[发明专利]医用钛合金植入材料表面的氮化碳改性薄膜的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于生物医用涂层，具体地说，是一种具有良好生物相容性、并可应用于外科移植钛合金植入体表面的生物医用氮化碳(CN_x)改性薄膜的沉积制备方法。

背景技术

生物医用材料是指用于医疗的能植入生物体，或能与生物组织相接合的一类特殊的功能材料。随着生命科学的发展、医疗技术水平的提高，外科移植也越来越成熟，越来越多的生物医用材料被成功地作为外科植入体而移植入患者体内。每年有大量的人造髋关节、心脏瓣膜、牙根、眼内透镜等移植到患者体内，已实用化的生物医用材料几乎已可以满足人体所有部位的器官移植。

要满足在人体(生物体)内的安全使用，生物医用材料必须满足严格的生物相容性要求。所谓生物相容性是指生物材料和人体的血液/组织接触后，在材料-血液/组织界面发生一系列相互作用后最终被人体所接受的性能，且材料对人体的正常生理功能无不良影响、无毒、无排异反应等。对于已临床应用的各种生物医用材料，在具有良好的体材料特性的同时，很少能同时拥有良好的生物相容性。同时，作为外科移植的医用植入材料，还必须具备优异的耐体液腐蚀、耐摩擦磨损、良好的力学性能等综合性能。如人工关节一般设计寿命约为20～50年，在临床治疗的应用中至少也要长达数年甚至10年以上。人工关节1年内要反复承受(1.5～3.5)×10⁶周次、且数倍于人体体重的负荷，因此对植入材料在复杂应力环境下的结构、性能稳定性提出了严格的要求。

在包括生物金属、生物陶瓷(生物玻璃)、生物医用功能高分子、复合材料等在内的诸多生物医用材料中，以NiTi形状记忆合金、T6Al4V合金等为代表的钛合金，在外科移植治疗中的应用非常广泛。但在金属植入材料的应用过程中，仍存在着许多的问题或隐患，对患者的身体健康，甚至生命安全带来威胁。如在伴随着人体运动而产生的复杂应力的作用下，生物金属材料容易变形和松动；由于摩擦磨损或体液锈蚀引发的金属离子释放，以及不良的组织相容性或血液相容性会导致细胞破坏和凝血等副作用，从而导致外科移植的失败，甚至危及患者的生命健康。因此，生物医用材料或器械的表面改性非常重要。如在NiTi形状记忆合金中含有大量的Ni元素，而Ni具有很强的细胞毒性和致癌作用，在人体环境下将由于Ni离子的析出而造成严重危害；Ti6Al4V合金多作为金属型髋关节假体，但其所含有的铝和钒元素对人体细胞也具有极大的毒性。因此，在镍钛(NiTi)合金、Ti6Al4V、钛铌锆锡(Ti24Nb4Zr7.9Sn)等医用钛合金的表面，也必须沉积或涂覆具有良好力学及生物相容性的改性涂层或薄膜。

发明内容

技术问题：本发明的目的是针对作为医用植入体的钛合金在外科移植治疗中的摩擦磨损、体液腐蚀，以及生物相容性等问题，提供了一种医用钛合金植入材料表面的氮化碳改性薄膜的制备方法，从而提高钛合金在外科移植治疗中的可靠性、安全性。

技术方案：本发明提出的氮化碳(CN_x)薄膜，是近年来才发现的一种新材料。20世纪80年代末，科学家通过理论预测：当碳原子取代氮化硅晶格中的硅原子后可形成以亚稳态存在的氮化碳，并具有超过金刚石的超高硬度。进入90年代后，科学家们利用各种方法进行尝试，终于合成制备得到这种自然界中原来并不存在的新材料，并逐渐发掘出其优越的力学、半导体特性、非线性光学、场致发射等性能。对氮化碳(CN_x)的组成及结构分析可发现，其组成元素仅为碳和氮元素，且化学性质稳定，与生物体具有天然的相容性，而与目前常用的类金刚石(DLC)薄膜、氮化钛(TiN)薄膜等医用改性薄膜相比，在耐摩擦磨损、抗腐蚀等许多方面都具有更为优异的性能。但相对于钛合金等金属医用植入材料而言，氮化碳(CN_x)属于无机共价化合物，两者在弹性模量、膨胀系数、晶格参数等各多方面都存在着明显的差异，如何实现氮化碳在钛合金表面的成功沉积和良好结合，并成功发挥其良好的生物相容性，则是制约氮化碳(CN_x)在外科移植应用中的关键。

在本发明中，医用钛合金植入材料表面的氮化碳改性薄膜的制备利用直流磁控溅射方法，在镍钛合金、Ti6Al4V、钛铌锆锡-Ti24Nb4Zr7.9Sn医用钛合金表面先沉积钛过渡层，再溅射具有良好生物医用性能的氮化碳改性薄膜。

具体过程如下：