专利名称：一种表面改性处理的人工器官及其制备方法
技术领域：
本发明涉及无机材料表面改性技术领域，特别涉及人工器官材料的改性技术。
背景技术：
随着人们生活水平的提高和医疗技术的进步，内植人造器官和矫形植入体已被广泛应用于临床医疗中，如人工关节、人造骨、人工心脏瓣膜、血管胃管支架等。这些植入体大多数由钛合金(Ti6A14V)、热解碳或高聚合物等制成。由于该类材料生物相容性能的欠缺，当它们与血液或体液接触时将产生一系列生化反应，导致血小板粘附形成血栓，或引发致敏、毒性、炎症等生物反应，在体内产生某些生理负作用。因此，生物相容性材料的合成以及内植人造器官或矫形植入体的表面改性是生物医用材料研究的重要领域之一，新型抗凝血生物涂层材料的研制始终是国际性的研究热点。
近年来，TiO2良好的血液相容性(优于临床上使用的热解碳)引起科研工作者的广泛关注。中国专利ZL95111386.0给出了用离子束增强沉积方法在心血管系人工器官上制备TiO2-x/TiN复合膜的方法，该法可实现对平面的、简单的人工心血管器官(如人工心脏瓣膜的叶片)覆膜，对曲面的、复杂的人工心血管器官(如人工心脏瓣膜的瓣架表面)则无法进行全方位覆膜，因此由该种方法制得的人工器官的性能及安全性难以得到保证。
在TiO2基础上掺杂制得复合功能薄膜材料是当前改进材料抗凝血性能的有效途径。中国专利ZL99117468.2和ZL03154172.0提供了利用溅射在形状复杂的人工器官表面合成钽、铌掺杂的钛-氧表面改性层的方法。由这种方法处理的人工器官，其耐久性能得到较好改善，但抗凝血性能仍需进一步提高，而且这两个专利所采用的方法是复杂而不实用的。ZL99117468.2是在人工器官的表层有二氧化钛薄膜利用等离子体浸没离子注入机掺杂氢、钽或铌，这就意味着人工器官的基体上必须首先覆盖二氧化钛薄膜；ZL03154172.0虽然利用钛-铌合金靶或钛-钽合金靶可以将钛和掺杂元素一步覆盖到人工器官的基体上，但随后还要进行氧化处理，将其氧化为氧化物。
现有技术中尚没有抗凝血性优异、而且可以进行全方位均匀覆膜的技术。
因此，有必要提供涂覆有均匀抗凝血材料、而且该抗凝血材料具有优异的抗凝血性能的人工器官，以解决当前临床上对抗凝血材料的紧迫要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有优异的抗凝血性能的人工器官及其制备方法。
为实现上述方面目的，一方面，本发明提供了一种经过表面改性处理的人工器官，该人工器官的表面均匀涂覆有经轻稀土元素镧和/或铈掺杂的二氧化钛复合膜，该二氧化钛复合膜的厚度为20-600纳米，优选为60-300纳米；其中，稀土元素镧和/或铈在二氧化钛复合膜中的摩尔含量为0.1％～20％，优选为0.2％～10％。
本发明采用轻稀土元素掺杂的TiO2基复合抗凝血材料，并使用它作为人工器官的涂层，从而使得经过如此表面改性处理的人工器官具有良好的抗凝血性能。稀土化合物具有多种药效作用，例如其具有较优异的抗凝血性能以及抗炎、抑菌和抗肿瘤等作用。长期稀土毒理学的研究表明稀土属低毒性物质，其毒性与铁差不多，适量摄入有助于提高机体的免疫能力。因而，本发明采用轻稀土元素掺杂的二氧化钛复合膜来改性人工器官，收到了意想不到的效果。
