[發明專利]一種鈦離子注入沉積對生物降解鎂和鎂合金進行表面改性的方法

在審

• 申請號: 201510329730.0
• 申請日: 2015-06-15
• 公開（公告）號: CN104878362A
• 公開（公告）日: 2015-09-02
• 發明（設計）人: 李巖;鄭洋
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: C23C14/48
• 分類號: C23C14/48;C23C14/06
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• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于一種生物降解鎂和鎂合金Mg-X(X＝Zn、Ca、Sr、Zr等生物相容性元素中的一種或兩種以上)的表面改性技術，采用離子注入方法將鈦離子注入到鎂合金淺層表面以形成過渡層，隨后利用離子束增強沉積方法將鈦元素沉積到過渡層上，最終在鎂合金表面制備具有過渡層的鈦金屬薄膜。

背景技術

目前醫學臨床廣泛應用的金屬材料主要包括316L不銹鋼、NiTi合金和鈷鉻合金等，它們被用來制造骨科固定物(如骨釘、接骨板等)以及心腦血管支架等。這些材料具有優異的耐腐蝕性能，在體內生理環境可以長時間保持穩定。然而，長期存在植入部位的金屬材料可能會造成組織炎癥和血管再狹窄等不良反應，因此植入體在完成功能后需要進行二次手術取出，這不僅增大了患者痛苦，而且增加了手術費用。

鎂和鎂合金用于生物醫用領域具有很多優勢：機械性能方面，鎂合金密度小、比強度高、彈性模量接近人骨，可以有效減小應力屏蔽效應；生物相容性方面，鎂是人體細胞內主要的陽離子以及某些生物活性酶的重要組成成分，參與人體正常生命活動和新陳代謝過程；降解性方面，鎂和鎂合金在人體生理環境中化學性質十分活潑，其結構會逐漸發生破壞，降解產物可以隨新陳代謝過程排出體外。通過在鎂基體中加入適量的生物相容性元素，如Zn、Ca、Sr、Zr等，可以進一步提高其機械性能、生物相容性和耐腐蝕性能。綜上所述，鎂和鎂合金是重要的骨科固定物和心血管植入物用可降解金屬材料。

然而，鎂和鎂合金過快的腐蝕速率是限制其臨床應用的首要問題。一般來說，理想的可降解骨科固定物和心血管植入物材料需要在六個月內保持其結構完整性，但是鎂和鎂合金的降解速率過快，往往在三個月內即發生嚴重腐蝕而喪失力學支撐功能，所以需要進一步降低其降解速率。鈦是一種生物相容性良好的金屬，具有強度高、延展性好、耐腐蝕性優異的特點。鈦和鈦合金在骨科、整形外科等領域已經成功臨床應用多年。如果能在鎂和鎂合金表面制備一種結合力良好、厚度適中的鈦薄膜就可以解決其降解速率過快的問題，同時保證材料的良好生物相容性和力學性能。

文獻(Fei?Chen,Hai?Zhou,Suo?Cai,Fanxiu?Lv,Chengming?Li,Corrosion?resistance?properties?of?AZ31?magnesium?alloy?after?Ti?ion?implantation,Rare?Metals?26(2)2007?142-146.)報道了一種離子注入表面改性AZ31鎂合金的方法，以提高鎂合金基體的耐腐蝕性能。但是，金屬離子注入方法改性鎂合金的自身技術特點限制了改性層的厚度，并且最外層表面通常是金屬鈦和金屬鎂的混合物形式，這樣在腐蝕介質中會形成電偶，鎂作為陽極而加速腐蝕。

發明內容

本發明針對現有技術中存在的問題，提出了一種鈦離子注入沉積對生物降解鎂和鎂合金進行表面改性的方法，首先采用離子注入方法在鎂和鎂合金表面制備了一層3-6μm厚的過渡層，該過渡層由鈦氧化物和氧化鎂組成；然后采用離子束增強沉積方法在過渡層表面制備一層金屬鈦薄膜。過渡層的存在保證了表面鈦薄膜與基體之間具有良好的結合力，在受到外力的作用時不易剝落。在體液環境下，表面鈦薄膜先被腐蝕，由于過渡層的存在，鈦薄膜與基體具有很好的結合力，不易在腐蝕過程中剝落；當鈦薄膜和過渡層完全腐蝕后，鎂和鎂合金基體才開始逐漸腐蝕，因此腐蝕過程中力學強度在腐蝕初期變化緩慢，這有利于對受損骨組織或心血管病變組織提供力學支撐。此外，鈦薄膜可以提高鎂和鎂合金植入物的整體機械強度，從而達到減小植入物尺寸的目的。可以作為鈦離子注入沉積基底的鎂和鎂合金包括常規熔煉工藝制備的平衡態鎂合金、粉末冶金和快速凝固等技術制備的非平衡態鎂合金以及鎂基復合材料等。

本發明的目的是提出一種使用鈦離子注入沉積對鎂和鎂合金Mg-X(X＝Zn、Ca、Sr、Zr等生物相容性元素中的一種或兩種以上)進行表面改性的方法。通過離子注入方法在鎂和鎂合金表面形成了摻雜鈦離子的復合過渡層，該過渡層由鈦氧化物和氧化鎂構成，厚度在3～6μm。然后利用離子束增強沉積技術在該過渡層上制備了2～4μm鈦薄膜。混合氧化物過渡層提高了鈦薄膜與基體間的結合力，致密的鈦薄膜提高了基體耐腐蝕性能。此外，鈦薄膜具有良好的生物相容性。因此制備得到的鈦離子注入沉積鎂和鎂合金是一種生物相容性好，耐腐蝕性能介于鈦與鎂和鎂合金之間的材料，其綜合性能明顯優于金屬離子注入方法制備的樣品。因此，采用離子注入沉積技術制備的鈦薄膜主要可以解決如下兩方面問題：(1)鈦薄膜與鎂和鎂合金基體結合力良好；(2)鈦薄膜提高了鎂和鎂合金的耐腐蝕性能。