專利名稱：一種醫(yī)用鈦金屬材料的表面改性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)用鈦金屬材料的表面改性方法，具體說，是涉及一種采用Ag/N 二元離子注入醫(yī)用鈦金屬材料的表面改性方法，屬于金屬材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鈦及其合金因?yàn)榫哂辛己玫臋C(jī)械性能和生物相容性而被廣泛用作植入材料，在植入過程中有可能帶入周圍環(huán)境中的細(xì)菌，從而引發(fā)骨髓炎等術(shù)后感染。據(jù)報(bào)道，這種植入體引發(fā)的感染，發(fā)生率為1.6%-37.0%，不僅會延長傷口愈合時(shí)間，影響植入物的使用效果， 嚴(yán)重時(shí)還可造成肢體傷殘，甚至截肢和危及生命。如何避免細(xì)菌在植入材料表面的粘附和繁殖，成為植入材料研究的熱點(diǎn)之一。銀作為一種無機(jī)抗菌劑已經(jīng)通過各種方法被負(fù)載在鈦及其合金表面用以加強(qiáng)其抗菌性能。載適量銀的鈦及其合金不僅具有良好的抗菌性能，而且對細(xì)胞的生長和繁殖沒有明顯副作用(Biomaterials 2006，27 :5512-5517.)。然而，作為植入材料不僅需要良好的抗菌性能，還需兼具良好的機(jī)械性能和耐腐蝕性能。Wan等人對銀離子注入鈦進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)銀注入鈦的抗菌能力增強(qiáng)同時(shí)，卻降低了鈦的耐腐能力(Vacuum 2007,81 1114-1118.)。如何在增強(qiáng)抗菌性能的同時(shí)，保持鈦良好的耐腐性能目前尚無報(bào)道。氮化鈦是值得關(guān)注的生物醫(yī)用材料，因?yàn)樗哂休^好的機(jī)械性能，被廣泛用來對鈦及其合金表面進(jìn)行改性以增強(qiáng)基體的機(jī)械性能和耐腐蝕性能。有報(bào)道表明，一定取向的氮化鈦還具有生物活性(Acta Materialia 2004，52 1237-1245.)。因此利用N離子注入在鈦及其合金表面形成氮化鈦，有利于加強(qiáng)鈦基體的機(jī)械性能，以滿足植入材料所需的力學(xué)性能和耐腐蝕性能要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的醫(yī)用鈦金屬材料存在抗菌性、力學(xué)性能和耐腐蝕性不佳的問題，提供一種醫(yī)用鈦金屬材料的表面改性方法，以滿足醫(yī)用鈦金屬材料所需的抗菌性、力學(xué)性能和耐腐蝕性能的要求。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下—種醫(yī)用鈦金屬材料的表面改性方法，包括將銀/氮二元離子注入醫(yī)用鈦金屬材料中。作為優(yōu)選方案，采用等離子體浸沒離子注入(PIII)技術(shù)在醫(yī)用鈦金屬材料表面注入銀/氮二元離子。采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)在醫(yī)用鈦金屬材料表面注入銀/氮二元離子時(shí)， 優(yōu)選純銀作為陰極。采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)在醫(yī)用鈦金屬材料表面注入銀/氮二元離子的工藝參數(shù)推薦為本底真空度為3 X 10_3 4X 10 ,注入電壓為10 40kV，脈寬為50 450 μ s，氮?dú)饬髁繛? 25sccm，頻率為5 9Hz，銀氮注入時(shí)間為0. 5 汕。
采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)在醫(yī)用鈦金屬材料表面注入銀/氮二元離子的工藝參數(shù)優(yōu)選為本底真空度為3. 6 X 10 ,注入電壓為30kV，脈寬為450 μ s，氮?dú)饬髁繛?25sccm，頻率為7Hz，銀氮注入時(shí)間為1 濁。采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)在醫(yī)用鈦金屬材料表面注入銀/氮二元離子的順序?yàn)橄茹y后氮(PIII-Ag-N)、先氮后銀(PIII-N-Ag)或銀氮共注(PIII_Ag+N)。