本發(fā)明屬于醫(yī)用材料領(lǐng)域，特別涉及齒科植入物、關(guān)節(jié)置換和人體組織缺損的填充材料及植入材料抗菌技術(shù)領(lǐng)域；具體為在植入物表面的鎂-銅涂層材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

由于植入假體松動和磨蝕引發(fā)的不良細(xì)胞反應(yīng)使人工關(guān)節(jié)等植入體只有10-15年的壽命，不能滿足長期使用要求。同時，感染仍然是骨科植入物災(zāi)難性的術(shù)后并發(fā)癥之一。植入體內(nèi)的金屬異物是導(dǎo)致此類感染發(fā)生的危險因素，所引發(fā)的一系列體內(nèi)反應(yīng)包括巨噬細(xì)胞功能的減弱，局部免疫系統(tǒng)的鈍化等都為病原體的增殖創(chuàng)造了便利的條件。此外，植入物表面吸附的蛋白還能促進(jìn)細(xì)菌黏附到植入物表面引發(fā)感染。過去人們大多關(guān)注對環(huán)境和個人污染的清除及手術(shù)期全身抗生素的應(yīng)用，而新的方法是針對該類感染發(fā)病的特殊機(jī)制通過植入物表面修飾改性來降低感染的風(fēng)險。

金屬材料一直以來被認(rèn)為具有生物穩(wěn)定性，雖然人們對其表面進(jìn)行了各種表面改性的工作，骨細(xì)胞的粘附生長仍不理想。而金屬材料中的鎂(mg)，因?yàn)槠渚哂休^高的負(fù)電極電位，與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而降解，被人體吸收及代謝。同時，鎂具有生物活性，可誘導(dǎo)細(xì)胞分化、生長和血管的長入，其作為植入器件植入生物體后，骨細(xì)胞向鎂降解而減少的空間增殖、繁殖，隨著鎂逐步降解，形成新的具有原來特殊功能和形態(tài)的相應(yīng)組織和 器官，達(dá)到修復(fù)創(chuàng)傷和重建功能的目的。此外，由于鎂降解而形成的堿性環(huán)境能達(dá)到抑制細(xì)菌生長的目的。利用銅(cu)離子來殺菌的歷史十分悠久，自1761年schulthees采用硫酸銅防治小麥腥黑病起至今已有二百多年的歷史。有研究報道通過在純鈦中加入1％或5％的cu元素，形成的ti-cu合金有明顯的殺菌功能，并在動物體內(nèi)植入實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗炎癥作用及一定的促進(jìn)成骨的生物醫(yī)學(xué)功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決植入材料的骨結(jié)合及感染問題，本發(fā)明提供了一種骨植入用鎂-銅涂層及其制備方法，采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)及蒸鍍技術(shù)，在鈦及鈦合金、鈷基合金、不銹鋼、高分子材料或網(wǎng)狀玻璃碳上制備金屬鎂-銅涂層，以解決現(xiàn)有植入材料骨相容性及感染問題，該方法所得永久植入材料適合多種植入部位力學(xué)性能要求，且具極佳的生物相容性，同時具備殺菌功能。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種骨植入用鎂-銅涂層，其特征在于：鎂-銅涂層的厚度為0.1-200μm，涂層中銅元素的質(zhì)量比例為：0％＜cu≤10％(優(yōu)選2％≤cu≤7％)。

本發(fā)明所述骨植入用鎂-銅涂層的制備方法，其特征在于：對于鎂涂層，采用蒸鍍法將純鎂蒸發(fā)，并用載氣將鎂蒸氣輸運(yùn)到基體表面而獲得鎂涂層；對于銅涂層，采用化學(xué)氣相沉積法，使用氫氣將金屬銅的鹵化物還原為金屬銅并沉積在基體表面而獲得銅涂層。

