本发明涉及医用材料领域，具体涉及医用金属复合材料，尤其是涉及一种提高医用金属件生物功能性的方法。
背景技术
生物医用材料是指能够植入生物体或与生物组织相结合的材料,可用于诊断、治疗,以及替换生物机体中的组织、器官或增进其功能。生物医用金属材料是用作生物医用材料的金属或合金，又称外科用金属材料或医用金属材料，是一类惰性材料。这类材料具有高的机械强度和抗疲劳性能，是临床应用最广泛的承力植入材料。该类材料的应用非常广泛，遍及硬组织、软组织、人工器官和外科辅助器材等各个方面。
医疗金属材料是用于人工假体、矫形物的承力材料，主要应用于口腔、矫形外科、骨修复等硬组织系统。目前临床应用的医用金属材料主要有不锈钢、钴基合金、钛合金等几大类。此外还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、铌、锆等。与生物陶瓷及生物高分子材料相比，金属材料高强度、耐疲劳、易于加工。目前，在需承受较高载荷的骨、牙部仍将其视为首选的植入材料。如用于骨折内固板、螺钉、人工关节和牙根种植体等。
专利申请号201710988994.6公开了一种生物医用金属材料，此通过细胞外基质蛋白的特性来设计的仿生生物金属材料，通过模拟细胞间相互连接的微环境，诱导骨组织黏附在钛合金表面，分泌大量细胞生长因子，促进炎性细胞（如中性粒细胞、巨噬细胞等）的清退；通过骨组织细胞迁移、增殖和分化，最终形成新的有功能的组织，具有与骨的生物力学相容性较好的特点，而且本发明制备的生物医用金属材料还具有硬度高、耐腐蚀性强、抗菌能力强的特点。
专利申请号201510476601.4公开了种抗菌能力强的医用石墨烯增强钛合金棒材，由内到外依次包括钛合金棒材本体、中间层石墨烯薄膜，外部的包覆涂层；钛合金棒材本体的化学组成为：锆7~10%，铁：1.5~2.5%，铬：0.5~0.8%，镓：0.5~0.9%，锡：0.25~0.75%，铪0.02~0.07%，钽1~2%，铝：1~2%，钒：0.25~0.45%，硼：0.1~0.18%，铈：0.12~0.18%，铌4~15%，钼：9~13%，银：0.001~0.005%，余量为钛；外部包覆涂层的组成为：氧化钛：60~80份，金属银：0.1~1份；硅灰石：15~20份；氧化银：0.1~0.5份；硼化钛：2~4份，氧化镁粉：4~8份。此发明通过合金成分设计使得医用钛合金棒材质量优异，合金力学性能优异，可作为骨、关节及人工牙根等硬组织修复的替代材料。
专利申请号201610725898.8公开了一种生物医用金属材料，金属材料原料包括铌粉、铂粉、钛粉、钼粉、纤维素硝酸酯、磷酸三苯酯、抗氧剂、辅助抗氧剂、硅灰石纤维、二丁基硫醇锡、邻苯二甲酸二丁酯、亚磷酸三苯酯、玻璃酸、淀粉、硅酸钙和2-乙基-4-甲基咪唑。其制备方法为先将各组分加至混合搅拌机中，搅拌混合均匀，将所得混合物料加入到反应釜中，在氮气氛围中加热搅拌反应，将所得反应物送入双螺杆挤出机中经挤出、水冷、风干、切粒，得到生物医用金属材料。此发明所得生物医用金属材料不仅硬度和耐腐性能都有不同程度的提高，而且对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均具有良好的抗菌能力，其抗菌率分别可达到99.5%和98.45%。
专利申请号201610753722.3公开了一种医用可载药金属-高分子梯度多孔复合材料，该金属-高分子梯度多孔复合材料以医用高分子材料为基体，以医用金属丝缠绕编织而成的多孔材料为增强相，其中，基体体积分数为10-90％；所述金属-高分子梯度多孔复合材料是将基体挤压进入增强相孔隙中，然后利用化学腐蚀方法除去部分增强相金属，形成表面多孔，内部实体的梯度多孔材料。与现有技术相比，此发明材料具有优异力学性能，良好的骨传输和诱导能力，并且表层多孔层厚度，孔径大小和孔隙率可以控制。表面多孔层中可根据需要载入药物，起到预防感染，促进骨生长和愈合的作用。该制备方法具有操作简单易行，成本低等优点。