采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)在醫(yī)用鈦金屬材料表面注入銀/氮二元離子的順序優(yōu)選銀氮共注(PIII-Ag+N)方式。上述的鈦金屬材料為純鈦或鈦合金。經(jīng)過本發(fā)明改性處理得到的鈦金屬材料表面分布著粒徑大小為IOnm左右、以單質(zhì)形態(tài)存在的銀納米粒子，而氮?jiǎng)t是與鈦形成了氮化鈦相。銀納米粒子的存在顯著地改善了鈦金屬材料的抗菌性能，氮化鈦的存在顯著地改善了鈦金屬材料的耐腐能力和硬度。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果經(jīng)過本發(fā)明改性方法處理得到的鈦金屬材料，其硬度和耐腐性能都有不同程度的提高，并且具有很好的抗菌性。平板計(jì)數(shù)法結(jié)果證實(shí)，經(jīng)過本發(fā)明改性方法處理得到的鈦金屬材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均具有良好的抗菌能力，其抗菌率分別可達(dá)到100% 和98. 39%，能滿足醫(yī)用鈦金屬材料所需的抗菌性、力學(xué)性能和耐腐蝕性能的要求。


圖1是經(jīng)實(shí)施例1改性處理得到的鈦金屬材料與純鈦表面的掃描電鏡形貌對照圖，圖中a為純鈦，b為改性處理得到的鈦金屬材料。圖2是經(jīng)實(shí)施例1改性處理得到的鈦金屬材料表面銀的高分辨XPS譜圖。圖3是經(jīng)實(shí)施例1改性處理得到的鈦金屬材料表面氮的高分辨XPS譜圖。圖4是經(jīng)實(shí)施例2改性處理得到的鈦金屬材料與純鈦表面的掃描電鏡形貌對照圖，圖中a為純鈦，b為改性處理得到的鈦金屬材料。圖5是經(jīng)實(shí)施例2改性處理得到的鈦金屬材料表面銀的高分辨XPS譜圖。圖6是經(jīng)實(shí)施例2改性處理得到的鈦金屬材料表面氮的高分辨XPS譜圖。圖7是經(jīng)實(shí)施例3改性處理得到的鈦金屬材料與純鈦表面的掃描電鏡形貌對照圖，圖中a為純鈦，b為改性處理得到的鈦金屬材料。圖8是經(jīng)實(shí)施例3改性處理得到的鈦金屬材料表面銀的高分辨XPS譜圖。圖9是經(jīng)實(shí)施例3改性處理得到的鈦金屬材料表面氮的高分辨XPS譜圖。圖10是經(jīng)本發(fā)明改性處理得到的鈦金屬材料的腐蝕電位分析圖，其中 PIII-Ag-N表示采用先銀后氮注入方式改性處理得到的樣品，PIII-N-iVg表示采用先氮后銀注入方式改性處理得到的樣品，PIII-Ag+N表示采用銀氮同時(shí)注入方式改性處理得到的樣品。圖11是經(jīng)本發(fā)明改性處理得到的鈦金屬材料的納米硬度分析圖，其中 PIII-Ag-N表示采用先銀后氮注入方式改性處理得到的樣品，PIII-N-iVg表示采用先氮后銀注入方式改性處理得到的樣品，PIII-Ag+N表示采用銀氮同時(shí)注入方式改性處理得到的樣品。圖12是經(jīng)本發(fā)明改性處理前后的鈦金屬材料抗大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖中a表示處理前的純Ti，b表示采用先銀后氮注入方式(PIII-Ag-N)改性處理得到的樣品，c表示采用先氮后銀注入方式(PIII-N-Ag)改性處理得到的樣品，d表示采用銀氮同時(shí)注入方式 (PIII-Ag+N)改性處理得到的樣品。圖13是經(jīng)本發(fā)明改性處理前后的鈦金屬材料抗金黃色葡萄球菌的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖中a表示處理前的純Ti，b表示采用先銀后氮注入方式(PIII-Ag-N)改性處理得到的樣品，c表示采用先氮后銀注入方式(PIII-N-Ag)改性處理得到的樣品，d表示采用銀氮同時(shí)注入方式(PIII-Ag+N)改性處理得到的樣品。具體實(shí)施方法下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)、完整地說明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。實(shí)施例1將IOmmXlOmmXlmm的純鈦片經(jīng)過拋光處理后，依次用丙酮、酒精和去離子水超聲清洗干凈，每次lOmin。采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)，將銀和氮按先銀后氮方式 (PIII-Ag-N)注入鈦基體，其具體的工藝參數(shù)見表1所示表1銀/氮二元離子注入?yún)?shù)