本发明的人工器官中，二氧化钛复合膜的厚度应控制在20-600纳米范围内；因为当该复合膜的厚度小于20纳米，则很难在人工器官的表面上形成均匀、连续的抗凝血膜，而当该复合膜的厚度大于600纳米时，其与人工器官基体的结合须经更为严格的处理或特殊的处理，否则，该复合膜易从基体上脱落。优选地，二氧化钛复合膜的厚度为60-300纳米。
本发明的人工器官的基体可以为钛合金和/或不锈钢，当然也可以是其它材质的基体，只要其适合溅射即可。
优选地，稀土元素镧和/或铈在二氧化钛复合膜中的摩尔含量为0.5％～5％。
本发明的人工器官中，经轻稀土元素镧和/或铈掺杂的二氧化钛复合膜可以是通过磁控溅射技术溅射沉积人工器官基体的表面上；溅射沉积采用的靶体优选为轻稀土元素镧和/或铈掺杂的TiO2纳米粉体。采用纳米粉体的优点是容易获得均匀的复合膜，而该复合膜的厚度优选只有60-300纳米。采用磁控溅射技术进行溅射沉积具有许多优点，例如可以对形状复杂的、曲面的人工器官进行均匀的全方位覆膜；又例如采用多弧磁过滤真空溅射离子沉积技术时，磁过滤器可以把溅射产生的中性粒子和大粒子过滤掉，而将几乎100％离子化的离子引到基体上形成复合膜，大大改善了复合膜的性能，如粘合性、均匀性等。
本发明的溅射沉积也可以是在复合靶上施加射频电压的射频磁控溅射，其中，射频功率控制在200～500瓦，射频电压控制在800～1000伏，工作气压控制在10-2～101帕。
另一方面，本发明提供了一种在人工器官上形成抗凝血复合膜的方法，该方法包括(1)形成轻稀土元素镧和/或铈掺杂的二氧化钛复合靶；(2)将该二氧化钛复合靶的靶材料溅射沉积到人工器官基体的表面上。
其中，步骤(1)中所形成的轻稀土元素镧和/或铈掺杂的二氧化钛复合靶可以为轻稀土元素镧和/或铈摩尔含量为0.1％～2 0％的TiO2复合纳米粉体；步骤(2)中的溅射沉积可以为磁控溅射沉积，优选为多弧磁过滤真空溅射离子沉积；步骤(2)中的溅射沉积也可以是在复合靶上施加射频电压的射频磁控溅射，其中，射频功率200～500瓦，射频电压800～1000伏，工作气压10-2～101帕。
为了形成轻稀土元素镧和/或铈原子掺杂的TiO2纳米粉体复合靶，可以采用以下组分组成(按净值摩尔份配比)按如下的方法进行制备钛酸丁酯(Ti(OC4H9)4)1
冰乙酸(CH3COOH)0.5～1乙醇(C2H5OH) 12～20硝酸(HNO3) 0.2～0.3硝酸镧(La(NO3)3·6H2O) 0.001～0.2硝酸铈(Ce(NO3)3·6H2O) 0.001～0.2A)按上述比例称取钛酸丁酯和无水乙醇，在剧烈搅拌钛酸丁酯的过程中滴加无水乙醇；B)按上述比例称取冰乙酸，滴加在钛酸丁酯和无水乙醇的混合液中，继续搅拌15～20分钟，得到溶液(1)；C)按上述比例称取硝酸、无水乙醇和蒸馏水(三者体积比为1∶20∶2)；无水乙醇与蒸馏水混合后，在剧烈搅拌下，缓慢滴加硝酸，得到溶液(2)；D)在剧烈搅拌下将溶液(2)以约1～2滴/s的速率缓慢滴加到溶液(1)中，得到均匀透明的淡黄色溶胶，继续搅拌1小时，放置陈化12小时待用。
E)按上述比例称取硝酸镧或硝酸铈，添加适量无水乙醇，得到均匀透明无色溶液(3)；F)在剧烈搅拌下，将溶液(3)缓慢滴加到由D)得到的溶胶中，继续搅拌1小时，得到了轻稀土元素镧或铈掺杂的TiO2溶胶。
G)将上述过程制得的轻稀土元素掺杂的TiO2溶胶烘干，再将干燥后的颗粒研磨，然后在600℃～800℃中退火1小时，得到了轻稀土元素掺杂的TiO2纳米粉体。
