素的释放会对机体产生毒害作用,导致痴呆、 神经素乱、骨质疏松等疾病的发生。如何提高铁基金属植入体的生物活性、抗磨损和耐腐蚀 性能成为医疗和材料工作者长期关注与研究的热点之一。W先进的表面改性技术为手段, 在医用铁合金表面制备抗磨损、耐腐蚀的生物活性涂层是解决上述问题的有效方法之一。
[0005]

【发明内容】

[0006] 本发明的目的在于W双阴极等离子瓣射沉积技术为手段,利用Ti,化无限固溶的 特点,在医用铁合金表面制备高硬度、高初性且与基体呈冶金结合的纳米晶e-化涂层,该涂 层具有特殊的表面纳米形貌,能明显提高铁合金在生理溶液中的腐蚀抗力和憐灰石诱导能 力。
[0007] 本发明采用W下技术方案: 一种生物活性纳米晶e-化涂层的制备方法,采用双阴极等离子瓣射沉积技术,在工件 表面形成致密均匀无缺陷的纳米晶e-化涂层,其中 a. 双阴极等离子瓣射沉积工艺参数:祀材电压为700~1000 V,工件电压为250~350 V, 祀材与工件间距为10~20 mm,Ar气压为25~40 Pa,沉积溫度为600~900 °C,沉积时间为1.0~ 2.0 h; b. 瓣射的祀材种类:商用纯化; C.工件材料的种类:医用铁合金。
[000引本发明采用双阴极等离子瓣射沉积技术,在Ti-6A1-4V合金表面制备具有特殊纳 米形貌的e-化涂层。经试验证明,该涂层完全由15-30皿的0-化纳米晶粒组成,组织致密 均匀无缺陷,与基体结合良好。电化学测试和生理溶液浸泡实验表明该涂层明显提高了Ti- 6A^4V基体的腐蚀抗力和憐灰石诱导能力,显示出巨大的骨科移植应用潜力。
[0009] 作为优选,祀材电压为800 V。
[0010] 作为优选,工件电压为250 V。
[0011] 作为优选,祀材与工件间距为10 mm。
[0012] 作为优选,Ar气压为35 Pa。
[0013] 作为优选,沉积溫度为800 °C。
[0014] 作为优选,沉积时间为2.0 h。
[0015] 有益效果: 1.本发明的纳米化提高了金属化涂层的初性和硬度。金属化存在两种晶体结构,分别 为体屯、立方结构的a-化和四方结构的0-化。W往的金属化涂层应用主要集中于a-化,运主 要是因为e-化涂层呈现高的低溫脆性,因此在机械作用下很容易开裂破损,甚至大片剥落。 本发明采用双阴极等离子瓣射沉积技术制备的金属化涂层完全由单相的e-化纳米晶(15- 30 nm)组成,使该涂层不仅具有高的显微硬度(~17.1 G化),而且呈现高的初性。利用压痕 法评价涂层的初性表明:压入载荷为9.8 N时显微硬度压痕周围没有观察到裂纹的萌生和 发展。由于在纳米尺度范围内材料的变形机制已由传统的位错形成与运动为主导转变为由 晶界滑移和扩散蠕变为主导,晶界滑移能够有效释放裂纹尖端的应力集中,纯化裂纹,使裂 纹扩展困难,从而增加纳米晶涂层的初性。
[0016] 2.本发明的纳米晶0-化涂层在生理溶液中具有很高的电化学腐蚀抗力。化nks溶 液中的动电位极化测试表明,该涂层较Ti-6A1-4V基体,甚至是商用纯化,具有低的自腐蚀 电流密度和纯化电流密度,高的极化阻抗,表现出优异的电化学腐蚀抗力。
[0017] 3.纳米晶e-Ta涂层在模拟生理溶液中高的憐灰石诱导能力。化nks溶液中的浸泡 测试表明,该涂层较Ti-6A1-4V基体和商用纯化具有明显的憐灰石诱导能力,表现出高的生 物活性。该涂层特殊的纳米级表面形貌特征使得涂层拥有极大的比表面积和有利的电荷分 布,有利于生物矿化过程中化2+,P化勺大量吸附,因而表现出优异的憐灰石诱导能力。