由此可见，现有技术中用于医疗材料的金属材料存在与人体组织性能性差大，无生物活性，亲和性差的缺陷，植入人体后通常受身体生理体液的腐蚀作用，易溶出金属离子，另外金属材料的模量普遍较高，与骨等组织相差较大，影响了生物金属材料在医疗中的正常应用。
技术实现要素：
为有效解决上述技术问题，本发明提出了一种提高医用金属件生物功能性的方法，可有效提高医疗金属件的生物相容性和耐腐蚀性，扩展了医疗金属件应用范围。
本发明的具体技术方案如下：
一种提高医用金属件生物功能性的方法，特征是多孔陶瓷微球吸附银的复合微球与石墨烯均匀分散，经静电干粉喷涂沉积在医疗金属件的表面，并进行激光高速扫描微焊接，具体的制备步骤为：
a、在惰性气体保护下将银熔化，然后与多孔陶瓷微球在高压气流作用下对撞复合，使多孔陶瓷微球完全吸附银，银在多孔陶瓷微球的微孔和表面均匀分布，经喷雾机得到微米级的复合微球；
b、将步骤a制得的复合微球与石墨烯分散均匀形成复合粉，通过静电干粉喷涂机沉积在医疗金属件的表面，进一步通过激光高速扫描微焊接，使得沉积的复合微球、石墨烯牢固焊接在金属件的表面，制得抗菌性、生物相容性、耐腐蚀性的医用金属件。
优选的，所述步骤a中，惰性气体为氦气、氖气、氩气、氙气、氡气中的一种。
优选的，所述步骤a中，银10~30重量份、多孔陶瓷微球70~90重量份。
优选的，所述步骤a中，高压气流的压力为0.3~0.5mpa。
优选的，所述步骤a中，复合微球的粒径为10-50μm。
优选的，所述步骤b中，复合微球40~60重量份、石墨烯40~60重量份。
优选的，所述步骤b中，静电干粉喷涂的静电高压为60~80kv，静电电流为10~20μa，流速压力为0.3~0.5mpa，雾化压力为0.3~0.4mpa，喷枪口与金属材料表面的距离为15~25cm。优选的喷涂厚度为100-200μm。
优选的，所述步骤b中，激光高速扫描的激光发射频率为0.8~1mhz，扫描速度为200~220mm/min。
微量的、相对无毒的金属具有杀灭病原体和防止它们增殖的“微量作用效应”。在所有的金属中，银最具微量生物活性。银的使用，可以最早追溯到18世纪使用硝酸银治疗胃溃疡。与其他抗菌剂相比，银系抗菌剂具有抗菌性能高，不易产生抗药性等优点，同时具有很高的安全性。在温暖潮湿的环境里，银离子具有非常高的生物抗菌活性。因此，本发明通过将银熔化置于多孔陶瓷微球，微焊接在金属材料表面，使金属材料具有优异的抗菌性。
由于石墨烯具有良好的耐腐蚀性能，加有石墨烯的涂层可形成层层叠加的致密隔绝层，通过物理方式抑制水、腐蚀性离子等对涂膜的浸润与渗透，使金属材料的耐腐蚀性能得到提升。因此，本发明借助复合微球的金属焊接，将石墨烯均匀焊接在金属材料表面，赋予金属材料良好的耐腐蚀性。
本发明的有益效果为：
1.本发明通过将银熔化置于多孔陶瓷微球，与石墨烯混合分散微焊接在金属材料表面，使制得的金属材料具有优异的抗菌性。
3.本发明通过使用石墨烯，借助复合微球的金属焊接，将石墨烯均匀焊接在金属材料表面，赋予金属材料良好的生物相容性和耐腐蚀性。
4.本发明的方法适合所有不锈钢、钴合金、钛合金等医疗金属件的表面改性，可广泛用于骨固定、牙矫正等植入性医疗材料领域。
具体实施方式
以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。
实施例1
a、在惰性气体保护下将银熔化，然后与多孔陶瓷微球在高压气流作用下对撞复合，使多孔陶瓷微球完全吸附银，银在多孔陶瓷微球的微孔和表面均匀分布，经喷雾机得到微米级的复合微球；
