一种医用植入材料用镁-银涂层及其制备方法与流程

本发明属于医用材料领域，特别涉及齿科植入物、关节置换和人体组织缺损的填充材料及植入材料抗菌技术领域；具体为在植入物表面的镁-银涂层材料及其制备方法。

背景技术：

由于植入假体松动和磨蚀引发的不良细胞反应使人工关节等植入体只有10-15年的寿命，不能满足长期使用要求。同时，感染仍然是骨科植入物灾难性的术后并发症之一。植入体内的金属异物是导致此类感染发生的危险因素，所引发的一系列体内反应包括巨噬细胞功能的减弱，局部免疫系统的钝化等都为病原体的增殖创造了便利的条件。此外，植入物表面吸附的蛋白还能促进细菌黏附到植入物表面引发感染。过去人们大多关注对环境和个人污染的清除及手术期全身抗生素的应用，而新的方法是，针对该类感染发病的特殊机制通过植入物表面修饰改性来降低感染的风险。

金属材料一直以来被认为具有生物稳定性，虽然人们对其表面进行了各种表面改性的工作，骨细胞的粘附生长仍不理想。而金属材料中的镁(mg)，因为其具有较高的负电极电位，与水发生化学反应而降解，被人体吸收及代谢。同时，镁具有生物活性，可诱导细胞分化、生长和血管的长入，其作为骨植入器件植入生物体后，骨细胞向镁降解而减少的空间增殖、繁殖，随着镁逐步降解，形成新的具有原来特殊功能和形态的相应组织和器官，达到修复创伤和重建功能的目的。此外，由于镁降解而形成的碱性环境能达到抑制细菌生长的目的。镁由于其力学性能的限制只能用于非承力的部位，如手指、脚趾等。目前德国syntellix公司制造的magnezix镁合金压缩螺钉通过了ce认证，韩国u&i公司制造的镁合金螺钉也通过了kfda的批准，用于指关节的骨折固定。国内的中国科学院金属研究所等，正在与东莞宜安、江苏创生等医疗器械厂商进行镁合金产品申报。然而，上述产品均以实体块材形式应用，且用于非承力部位。目前未见将镁基材料以薄膜的形式复合于现有医用植入材料表面的相关报道，镁基材料以薄膜形式可应用于需承力部位，如人工关节等，这种新的使用形式将在医用植入材料领域发挥重要作用。

人们使用银(ag)器的历史十分悠久据，银离子的杀菌作用也被人们广泛应用。1978年美国科学文摘报道，银能杀灭650种不同的病原体。和抗生素不同，银可不加区分地有效杀灭各种细菌、真菌/酵母菌、病毒、支原体和寄生虫等。并且极低的浓度，如每升水中只要含亿万分之二毫克的银离子，即可杀死水中大部分细菌。银的杀菌能力强，对人畜无害，因此半数以上的航空公司采用银来净化饮用水，许多国家的泳池采用银离子消毒杀菌，银离子杀菌也已经进入洗衣机等电器领域。银离子杀菌也将在医疗领域发挥其巨大作用。

技术实现要素：

为了解决植入材料的组织结合及感染问题，本发明提供了一种医用植入材料用镁-银涂层及其制备方法，采用蒸镀技术，在钛、钛合金、不锈钢、高分子材料制备的实体或多孔结构基体表面制备镁-银涂层，以解决现有植入材料组织相容性欠佳及感染问题，该方法所得涂层具极佳的生物相容性，同时具备杀菌功能。

本发明的技术方案如下：

一种医用植入材料用镁-银涂层，其特征在于：镁-银涂层的厚度为0.1-200μm，涂层中银元素的质量百分比为：0％＜ag≤10％(优选为2％≤ag≤6％)。

其中，所用基体为实体或多孔结构，采用钛、钛合金、不锈钢或高分子材料制成；所用实体基体为医用材料；所用多孔结构基体的孔隙率≧80％，孔径为200μm-5mm。

作为优选的技术方案，本发明所述涂层中还可引入锌元素，其质量百分比为0％＜zn≤8％，以提高其抗菌性能。

本发明还提供了所述镁-银涂层的制备方法，其特征在于：采用蒸镀法将镁银合金原料蒸发，并用载气将蒸气输运到基体表面而获得镁涂层；或利用温度梯度将镁银蒸气沉积在基体表面。

本发明所述用镁-银涂层的制备方法，其特征在于：所述镁银合金原料为熔化浇铸获得，银原料为纯度≧99.99％纯银颗粒，镁原料为纯度≧99.99％纯镁颗粒。

作为优选的工艺，载气的流量为50-300sccm，工作气压为1×10^-4-1×10²pa，镁银合金蒸发温度为500-800℃，沉积温度为20-150℃。

本发明制备镁-银涂层的具体步骤如下：

(1)、将基体依次用去离子水、无水乙醇超声清洗后，干燥氮气吹干送入沉积室；

(2)、镁银合金原料放入蒸发室，抽极限真空至10^-5pa，用高纯氩气反复清洗最少3次，以除去空气，保证无氧环境；

(3)、沉积室升温至目标温度，镁银蒸发为蒸气沉积在基体表面，沉积完成后随炉冷却至室温。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出一种医用植入材料用镁-银涂层，金属镁具有良好的生物相容性，镁与体液发生化学反应而降解，降解产物可随人体代谢排出体外。镁还具骨诱导、促血管化等多重生物功能性。银具有很强的广谱杀菌作用。银还可促进成纤维细胞分化，从而促进伤口愈合。在植入器件表面制备镁-银涂层将发挥抗菌、促愈合及促组织生长的多重生物功能。

