[发明专利]一种Cu/Zn共注入TiN包裹钛合金的制备方法及应用

说明书

本发明提供一种铜(Cu)离子、锌(Zn)离子共注入TiN包裹的钛合金的制备方法及其在延长骨种植体使用寿命方面应用。该方法的特征在于采用等离子体浸没离子注入技术（PIII）预先在钛合金表面沉积一层氮化钛（TiN），然后通过PIII技术在其表面共注入Cu、Zn离子。该方法可有效提高医用钛合金的硬度和耐磨性，协同提高钛合金的细胞相容性和抗菌性，抑制钛合金中有毒离子的释放，达到延长钛合金植体材料使用寿命的目的。

技术领域

本发明涉及一种Cu/Zn共注入TiN包裹的钛合金的制备方法，及其在延长骨科种植体使用寿命方面的应用。

背景技术

钛合金是目前骨科医疗器械领域的常用材料，具有生物相容性好，密度轻，弹性模量低，耐蚀性能良好的优势。但其硬度较低，抗剪切和耐磨损性较差，抗菌性差等缺陷，导致了以钛合金为基材的人工关节、接骨钢板、螺钉、椎间融合器等创伤内固定产品植入后易磨损，在关节周围组织形成黑褐色稠物，引起疼痛；易有释放出V、Al元素，诱发癌症与老年痴呆症。因此，有必要对医用钛合金进行表面改性，保留其力学与生物学优势，克服其临床缺陷。

等离子体浸没离子注入作为近年来发展迅速的一种新型表面改性技术，一般在高真空条件下进行，是一种无污染、环保的表面改性方法。它能保留钛合金原有理化特性，在钛合金表面成膜、注入修饰离子，从而改变钛合金表面生物与物理性能，提高其硬度、耐磨性、抗菌性等。

本发明提供一种Cu/Zn混合离子共注入TiN包裹的钛合金的制备方法。该方法是采用等离子体浸没离子注入技术（PIII）在钛合金表面沉积一层氮化钛（TiN）薄膜。TiN作为一种生物性能良好的硬质薄膜，包覆在钛合金表面一方面可以提高其耐磨性和硬度；另一方面可抑制钛合金中Al、V等毒离子的释放。然后，再通过PIII将Cu和Zn混合离子共注入包裹层——TiN涂层中。铜作为一种抗菌剂，与其他的抗菌材料相比毒性低，它不仅是一种必需的微量元素，是多种酶的催化剂、能参与代谢；更重要的是，铜还可以防止细菌形成保护性生物膜，能强烈破坏细菌的细胞壁和细胞膜，防止细菌繁殖。锌作为多种酶和蛋白质的组成部分，可以促进细胞的增殖和分化，也是人体必需的微量元素，在人类的生长发育中起着重要的作用。Cu/Zn混合离子注入修饰能协同提升钛合金的细胞相容性和抗菌性。综上所述，Cu/Zn共注入TiN包裹的钛合金材料，较传统医用钛合金具有硬度高、耐磨性强、细胞相容性良好、抗菌性好的优势，作为骨科植体材料可有效延长传统医用钛合金的临床使用寿命。

发明内容

本发明涉及一种采用铜（Cu）、锌（Zn）离子共注入表面包裹氮化钛薄膜的钛合金（TiN-Ti-6Al-4V），以达到延长钛合金在骨科种植体中使用寿命的方法。首先，采用等离子体浸没离子注入技术（PIII）在钛合金（Ti-6Al-4V）表面制备一层氮化钛（TiN）薄膜；然后再通过PIII将Cu离子和Zn离子共注入在TiN-Ti-6Al-4V中，制备出表面含有Cu、Zn混合修饰的TiN薄膜包裹的钛合金材料（Cu/Zn-TiN-Ti-6Al-4V）。该材料可抑制钛合金中毒离子的释放，具有优于医用钛合金的硬度、耐磨性、抗菌性与细胞相容性，可延长钛合金在骨科种植体中使用寿命。

为实现上述目的，本发明公开了如下的技术内容：

一种Cu/Zn共注入TiN包裹钛合金的制备方法，其特征在于按如下的步骤进行：

（1）将直径10 mm，厚度2mm的钛合金分别用蒸馏水、无水乙醇和丙酮溶液超声清洗，反复清洗几次；

（2）将步骤（1）中清洗后的钛合金放入真空室内，当基体压强达到10^-5-10^-7高真空时，在400-500V偏压下，用氩离子清洗钛合金10-20min；