b、将步骤a制得的复合微球与石墨烯分散均匀形成复合粉，通过静电干粉喷涂机沉积在医疗金属材料的表面，进一步通过激光高速扫描微焊接，使得沉积的复合微球、石墨烯牢固焊接在金属件的表面，制得抗菌性、生物相容性、耐腐蚀性优异的医用金属件。
惰性气体为氦气。
步骤a中，银10重量份、多孔陶瓷微球90重量份。
高压气流的压力为0.5mpa。
复合微球的粒径为50μm。
步骤b中，复合微球60重量份、石墨烯40重量份。
静电干粉喷涂的静电高压为60kv，静电电流为20μa，流速压力为0.3mpa，雾化压力为0.4mpa，喷枪口与金属材料表面的距离为15cm。喷涂厚度为200μm。
激光高速扫描的激光发射频率为1mhz，扫描速度为200mm/min。
实施例2
a、在惰性气体保护下将银熔化，然后与多孔陶瓷微球在高压气流作用下对撞复合，使多孔陶瓷微球完全吸附银，银在多孔陶瓷微球的微孔和表面均匀分布，经喷雾机得到微米级的复合微球；
b、将步骤a制得的复合微球与石墨烯分散均匀形成复合粉，通过静电干粉喷涂机沉积在医疗金属件的表面，进一步通过激光高速扫描微焊接，使得沉积的复合微球、石墨烯牢固焊接在金属件的表面，制得抗菌性、生物相容性、耐腐蚀性优异的医用金属件。
惰性气体为氖气。
步骤a中，银30重量份、多孔陶瓷微球70重量份。
高压气流的压力为0.5mpa。
复合微球的粒径为50μm。
步骤b中，复合微球60重量份、石墨烯40重量份。
静电干粉喷涂的静电高压为80kv，静电电流为10μa，流速压力为0.5mpa，雾化压力为0.4mpa，喷枪口与金属材料表面的距离为25cm。喷涂厚度为200μm。
激光高速扫描的激光发射频率为0.8mhz，扫描速度为220mm/min。
实施例3
a、在惰性气体保护下将银熔化，然后与多孔陶瓷微球在高压气流作用下对撞复合，使多孔陶瓷微球完全吸附银，银在多孔陶瓷微球的微孔和表面均匀分布，经喷雾机得到微米级的复合微球；
b、将步骤a制得的复合微球与石墨烯分散均匀形成复合粉，通过静电干粉喷涂机沉积在医疗金属件的表面，进一步通过激光高速扫描微焊接，使得沉积的复合微球、石墨烯牢固焊接在金属件的表面，制得抗菌性、生物相容性、耐腐蚀性优异的医用金属件。
惰性气体为氡气。
步骤a中，银20重量份、多孔陶瓷微球80重量份。
高压气流的压力为0.4mpa。
复合微球的粒径为10μm。
步骤b中，复合微球50重量份、石墨烯50重量份。
静电干粉喷涂的静电高压为70kv，静电电流为16μa，流速压力为0.4mpa，雾化压力为0.4mpa，喷枪口与金属材料表面的距离为20cm。喷涂厚度为150μm。
激光高速扫描的激光发射频率为0.9mhz，扫描速度为210mm/min。
实施例4
a、在惰性气体保护下将银熔化，然后与多孔陶瓷微球在高压气流作用下对撞复合，使多孔陶瓷微球完全吸附银，银在多孔陶瓷微球的微孔和表面均匀分布，经喷雾机得到微米级的复合微球；
b、将步骤a制得的复合微球与石墨烯分散均匀形成复合粉，通过静电干粉喷涂机沉积在医疗金属件的表面，进一步通过激光高速扫描微焊接，使得沉积的复合微球、石墨烯牢固焊接在金属件的表面，制得抗菌性、生物相容性、耐腐蚀性优异的医用金属件。
惰性气体为氩气。
步骤a中，银25重量份、多孔陶瓷微球75重量份。
高压气流的压力为0.3mpa。
复合微球的粒径为15μm。
步骤b中，复合微球45重量份、石墨烯55重量份。
静电干粉喷涂的静电高压为65kv，静电电流为15μa，流速压力为0.4mpa，雾化压力为0.3mpa，喷枪口与金属材料表面的距离为25cm。喷涂厚度为200μm。
激光高速扫描的激光发射频率为0.8mhz，扫描速度为220mm/min。
实施例5
