[发明专利]一种生物活性梯度硬组织替换材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及硬组织替换和修复用生物活性复合材料骨种植体，特指基于在医用金属(钛合金、镁合金)表面磁控溅射技术制备生物活性梯度涂层复合材料。

背景技术

在医用金属Ti、Ti6Al4V、Mg及镁合金表面制备羟基磷灰石(HA)生物活性涂层或涂层种植体，由于其综合了金属良好的力学性能及HA良好的生物相容性和生物活性，可以制成髋关节、膝关节、齿根等负重较大、易磨损部位的人工骨，并能在植入生体后较短时间内迅速与生体硬组织形成紧密的生物结合，无松动，不变形，从而成为硬组织修复与替换领域研究的新热点之一。与纯HA相比，采用氟部分取代羟基形成的含氟羟基磷灰石(FHA)既有羟基磷灰石的生物活性，同时有更低的溶解度，在体内的降解速度低，有更长的存留时间，因此FHA更有利于涂层的长效性。将FHA涂覆在强度高的医用金属基体上，既可以使涂层表面具有良好的生物活性，又保证了植入物与新生骨长期良好的键合。然而，金属基体与陶瓷涂层间的热物理性能的差异易导致涂层内部产生有害的热应力，从而降低涂层和基体的结合强度，甚至造成涂层剥落，在很大程度上制约了对骨缺损的修复。如果将FHA与其它材料(如ZrO₂、TiO₂、生物玻璃(BG)等)配合，制成复合梯度涂层材料，则可以缩小涂层与基体之间的热膨胀系数的差值，减缓涂层内部的热应力，提高涂层的结合强度。

在医用金属(Ti、Ti6Al4V、Mg及镁合金)基体上磁控溅射制备(FHA+YSZ)生物活性复合梯度硬组织替换材料国内尚未见报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于磁控溅射方法制备的FHA(+YSZ)/医用金属(钛、钛合金、镁及镁合金)新型硬组织替换用生物梯度复合材料。

1.磁控溅射靶材制备

采用纳米级FHA粉体，真空热压烧结制备纯FHA靶材；

在FHA粉体中加入Y₂O₃稳定的ZrO₂粉体(YSZ)，配置不同成分的FHA+YSZ复合粉体，YSZ粉体质量百分含量占复合粉体总质量的10％～90％，热压烧结制备得到FHA+YSZ复合靶材；

2.医用金属基体表面活化处理

将线切割得到的医用金属基体试样用金相砂纸磨光并洗净，洗净后的基片先进行酸蚀，再进行碱热处理，从而得到活化处理的基片；

3.磁控溅射工艺过程

将纯FHA靶材、自制的各组不同成分(FHA+YSZ)复合靶材和医用金属基体分别置入主溅射室和进样室，并对主溅射室和进样室抽真空至5×10^-5～8×10^-5Pa；在进样室对医用金属基体进行预溅射清洗20～40分钟后，将其送入主溅射室，在主溅射室真空度至5×10^-1～9×10^-1Pa时调节功率起辉溅射，溅射2～5小时后从主溅射室取出试样，在热处理炉中进行后处理，后处理温度300～500℃，保温时间2～4小时，后处理之后得到的即为基于医用金属表面(FHA+YSZ)梯度生物涂层人工骨种植体。

利用纯FHA靶材、不同成分的(FHA+YSZ)复合靶材在医用金属基体上组合溅射，每一块靶材对应溅射梯度涂层的其中一层，根据靶材成分组合共溅射4～6层，每一层溅射0.5～1小时。

本发明与现有的HA及FHA生物薄膜骨种植体相比较，有如下优点：

1、(FHA+YSZ)梯度生物涂层与基体附着强度高，大于50MPa。

2、医用金属基体温升低，涂层成分均匀稳定。

3、成本较低。梯度涂层较薄，厚度为19～36um，所用FHA粉体相对较少。

4、FHA梯度涂层在体内降解速度更低，有更长的存留时间，有助于缺损骨组织的修复和重建。

具体实施方式

磁控溅射方法制备基于医用金属(Ti、Ti6Al4V、Mg及镁合金)表面(FHA+YSZ)梯度生物涂层人工骨种植体，现在结合实例对本发明作进一步的描述。

(1)磁控溅射FHA靶材及(FHA+YSZ)复合靶材制备

称取FHA纳米粉体60g，置于鼓风干燥箱中烘干，研磨过筛。用ZRY55型多功能真空热压烧结炉制备FHA靶材，热压压力5t，热压温度1150℃，热压气氛N₂，保压4h后随炉冷却，得到规格为60mm×5mm的磁控溅射FHA靶材。