其中，所用基體為實(shí)體或多孔結(jié)構(gòu)，采用鈦及鈦合金、鈷基合金、不銹鋼、高分子材料或網(wǎng)狀玻璃碳制成。

本發(fā)明所述骨植入用鎂-銅涂層的制備方法，其特征在于：所用實(shí)體基 體為醫(yī)用材料及器件，所用多孔結(jié)構(gòu)基體的孔隙率≧80％，孔徑為200μm-5mm。

本發(fā)明所述骨植入用鎂-銅涂層的制備方法，其特征在于：所述鹵化物為純度≧99.99％的氯化銅粉末；還原氣體氫氣為純度≧99.99％的高純氫氣；鎂原料為純度≧99.99％純鎂顆粒。

本發(fā)明所述骨植入用鎂-銅涂層的制備方法，其特征在于：氫氣的流量為50-300sccm，沉積真空度為5-200pa，純鎂蒸發(fā)溫度為500-800℃，氯化銅的蒸發(fā)溫度為200-350℃，沉積溫度為150-300℃。

本發(fā)明采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)在多孔支架基體表面沉積金屬銅的基本原理為：還原性氣體(氫氣)將氣化的無水氯化銅還原為金屬銅，并沉積到基體孔隙表面，沉積過程中的化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

本發(fā)明制備鎂-銅涂層的具體步驟如下：

(1)、將多孔支架基體依次用去離子水、無水乙醇超聲清洗10分鐘后，干燥氮?dú)獯蹈伤腿氤练e室；

(2)、氯化銅粉末和純鎂顆粒分別放入蒸發(fā)室目標(biāo)位置，抽極限真空至10^-4pa，用高純氬氣反復(fù)清洗最少3次，以除去空氣，保證無氧環(huán)境；

(3)、沉積室升溫至沉積溫度，蒸發(fā)室加熱使氯化物汽化，氫氣作為還原性氣體及載氣將氯化銅蒸氣送入沉積室并還原為金屬銅，鎂顆粒蒸發(fā)為鎂蒸氣沉積在基體表面，反應(yīng)一定時間后隨爐冷卻至室溫。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明提出一種骨植入用鎂-銅涂層多孔支架，該多孔支架可模擬人 骨的結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，滿足各個部位對力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的不同要求，為骨細(xì)胞的粘附和骨組織的長入提供有利的三維空間，利用鎂降解后的堿性環(huán)境及銅離起到雙重殺菌作用。

2、本發(fā)明所述金屬鎂具有良好的生物相容性。金屬鎂將多孔支架基體包覆其中，利用鎂的骨傳導(dǎo)優(yōu)勢，骨組織逐步填充降解后的鎂的空缺，鎂的降解引導(dǎo)骨組織及血管長入多孔基體內(nèi)部，從而提高多孔支架的組織結(jié)合能力；金屬銅具有殺菌作用，減少了術(shù)后感染的可能，大大提高手術(shù)的成功率。

3、本發(fā)明提出的制備涂層的方法，可在多種骨科植入材料表面涂覆一定厚度的鎂-銅涂層，適用于多種表面，不需要對材料表面進(jìn)行特殊處理，適用范圍廣。

4、在器件表面涂覆的金屬鎂具有良好的生物相容性。鎂與水可發(fā)生腐蝕電化學(xué)反應(yīng)，生成可溶于水并可被人體吸收的物質(zhì)。同時，鎂在人體內(nèi)屬常量元素，其含量在體內(nèi)所有元素中占第四位，對人體新陳代謝起到非常重要的作用。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1中沉積設(shè)備示意圖。圖中，1沉積室爐體；2蒸發(fā)室爐體；3、襯底；4、蒸發(fā)源；5、尾氣處理裝置；6、真空系統(tǒng)；7、流量控制器。

圖2a，b，c，d分別是實(shí)施例1-4的表面電子顯微鏡照片。

圖3為實(shí)施例1用堿性磷酸酶染色判斷細(xì)胞增值率結(jié)果，a和c為涂層組，b和d為基體組。

圖4為實(shí)施例2沉積前后樣品x射線衍射圖。圖中，橫坐標(biāo)為衍射角2θ(度)，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度(a.u.)。