a、在惰性气体保护下将银熔化，然后与多孔陶瓷微球在高压气流作用下对撞复合，使多孔陶瓷微球完全吸附银，银在多孔陶瓷微球的微孔和表面均匀分布，经喷雾机得到微米级的复合微球；
b、将步骤a制得的复合微球与石墨烯分散均匀形成复合粉，通过静电干粉喷涂机沉积在医疗金属件的表面，进一步通过激光高速扫描微焊接，使得沉积的复合微球、石墨烯牢固焊接在金属件的表面，制得抗菌性、生物相容性、耐腐蚀性优异的医用金属件。
惰性气体为氩气。
步骤a中，银30重量份、多孔陶瓷微球70重量份。
高压气流的压力为0.5mpa。
复合微球的粒径为40μm。
步骤b中，复合微球60重量份、石墨烯40重量份。
静电干粉喷涂的静电高压为80kv，静电电流为10μa，流速压力为0.5mpa，雾化压力为0.3mpa，喷枪口与金属材料表面的距离为25cm。喷涂厚度为200μm。
激光高速扫描的激光发射频率为1mhz，扫描速度为200mm/min。
对比例1
将多孔陶瓷微球与石墨烯分散均匀形成复合粉，通过静电干粉喷涂机沉积在医疗金属件的表面，进一步通过激光高速扫描微焊接，使得沉积的多孔陶瓷微球、石墨烯牢固焊接在金属件的表面，制得医用金属件。
多孔陶瓷微球60重量份、石墨烯40重量份。
静电干粉喷涂的静电高压为60kv，静电电流为20μa，流速压力为0.3mpa，雾化压力为0.4mpa，喷枪口与金属材料表面的距离为15cm。喷涂厚度为200μm。
激光高速扫描的激光发射频率为1mhz，扫描速度为200mm/min。
对比例2
a、在惰性气体保护下将银熔化，然后与多孔陶瓷微球在高压气流作用下对撞复合，使多孔陶瓷微球完全吸附银，银在多孔陶瓷微球的微孔和表面均匀分布，经喷雾机得到微米级的复合微球；
b、将步骤a制得的复合微球通过静电干粉喷涂机沉积在医疗金属件的表面，进一步通过激光高速扫描微焊接，使得沉积的复合微球焊接在金属件的表面，得到医用金属件。
惰性气体为氦气。
步骤a中，银10重量份、多孔陶瓷微球90重量份。
高压气流的压力为0.5mpa。
复合微球的粒径为50μm。
静电干粉喷涂的静电高压为60kv，静电电流为20μa，流速压力为0.3mpa，雾化压力为0.4mpa，喷枪口与金属材料表面的距离为15cm。喷涂厚度为200μm。
激光高速扫描的激光发射频率为1mhz，扫描速度为200mm/min。
按照上述实施例1~5及对比例1~2的方法对不锈钢固定骨架进行处理，进行生物功能性综合测试。
抗菌性：将e.coli保藏菌转接到营养琼脂培养基平板不，在37℃下培养24h，每天转接一次，不超过2周，试验采用连续转接2次后的新鲜细菌培养物作为试验对象，在肉汤中培养18h，菌液用磷酸盐缓冲液稀释，直至菌液在475nm的吸光度为0.28±0.02，菌液再用磷酸盐缓冲液稀释1000倍。将本发明改性的金属件灭菌后，加入50ml菌悬液，分别采用平板计数法配合振荡法测定初始、1h及2h时的菌落总数。
生物相容性：按照1so10993-12医疗器械生物学评价，试样面积/浸体介质=1.25cm2/ml制备材料浸提液，将本发明制得的复合金属件置于含10%fbs的dmem/f12培养基；取人成骨样细胞复苏后，加入含10%fbs的dmem/f12培养基，37℃，5%二氧化碳条件下培养，2~3d换液一次，制得试验细胞；将细胞按照1×104个/ml密度接种于六孔板中，每孔2ml，24h后换液，加入含有金属材料浸提液进行培养，在24h、48h及72h后，收集细胞培养液，离心分离后取上清液，根据ocn酶联免疫分析试剂盒进行ocn活性检测，回执ocn标准曲线，计算骨钙素ocn的量；
耐腐蚀性：将本发明改性的金属件，分别放入质量浓度为2%的盐酸溶液（ph=4.5）和质量浓度为2%碳酸氢钠溶液（ph=9.6），在温度为40℃，分别120h时的腐蚀性。
结果如表1所示。
表1：