[发明专利]一种对钛金属表面进行改性的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对钛金属表面进行改性的方法，具体说，是涉及一种使用等离子体浸没离子注入及沉积技术对钛金属表面进行改性的方法，属于金属材料表面改性技术领域。

背景技术

生物医用金属材料由于其优良的力学性能、易加工型和稳定性，在骨组织和关节重建方面得到了广泛的应用。目前作植入体的金属材料包括：316L不锈钢、钴铬合金、钛及其合金等，其中钛及其合金由于优良的机械性能和生物相容性得到最为广泛的应用。然而金属植入材料与器件普遍存在不具生物活性、与骨组织结合不佳等临床使用问题，这可能导致植入体脱落和周围组织坏死。如何使金属植入体具有生物活性，是目前生物医用金属材料表面改性的关键。

为了提高钛及其合金的各种性能，可以从两方面入手：一是从材料本体着手，如开发各种性能优异的新型钛合金；二是从材料表面入手，采用各种表面处理方法对钛及其合金进行表面改性，从而使其更适合于医学应用的要求。对钛及其合金进行表面改性，既保持了其作为基体材料的一系列品质，又使其综合性能获得大幅度改善。在生理环境与植入体材料的反应过程中，材料表面起着非常重要的作用。生理环境会对具有不同表面特征的植入体做出相应的反应，主要有材料与细胞、组织、血液、内分泌和免疫等生理系统的相互作用，并根据相互作用的结果决定对材料是亲和或者排斥。因此，调控植入体材料表面的结构和组成，可有效改善材料的植入效果。

等离子体浸没离子注入及沉积(Plasma immersion ion implantation and deposition，PIII&D)技术是于二十世纪90年代初开始出现的一种新型表面改性技术，它是在室温或较低温度下利用高能量的离子注入实现表面改性。与其它表面改性技术比较，等离子体浸没离子注入具有独特的优点：离子注入过程是非热平衡过程，不受冶金学规律的限制，可以将离子加速注入材料之中；离子注入过程是低温过程，不会引发材料内部结构、成分和外部形状的变化；此外，PIII&D技术具有高反应活性和全方位的特点，能够有效地对异型材料进行均匀的离子注入和沉积，适合具有复杂形状的生物医学材料的注入过程，克服了传统离子注入技术只能进行“视线注入”的缺点。对金属材料进行离子注入可以改善材料的机械性能，如硬度、耐磨性、耐蚀性等，对金属植入材料的使用安全性和使用寿命都具有重要意义。同时，通过注入某些元素可以有效改善金属植入材料的生物活性，也是生物材料领域的热点问题。近几年的研究发现，采用PIII&D技术向钛及其合金的表面注入如钙、磷和钠等元素能显著提高材料的生物活性和生物相容性(Surface & Coatings Technology 2004，186(1-2)：227-233.)。但是，由于钙、磷和钠等物质的熔点低、高反应活性，要获得稳定的离子注入改性工艺非常困难。

稀土元素钽(tantalum)无生物毒性，并且具有良好的断裂韧性、耐腐蚀性和耐磨性能，因此被用作整形外科和牙科的植入材料。钽表面自然形成的氧化物层使其具有生物相容性和生物活性。有研究者发现，在钛合金表面注入钽离子，可以增加钛合金表面的硬度从而改善钛合金的耐磨性(Rare Metal Materials and Engineering 2008，37(3)：556-560.)。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的钛金属植入体不具有生物活性的难题，提供一种对钛金属表面进行改性的方法，以填补现有技术的空白。

本发明提供的一种对钛金属表面进行改性的方法，包括如下步骤：

使用等离子体浸没离子注入及沉积技术在钛金属表面进行钽离子注入或镀膜，获得含有钽和/或钽氧化物的改性层。

使用等离子体浸没离子注入及沉积技术在钛金属表面进行钽离子注入或镀膜时，钽金属为阴极。

使用等离子体浸没离子注入及沉积技术在钛金属表面进行钽离子注入的工艺参数是：注入电压为15～30kV，脉冲频率为8Hz，脉宽为200～600μs，注入时间为60～120分钟；优选的注入工艺参数是：注入电压为30kV，脉冲频率为8Hz，脉宽为450μs，注入时间为60～120分钟。

使用等离子体浸没离子注入及沉积技术在钛金属表面进行钽离子镀膜的工艺参数是：脉冲电压为450～550V，脉冲频率为7Hz，脉宽为1000～4000μs，占空比为15％，镀膜时间为60～120分钟；优选的镀膜工艺参数是：脉冲电压为450V，脉冲频率为7Hz，脉宽为2000μs，占空比为15％，镀膜时间为60～120分钟。