圖5為實(shí)施例5浸泡后材料表面宏觀照片。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明方法所用的沉積設(shè)備主要包括：沉積室爐體1、蒸發(fā)室爐體2等，在沉積室爐體1中放置基體，在蒸發(fā)室爐體2中放置蒸發(fā)源4，蒸發(fā)源4的一端與流量控制器7的一端連通，流量控制器7的另一端分別連接h2和ar供應(yīng)管路，蒸發(fā)源4的另一端與基體所在的沉積室相通，基體所在的沉積室分別與尾氣處理裝置5和真空系統(tǒng)6相通。

本發(fā)明采用化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)制備涂層，純鎂顆粒為蒸發(fā)源，氯化銅粉末作為反應(yīng)源，氫氣為還原性氣體，氬氣為載氣，設(shè)備圖如圖1所示。多孔鈦合金(ti-6al-4v)支架基體由3d打印技術(shù)中的電子束熔融方法制備，孔隙率≧80％，孔徑為200μm-1mm，網(wǎng)狀玻璃碳支架基體為浸漬法制備，孔隙率≧80％，孔徑為500μm-5mm，支架基體樣品需經(jīng)酸洗，水洗，酒精清洗后，干燥氮?dú)獯蹈?，再置入沉積室爐體1。

實(shí)施例1

將多孔鈦合金(ti-6al-4v)樣品置入沉積室爐體1；將氯化銅粉末放入蒸發(fā)室爐體2，將純鎂放入沉積室爐體1的高溫區(qū)，原子比為鎂：氯化銅＝25:1，然后連接氣路，并檢查密封狀況，抽極限真空(10^-4pa)后，氬氣反復(fù)清洗整個系統(tǒng)3次，以確保氧氣含量降到最低。設(shè)定沉積溫度300℃，氯化銅源蒸發(fā)溫度為200℃，工作真空度5pa，氫氣流量為50sccm，沉積時 間3h，沉積金屬鎂-銅層的厚度為200μm，銅質(zhì)量百分比為2％。為確定涂層的細(xì)胞相容性，進(jìn)行了alp染色，結(jié)果如圖3所示，培養(yǎng)4天及7天后，涂層的細(xì)胞數(shù)量均高于基體，說明涂層提高了基體的細(xì)胞相容性。

實(shí)施例2

將多孔鈦合金(ti-6al-4v)樣品置入沉積室爐體1；將氯化銅粉末放入蒸發(fā)室爐體2，將純鎂放入沉積室爐體1的高溫區(qū)，原子比為鎂：氯化銅＝20:1，然后連接氣路，并檢查密封狀況，抽極限真空(10^-4pa)后，氬氣反復(fù)清洗整個系統(tǒng)3次，以確保氧氣含量降到最低。設(shè)定沉積溫度200℃，氯化銅源蒸發(fā)溫度為300℃，工作真空度5pa，氫氣流量為100sccm，沉積時間2h，沉積金屬鎂-銅層的厚度為100μm，銅質(zhì)量百分比為5％，其x射線衍射圖譜如圖4所示，由于銅含量比較低，因此只可見金屬鎂的衍射信息。

實(shí)施例3

將多孔鈦合金(ti-6al-4v)樣品置入沉積室爐體1；將氯化銅粉末放入蒸發(fā)室爐體2，將純鎂放入沉積室爐體1的高溫區(qū)，原子比為鎂：氯化銅＝15:1，然后連接氣路，并檢查密封狀況，抽極限真空(10^-4pa)后，氬氣反復(fù)清洗整個系統(tǒng)3次，以確保氧氣含量降到最低。設(shè)定沉積溫度150℃，氯化銅源蒸發(fā)溫度為300℃，工作真空度50pa，氫氣流量為100sccm，沉積時間1.5h，沉積金屬鎂-銅層的厚度為150μm，銅質(zhì)量百分比為7％。