2、本发明提出的制备涂层的方法，可在多种骨科植入材料表面涂覆一定厚度的镁-银涂层，适用于多种表面，不需要对材料表面进行特殊处理，适用范围广。

3、本发明解决了镁基材料只能用于非承力部位的问题，将镁基材料的应用领域扩展到承力部位，提升了镁基材料应用的可能性。

附图说明

图1为实施例1中沉积设备示意图。图中，1沉积室炉体；2蒸发室炉体；3、基体；4、蒸发源；5、真空系统；6、流量控制器；7、脱水脱氧管；8、氩气。

具体实施方式

如图1所示，本发明方法所用的沉积设备主要包括：沉积室炉体1、蒸发室炉体2等，在沉积室炉体1中放置基体3，在蒸发室炉体2中放置蒸发源4，蒸发源4的一端与流量控制器6的一端连通，流量控制器6的另一端连接脱水脱氧管7，脱水脱氧管7另一端连接氩气供应管路，蒸发源4的另一端与基体3所在的沉积室相通，基体3所在的沉积室与真空系统5相通。

本发明采用真空蒸镀系统制备涂层，镁银合金块体或颗粒为蒸发源，氩气为载气，设备图如图1所示。多孔钛合金(ti-6al-4v)支架基体由3d打印技术制备，孔隙率≧80％，孔径为200μm-1mm，网状玻璃碳支架基体为浸渍法制备，孔隙率≧80％，孔径为500μm-5mm，支架基体样品需经酸洗，水洗，酒精清洗后，干燥氮气吹干，再置入沉积室炉体1。

实施例1

将多孔钛合金(ti-6al-4v)样品置入沉积室炉体1，将mgag合金原料放入蒸发室炉体2，然后连接气路，并检查密封状况，抽极限真空(10^-5pa)后，氩气反复清洗整个系统3次，以确保氧气含量降到最低。设定沉积温度20℃，蒸发温度为500℃，工作气压为1×10^-4pa，沉积时间1h，沉积金属镁-银层的厚度为5μm，银质量百分比为2％。为确定涂层的促成骨作用，进行了碱性磷酸酶(alp)实验，培养4天及7天后，涂层组颜色比基体组的更深，说明涂层组碱性磷酸酶的活性高于基体组，表明涂层具有促成骨作用。

实施例2

将平面纯基体置入沉积室炉体1，将mgag合金原料放入蒸发室炉体2，然后连接气路，并检查密封状况，抽极限真空(10^-5pa)后，氩气反复清洗整个系统3次，以确保氧气含量降到最低。设定沉积温度80℃，蒸发温度为600℃，工作气压为1×10^-3pa，沉积时间1h，沉积金属镁-银层的厚度为50μm，银质量百分比为3％。经过x射线衍射分析，以及扫描电镜能谱分析，确定涂层为镁银，由于银含量较少，x射线图谱仅可显示出金属镁的衍射信息。

实施例3

将平面316l不锈钢薄片置入沉积室炉体1，将mgag合金原料放入蒸发室炉体2，然后连接气路，并检查密封状况，抽极限真空(10^-5pa)后，氩气反复清洗整个系统3次，以确保氧气含量降到最低。设定沉积温度100℃，蒸发温度为700℃，工作真空度1×10^-1pa，沉积时间1.5h，沉积金属镁-银层的厚度为100μm，银质量百分比为4％。

实施例4

将平面高分子薄片置入沉积室炉体1，将mgag合金原料放入蒸发室炉体2，然后连接气路，并检查密封状况，抽极限真空(10^-5pa)后，氩气反复清洗整个系统3次，以确保氧气含量降到最低。设定沉积温度50℃，蒸发温度为750℃，工作真空度1pa，沉积时间1h，沉积金属镁-银层的厚度为120μm，银质量百分比为5％。

实施例5

将多孔钛合金(ti-6al-4v)样品置入沉积室炉体1，将mgag合金原料放入蒸发室炉体2，然后连接气路，并检查密封状况，抽极限真空(10^-5pa)后，氩气反复清洗整个系统3次，以确保氧气含量降到最低。设定沉积温度150℃，蒸发温度为800℃，工作真空度10pa，沉积时间2h，沉积金属镁-银层的厚度为150μm，银质量百分比为4.5％。

实施例6

将平面钛合金(ti-6al-4v)样品置入沉积室炉体1，将mgag合金原料放入蒸发室炉体2，然后连接气路，并检查密封状况，抽极限真空(10^-5pa)后，氩气反复清洗整个系统3次，以确保氧气含量降到最低。设定沉积温度120℃，蒸发温度为650℃，工作真空度1×10^-2pa，沉积时间1h，沉积金属镁-银层的厚度为100μm，银质量百分比为6％。

实施例7

将平面钛合金(ti-6al-4v)样品置入沉积室炉体1，将mgagzn合金原料放入蒸发室炉体2，然后连接气路，并检查密封状况，抽极限真空(10^-5pa)后，氩气反复清洗整个系统3次，以确保氧气含量降到最低。设定沉积温度120℃，蒸发温度为650℃，工作真空度1×10^-2pa，沉积时间1h，沉积金属镁-银层的厚度为100μm，zn的质量百分比为5％，银质量百分比为6％。

将样品按照“jisz2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性试验方法和抗菌效果》、gb/t2591-2003《抗菌塑料抗菌性能实验方法和抗菌效果》”等相关标准规定进行定量的抗菌性能检测。结果得到样品对常见感染菌(大肠杆菌、金黄色葡萄球菌)作用后的杀菌率为99％以上。

实施例结果表明，本发明采用蒸镀技术制备具有促成骨作用及抗菌作用的金属镁-银或镁-银-锌涂层。将涂层制备于具有复杂几何外形的多孔材料、平面材料表面。采用该技术可提供镁-银或镁-银-锌涂层的有效覆盖，可在提高医用材料骨长入能力的同时赋予材料抗菌性能。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。