[001 引
【附图说明】
[0019]图巧纳米晶e-Ta涂层的明场TEM照片。
[0020] 图2为纳米晶0-化涂层,Ti-6A1-4V基体和商用纯化在化nks溶液中37°C下的动电 位极化曲线比较。
[0021] 图3为纳米晶0-化涂层,Ti-6A1-4V基体和商用纯化在化nks溶液中37°C下浸泡一 周后的表面沈M照片。
[0022] 图4为纳米晶0-化涂层的表面AFM照片。
[0023] 具体实施方案
[0024] 下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0025] 实施例1 一种生物活性纳米晶e-化涂层的制备方法,利用双阴极等离子瓣射沉积法,在Ti-6A1- 4V工件表面形成致密均匀无缺陷的纳米晶(6-化涂层,其中 a.双阴极等离子瓣射工艺参数:
b.瓣射的祀材种类:纯度为大于99.9%的商用纯化; C.工件材料的种类:医用铁合金Ti-6A1-4V。
[0026] 图1为纳米晶e-Ta涂层的明场TEM照片。从图中可W看出,该涂层由大小15-30 nm 的e-Ta纳米晶粒组成,平均晶粒尺寸约为23 nm。该涂层的硬度为17.1 GPa,弹性模量为 245.4 G化,与基体的结合强度达到38 N。利用压痕法评价涂层的初性表明:压入载荷为 9.8 N时显微硬度压痕周围没有观察到裂纹的萌生和发展,证明该纳米晶0-化涂层具有高 的初性。
[0027] 图2所示化nks溶液中的动电位极化测试表明,纳米晶0-化涂层较Ti-6A1-4V基体 和商用纯Ta,具有更低的自腐蚀电流密度和纯化电流密度,高的极化阻抗,表现出优异的电 化学腐蚀抗力。
[00%]图3所示化nks溶液中的浸泡测试表明,纳米晶0-化涂层较Ti-6A1-4V基体和商用 纯化具有明显的憐灰石诱导能力,表现出高的生物活性。从图中可W看出,0-化涂层表面完 全被一层较厚的憐灰石层所覆盖,显示出强劲的憐灰石诱导能力。而对于Ti-6A1-4V基体和 商用纯化,表面仅有少量的憐灰石形成,显示出相对弱的憐灰石诱导能力。
[0029] 图4为纳米晶0-化涂层的表面AFM照片,从图中可W看出,该涂层表面表现为众多 高度2-4 nm的锥状突起,拥有3.8-4.3 nm的纳米级表面粗糖度。如此的形貌特征使得涂层 拥有极大的比表面积和有利的电荷分布,有利于生物矿化过程中化2+,P化勺大量吸附,因 而表现出优异的憐灰石诱导能力。
[0030] 本发明W双阴极等离子瓣射沉积技术为手段,利用Ti,Ta无限固溶的特点,在Ti- 6A1-4V合金表面制备高硬度、高初性且与基体呈冶金结合的纳米晶(6-化涂层。该涂层具有 特殊的表面纳米形貌,能明显提高铁合金在生理溶液中的腐蚀抗力和憐灰石诱导能力,显 示出巨大的骨科移植应用潜力。
[0031] 实施例2 一种生物活性纳米晶e-化涂层的制备方法,利用双阴极等离子瓣射沉积法,在Ti-6A1- 4V工件表面形成致密均匀无缺陷的纳米晶(6-化涂层,其中a.双阴极等离子瓣射工艺参数: 祀材电压900 V,工件电压250 V,祀材与工件间距10 mm,Ar气压40 Pa,沉积溫度900 °C,沉 积时间1.5 h; b.瓣射的祀材种类:纯度为>99.9%的商用纯化;C.工件材料的种类:医用铁合 金Ti-6A1-4V。所得涂层的电化学腐蚀抗力与实施例1相当,但憐灰石诱导能力低于实施例 1,在3 7 °C的化nks溶液中浸泡一周后表层未完全被憐灰石覆盖。