采用磁控溅射技术制备轻稀土元素掺杂的TiO2抗凝血生物涂层薄膜材料的具体过程可以是将轻稀土元素掺杂的TiO2纳米粉体压制成磁控溅射设备所需的靶，然后，采用射频溅射方式制备轻稀土元素掺杂的TiO2抗凝血生物涂层薄膜材料。控制薄膜性能的参数量射频功率200～500W，工作气体压力10-2～101帕，射频电压800～1000伏，样品加热温度为100～500℃，溅射时间0.1～3小时，轻稀土元素掺杂的二氧化钛复合靶中，镧的摩尔含量为0.1％～20％或铈的摩尔含量为0.1％～20％。
由于本发明在原料中添加了轻稀土元素镧或铈，并在600℃～800℃中退火1小时，这些稀土元素的掺入不仅能细化TiO2晶粒大小，还可进一步提高材料表面的亲水性及表面张力极性色散比，因此掺杂样品具有良好的血液相容性；另外，掺杂样品优良的抗凝血性能可能与稀土离子和Ca2+之间的拮抗作用有关，在凝血因子X活化成为Xa，凝血酶原形成凝血酶，纤维蛋白原转化为纤维蛋白的过程中Ca2+参与了作用，由于稀土离子半径与Ca2+近似且多一个正电荷，对含氧配位体的结合能力大于Ca2+并取代Ca2+使凝血过程受到抑制。
本发明与现有技术相比，采用上述方法所合成的轻稀土元素掺杂的TiO2抗凝血生物涂层薄膜材料，其优点在于所合成的轻稀土元素掺杂的TiO2抗凝血生物涂层薄膜血液相容性极好，对形状复杂的人工器官可实现全方位改性，均匀可靠，可实现工业化应用；由这些掺杂氧化物制得的表面改性层的抗凝血性能显著优于目前临床使用的国际公认的人工心脏瓣膜材料(热解碳)，改性涂层成分容易控制，重复性好，可靠度高。总之，采用本发明所述的方法处理所获得的人工器官的血液相容性，抗腐蚀和耐磨性能得到全面提高。
以下结合实施例，来进一步说明本发明，但本发明不局限于这些实施例，任何在本发明基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求书中所要求保护的范围。
具体实施例方式
实施例1制备不同轻稀土元素镧或铈掺杂的TiO2复合纳米材料制备方法如下按净值摩尔(份)比称取钛酸丁酯1份；冰乙酸0.5～1份；乙醇12～20份；硝酸0.2～0.3份；硝酸镧或硝酸铈0.001～0.2份后按下述步骤制备A)按上述比例，在剧烈搅拌钛酸丁酯的过程中滴加无水乙醇；B)将冰乙酸滴加在钛酸丁酯和无水乙醇的混合液中，继续搅拌15～20分钟，得到溶液(1)；C)按上述比例称取硝酸、无水乙醇和蒸馏水(三者体积比为1∶2 0∶2)；无水乙醇与蒸馏水混合后，在剧烈搅拌下，缓慢滴加硝酸，得到溶液(2)；D)在剧烈搅拌下将溶液(2)以约1～2滴/s的速率缓慢滴加到溶液(1)中，得到均匀透明的淡黄色溶胶，继续搅拌1小时，放置陈化12小时待用。
E)按上述比例称取硝酸镧或硝酸铈，添加适量无水乙醇，得到均匀透明无色溶液(3)；F)在剧烈搅拌下，将溶液(3)缓慢滴加到由D)得到的溶胶中，继续搅拌1小时，得到了轻稀土元素镧或铈掺杂的TiO2溶胶。
G)将上述过程制得的轻稀土元素掺杂的TiO2溶胶烘干，将干燥后的颗粒研磨后，在600℃～800℃中退火1小时，得到了轻稀土元素镧或铈摩尔含量为0.1％～20％的TiO2复合纳米粉体。
