[發(fā)明專利]一種表面具有抗菌性納米結(jié)構(gòu)的醫(yī)用鈦合金的制備方法

有效

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• 申請日: 2014-02-18
• 公開（公告）號: CN103816574A
• 公開（公告）日: 2014-05-28
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吳水林;劉想梅;翁正陽;李霞;周田;李滿;楊偉國;朱劍豪
• 申請（專利權(quán)）人: 吳水林
• 主分類號: A61L31/02
• 分類號: A61L31/02;A61L31/16
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米材料和光化學的應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種表面具有抗菌性納米結(jié)構(gòu)的醫(yī)用鈦合金的制備方法。

背景技術(shù)

生物醫(yī)用材料是指具有特殊性能、特種功能，用于人工器官、外科修復(fù)、理療康復(fù)、診斷、治療疾患，而對生物體組織不會產(chǎn)生不良影響的材料。作為生物醫(yī)用材料，必須具有無毒性、抗生物腐蝕性、力學性能及生物相容性等特性。鈦基金屬材料，包括純鈦和鈦合金，具有優(yōu)越的力學性能，抗腐蝕性強，彈性模量低，生物相容性好，是目前骨科常用的內(nèi)固定材料，作為植入物材料在骨科內(nèi)固定手術(shù)中尤其在負載部位得到了廣泛的應(yīng)用。跟常用的不銹鋼以及鈷鉻合金相比，鈦基金屬材料質(zhì)量更輕、機械性能和彈性模量更接近于自然骨。

目前鈦種植體仍存在許多問題，如缺乏骨誘導作用、與周圍組織結(jié)合強度低、金屬離子釋放、愈合時間長以及耐腐蝕性差等。當鈦合金植入人體內(nèi)后，其非生理性的表面暴露于生理環(huán)境中，極易被組織纖維包裹，與宿主骨周圍的組織分離，容易發(fā)生松動，最終導致植入失敗。而且，生體用鈦合金的耐磨性也不是非常好，在生體內(nèi)環(huán)境中與醫(yī)體用鉆系合金相比要差得多。當植入人體后，由于鈦合金與機體的相互磨損，在關(guān)節(jié)周圍容易形成黑褐色的粘稠物，會引起疼痛。除此之外，鈦和鈦合金雖與其它材料相比更接近骨骼的彈性模量，但是還有一定的差距，未做表面處理的鈦作為硬組織修復(fù)材料植入人體中后，對骨的傳導性低于生物活性陶瓷。未經(jīng)處理的鈦表面無抗菌性能，植入人體摩擦產(chǎn)生的磨屑可導致炎癥發(fā)生，細菌感染也會導致植入手術(shù)失敗。如何對鈦基金屬材料進行表面修飾來提高植入物材料的骨整合性能、生物相容性及使其具有抗菌性能是骨科與納米生物材料領(lǐng)域研究的熱點。

具有良好生物活性的材料可以誘導細胞的粘附和生長。對于鈦種植體來說，骨組織要充分生長則要求種植體表面多孔結(jié)構(gòu)的孔徑達到100μm。于是增加材料表面的粗糙度，增大種植體與成骨細胞培養(yǎng)液的接觸面積，可以利于成骨細胞的初期附著和生長。目前，表面改性技術(shù)有兩大類：一類是利用從液相中發(fā)生各種化學反應(yīng)從而進行表面改性的技術(shù)，有溶膠一凝膠法、水熱合成法、電化學沉積法等，稱為濕法；另一類是在氣相中進行各種反應(yīng)或沉積，有等離子噴涂法、化學氣相沉積法、物理氣相沉積法、和激光熔覆法等，稱為干法。溶膠-凝膠法是將涂層配料制成溶膠，使之均勻覆蓋于基體的表面，由于溶劑迅速揮發(fā)，配料發(fā)生縮聚反應(yīng)而膠化，再經(jīng)干燥和熱處理，即可獲得涂層。溶膠-凝膠法存在某些問題：通常整個溶膠-凝膠過程所需時間較長(主要指陳化時間)，常需要幾天或者幾周；還有就是凝膠中存在大量微孔，在干燥過程中又將會逸出許多氣體及有機物，并產(chǎn)生收縮。電化學沉積方法可以在純金Au、Pt、Ti、Al、Fe、Cu金屬以及不銹鋼、Ti6A14V、Ni-Ti和Co-Cr合金上沉積磷酸鈣，從而改善它們的表面生物相容性。由于這種方法的影響條件很多，包括原料粉末的粒度、溶液的濃度、pH值、引發(fā)劑、電壓、電解時間、攪拌、基體的預(yù)處理、沉積的陳化時間、燒結(jié)溫度等，因此工藝參數(shù)不易控制。等離子噴涂法是將羥磷灰石高溫下熔融，然后高速噴射在金屬基體上快速凝固而形成涂層。但這種技術(shù)是在高溫下(大于10000℃)進行的，高溫對金屬基體有負面影響，而且羥磷灰石在高溫下易分解導致其在體內(nèi)不穩(wěn)定。同時，所獲得的涂層在結(jié)構(gòu)和組成上不同于骨中的礦物質(zhì)，降低了涂層與金屬基體間的結(jié)合強度；另外對于復(fù)雜幾何形態(tài)的鈦種植體，涂層往往密度不均一。激光熔覆法通過控制激光束的波長、流量、工作室的水蒸汽壓和鈦基表面溫度，可形成不同結(jié)構(gòu)的元素涂層。此方法制得的涂層與基底結(jié)合良好，但涂層的均勻性和穩(wěn)定性仍較難控制。實驗證明，改性后的合金表面對動物、結(jié)締組織及骨組織均無毒副作用，涂層生物相容性良好；具有誘導骨生長的作用，且不影響成骨細胞與破骨細胞的活性。但在體內(nèi)，有細胞介導的降解發(fā)生。

為了得到既具有生物活性又具有表面抗菌性的材料，可以將經(jīng)過表面處理的鈦金屬與銀粒子結(jié)合，讓銀粒子以納米尺度均勻的分散在鈦金屬表面且不團聚。鈦金屬表面的銀粒子過少，則不能達到良好的殺菌效果，而另一方面，若表面的粒子過多，或是以大的分子團聚在一起，則有可能殺死生物細胞，而產(chǎn)生不良的影響。現(xiàn)階段最簡易且成本低的方法是還原沉淀法，但還原沉淀法中攪拌不勻等容易使制得的銀粒子團聚、顆粒較大。

發(fā)明內(nèi)容