[0032] 实施例3 一种生物活性纳米晶e-化涂层的制备方法,利用双阴极等离子瓣射沉积法,在Ti-6A1- 4V工件表面形成致密均匀无缺陷的纳米晶(6-化涂层,其中a.双阴极等离子瓣射工艺参数: 祀材电压750 V,工件电压250 V,祀材与工件间距15 mm,Ar气压40 Pa,沉积溫度700 °C,沉 积时间2.0 h; b.瓣射的祀材种类:纯度为>99.9%的商用纯化;C.工件材料的种类:医用铁合 金Ti-6A1-4V。所得涂层的电化学腐蚀抗力与商业纯化相当,低于实施例1;憐灰石诱导能力 与实施例1相当。
[0033] 实施例4 一种生物活性纳米晶e-化涂层的制备方法,利用双阴极等离子瓣射沉积法,在Ti-6A1- 4V工件表面形成致密均匀无缺陷的纳米晶(6-化涂层,其中a.双阴极等离子瓣射工艺参数: 祀材电压700 V,工件电压350 V,祀材与工件间距12 mm,Ar气压25 Pa,沉积溫度700 °C,沉 积时间1.5 h; b.瓣射的祀材种类:纯度为>99.9%的商用纯化;C.工件材料的种类:医用铁合 金Ti-6A1-4V。所得涂层的电化学腐蚀抗力与商业纯化相当,低于实施例1;憐灰石诱导能力 低于实施例1,在37°C的化nks溶液中浸泡一周后表层未完全被憐灰石覆盖。
[0034] 实施例5 一种生物活性纳米晶e-化涂层的制备方法,利用双阴极等离子瓣射沉积法,在Ti-6A1- 4V工件表面形成致密均匀无缺陷的纳米晶(6-化涂层,其中a.双阴极等离子瓣射工艺参数: 祀材电压800 V,工件电压250 V,祀材与工件间距20 mm,Ar气压30化,沉积溫度600 °C,沉 积时间1.0 h; b.瓣射的祀材种类:纯度为>99.9%的商用纯化;C.工件材料的种类:医用铁合 金Ti-6A1-4V。所得涂层的电化学腐蚀抗力与Ti-6A1-4V相当,低于商业纯化和实施例1;憐 灰石诱导能力与实施例1相当。
【主权项】
1. 一种生物活性纳米晶β-Ta涂层的制备方法,其特征在于:采用双阴极等离子溅射沉 积技术,在工件表面形成致密均匀无缺陷的纳米晶β-Ta涂层,其中 a. 双阴极等离子溅射沉积工艺参数:靶材电压为700~1000 V,工件电压为250~350 V, 靶材与工件间距为10~20 mm,Ar气压为25~40 Pa,沉积温度为600~900 °C,沉积时间为1.0~ 2.0 h; b. 溅射的靶材种类:商用纯Ta; c. 工件材料的种类:医用钛合金。2. 根据权利要求1所述的生物活性纳米晶β-Ta涂层的制备方法,其特征在于:靶材电压 为800 V。3. 根据权利要求1所述的生物活性纳米晶β-Ta涂层的制备方法,其特征在于:工件电压 为250 V。4. 根据权利要求1所述的生物活性纳米晶β-Ta涂层的制备方法,其特征在于:靶材与工 件间距为10 mm。5. 根据权利要求1所述的生物活性纳米晶β-Ta涂层的制备方法,其特征在于:Ar气压为 35 Pa〇6. 根据权利要求1所述的生物活性纳米晶β-Ta涂层的制备方法,其特征在于:沉积温度 为800 °C。7. 根据权利要求1至6任一项所述的生物活性纳米晶β-Ta涂层的制备方法,其特征在 于:沉积时间为2.0 h。
【文档编号】C23C14/46GK106048548SQ201610432221
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月16日
【发明人】徐江, 刘林林, 蒋书运
【申请人】南京航空航天大学
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