实施例2制备带有轻稀土元素镧或铈掺杂的TiO2复合涂层的人工器官将上述轻稀土元素镧或铈掺杂的TiO2纳米粉体按照磁控溅射设备的规格要求压制成靶，放置在磁控溅射设备的靶台上，需改性的人工器官放置在样品台上，抽真空至1×10-4帕，通人一定压力的氩气，打开溅射电源，由于靶台上加有射频电压，形成氩等离子体，氩离子轰击轻稀土元素镧或铈掺杂的TiO2复合靶，产生的钛、镧、氧原子或钛、铈、氧原子沉积在人工器官表面，合成了轻稀土元素镧或铈掺杂的TiO2薄膜。可按表1所示八种工艺利用射频溅射在人工器官表面合成镧或铈掺杂的TiO2薄膜。溅射过程中控制薄膜性能的参数是射频功率200～500瓦，射频电压800～1000伏，工作气压10-2～101帕，样品加热温度为室温～500℃，溅射时间是0.1～3小时。经测量，所得到的TiO2复合涂层的厚度在20-600纳米之间。
表1
权利要求
1.一种经过表面改性处理的人工器官，其特征在于，该人工器官的表面均匀涂覆有经轻稀土元素镧和/或铈掺杂的二氧化钛复合膜，该二氧化钛复合膜的厚度为20-600纳米，优选为60-300纳米，所述稀土元素镧和/或铈在所述二氧化钛复合膜中的摩尔含量为0.1％～20％，优选为0.2％～10％。
2.如权利要求1所述的人工器官，其特征在于，该人工器官的基体为钛合金和/或不锈钢。
3.如权利要求1所述的人工器官，其特征在于，所述稀土元素镧和/或铈在所述二氧化钛复合膜中的摩尔含量为0.5％～5％。
4.如权利要求1-3之一所述的人工器官，其特征在于，所述的经轻稀土元素镧和/或铈掺杂的二氧化钛复合膜是通过磁控溅射技术溅射沉积所述人工器官之基体的表面上。
5.如权利要求4所述的人工器官，其特征在于，所述的溅射沉积采用的靶体为轻稀土元素镧和/或铈掺杂的TiO2纳米粉体。
6.如权利要求4所述的人工器官，其特征在于，所述的溅射沉积是在所述复合靶上施加射频电压的射频磁控溅射，其中，射频功率200～500瓦，射频电压800～1000伏，工作气压10-2～101帕。
7.一种在人工器官上形成抗凝血复合膜的方法，该方法包括(1)形成轻稀土元素镧和/或铈掺杂的二氧化钛复合靶；(2)将所述二氧化钛复合靶的靶材料溅射沉积到人工器官基体的表面上。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所形成的轻稀土元素镧和/或铈掺杂的二氧化钛复合靶为轻稀土元素镧和/或铈摩尔含量为0.1％～20％的TiO2复合纳米粉体。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的溅射沉积为磁控溅射沉积，优选为多弧磁过滤真空溅射离子沉积。
10.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述的溅射沉积是在所述复合靶上施加射频电压的射频磁控溅射，其中，射频功率200～500瓦，射频电压800～1000伏，工作气压10-2～101帕。
全文摘要
本发明公开了一种经过表面改性处理的人工器官，该人工器官的表面均匀涂覆有经轻稀土元素镧和/或铈掺杂的二氧化钛复合膜，该二氧化钛复合膜的厚度为20－600纳米，优选为60－300纳米，稀土元素镧和/或铈在二氧化钛复合膜中的摩尔含量为0.1％～20％，优选为0.2％～10％。其中，经轻稀土元素镧和/或铈掺杂的二氧化钛复合膜可以通过磁控溅射技术如射频溅射溅射沉积人工器官之基体的表面上，从而可以在形状复杂的人工器官表面合成镧或铈掺杂的TiO
文档编号A61L33/00GK101024096SQ200710026880
公开日2007年8月29日 申请日期2007年2月12日 优先权日2007年2月12日
发明者陈弟虎, 何振辉, 张麟, 潘仕荣 申请人:中山大学