實(shí)施例4

將多孔鈦合金(ti-6al-4v)樣品置入沉積室爐體1；將氯化銅粉末放入蒸發(fā)室爐體2，將純鎂放入沉積室爐體1的高溫區(qū)，原子比為鎂：氯化銅＝10:1，然后連接氣路，并檢查密封狀況，抽極限真空(10^-4pa)后，氬氣反復(fù)清洗整個系統(tǒng)3次，以確保氧氣含量降到最低。設(shè)定沉積溫度100℃，氯化銅源蒸發(fā)溫度為350℃，工作真空度100pa，氫氣流量為200sccm，沉積時間1h，沉積金屬鎂-銅層的厚度為120μm，銅質(zhì)量百分比9％。

實(shí)施例5

將多孔鈦合金(ti-6al-4v)樣品置入沉積室爐體1；將氯化銅粉末放入蒸發(fā)室爐體2，將純鎂放入沉積室爐體1的高溫區(qū)，原子比為鎂：氯化銅＝10:1，然后連接氣路，并檢查密封狀況，抽極限真空(10^-4pa)后，氬氣反復(fù)清洗整個系統(tǒng)3次，以確保氧氣含量降到最低。設(shè)定沉積溫度100℃，氯化銅源蒸發(fā)溫度為350℃，工作真空度100pa，氫氣流量為100sccm，首先加熱沉積室爐體1高溫區(qū)，純鎂沉積時間1h，純鎂厚度為100μm，后加熱蒸發(fā)室爐體2，沉積時間20min，沉積金屬鎂-銅層的厚度為20μm，獲得底部為100μm純鎂層及頂部為20μm鎂-銅層的雙層結(jié)構(gòu)，銅質(zhì)量百分比2％。樣品經(jīng)模擬體液浸泡后，由于銅與鎂自腐蝕電位的不同而發(fā)生電偶腐蝕，在材料表面形成微孔，這些微孔特別有利于細(xì)胞的粘附和生長，如圖5所示。

實(shí)施例6

網(wǎng)狀玻璃碳樣品置入沉積室爐體1；將氯化銅粉末放入蒸發(fā)室爐體2，將純鎂放入沉積室爐體1的高溫區(qū)，原子比為鎂：氯化銅＝10:1，然后連接氣路，并檢查密封狀況，抽極限真空(10^-4pa)后，氬氣反復(fù)清洗整個系統(tǒng)3次，以確保氧氣含量降到最低。設(shè)定沉積溫度100℃，氯化銅源蒸發(fā)溫度為350℃，工作真空度100pa，氫氣流量為200sccm，沉積時間10min，沉積金屬鎂-銅層的厚度為20μm，銅質(zhì)量百分比9％。將樣品按照“jisz2801-2000《抗菌加工制品－抗菌性試驗(yàn)方法和抗菌效果》、gb/t2591-2003《抗菌塑料抗菌性能實(shí)驗(yàn)方法和抗菌效果》”等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進(jìn)行定量的抗菌性能檢測。結(jié)果得到樣品對常見感染菌(大腸桿菌、金黃色葡萄球菌)作用后的殺菌率為99％。

實(shí)施例結(jié)果表明，本發(fā)明選擇3d打印多孔鈦合金作為基體提供適合骨組織生長和骨缺損重建的多孔幾何環(huán)境，采用蒸鍍法及化學(xué)氣相沉積技術(shù)共同沉積制備高生物相容性及抗菌性的金屬鎂-銅涂層，利用模擬骨骼外形、表面粗糙度和力學(xué)性能的多孔基體，采用蒸鍍法和化學(xué)氣相沉積技術(shù)可提供鎂-銅涂層的有效覆蓋，可在提高醫(yī)用材料骨長入能力的同時增加材料的抗菌性能。

上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。