權(quán)利要求
1.一種醫(yī)用鈦金屬材料的表面改性方法，其特征在于包括將銀/氮二元離子注入醫(yī)用鈦金屬材料中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的醫(yī)用鈦金屬材料的表面改性方法，其特征在于采用等離子體浸沒離子注入(PIII)技術(shù)在醫(yī)用鈦金屬材料表面注入銀/氮二元離子。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的醫(yī)用鈦金屬材料的表面改性方法，其特征在于采用純銀作為陰極。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的醫(yī)用鈦金屬材料的表面改性方法，其特征在于采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)在醫(yī)用鈦金屬材料表面注入銀/氮二元離子的工藝參數(shù)為本底真空度為3Χ1(Γ3 4X l(T3Pa，注入電壓為10 40kV，脈寬為50 450 μ s，氮?dú)饬髁繛? 25sccm,頻率為5 9Hz，銀氮注入時(shí)間為0. 5 汕。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的醫(yī)用鈦金屬材料的表面改性方法，其特征在于采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)在醫(yī)用鈦金屬材料表面注入銀/氮二元離子的工藝參數(shù)為本底真空度為3. 6 X l(T3Pa，注入電壓為30kV，脈寬為450 μ s，氮?dú)饬髁繛?kccm，頻率為7Hz，銀氮注入時(shí)間為1 池。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的醫(yī)用鈦金屬材料的表面改性方法，其特征在于采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)在醫(yī)用鈦金屬材料表面注入銀/氮二元離子的順序?yàn)橄茹y后氮、先氮后銀或銀氮共注方式。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的醫(yī)用鈦金屬材料的表面改性方法，其特征在于采用等離子體浸沒離子注入技術(shù)在醫(yī)用鈦金屬材料表面注入銀/氮二元離子的順序?yàn)殂y氮共注方式。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的醫(yī)用鈦金屬材料的表面改性方法，其特征在于 所述的鈦金屬材料為純鈦或鈦合金。
全文摘要
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有的醫(yī)用鈦金屬材料存在的抗菌性、力學(xué)性能和耐腐蝕性不佳的問題，公開了一種醫(yī)用鈦金屬材料的表面改性方法，所述方法包括將銀/氮二元離子注入醫(yī)用鈦金屬材料中。經(jīng)過本發(fā)明改性處理得到的鈦金屬材料，其硬度和耐腐性能都有不同程度的提高，并且具有很好的抗菌性。平板計(jì)數(shù)法結(jié)果證實(shí)，經(jīng)過本發(fā)明改性處理得到的鈦金屬材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均具有良好的抗菌能力，其抗菌率分別可達(dá)到100％和98.39％，可以滿足醫(yī)用鈦金屬材料所需的性能要求。
文檔編號C23C14/48GK102191454SQ20111010602
公開日2011年9月21日 申請日期2011年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月26日
發(fā)明者劉宣勇, 李晉波 申請人:中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所