CN101745147A - 氧化锌涂层改性的体内植入人工器官及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于体内植入的人工器官，该人工器官包括人工器官的基体和其表面改性层；表面改性层是厚度为100～700纳米的氧化锌薄膜，优选是厚度为200～400纳米的氧化锌薄膜。氧化锌薄膜优选是经过轻稀土元素掺杂的。本发明还公开两种制备经氧化锌涂层表面改性处理的人工器官的方法；其中，一种方法是采用射频磁控溅射工艺，在人体植入的人工器官表面制备一层纯的或轻稀土掺杂的透明氧化锌薄膜，作为改善植入体抗凝血性能的生物涂层；另一种方法是采用磁过滤电弧离子镀的方法，沉积透明氧化锌薄膜。本发明所提供的体内植入的人工器官，其抗凝血性能、机械性能都得到改善。

Description

氧化锌涂层改性的体内植入人工器官及其制备方法

技术领域

本发明是关于无机材料的表面改性方法，特别是氧化锌薄膜的制备和表面改性的方法。

背景技术

生物材料直接与人体组织接触，故对材料表面有较高的要求。作为人体植入体的生物医用材料，必须满足如下条件：(1)血液相容性和组织相容性，确保植入体不会导致血栓的形成，不会对周围的细胞组织产生破坏；(2)化学稳定性，植入体不会产生降解作用；(3)良好的机械性能，具有低摩擦系数、高硬度、韧性好、抗疲劳、抗腐蚀等性能。

目前广泛研究的血液相容性材料概括起来可以分成三大类，一是医用高分子材料，二是金属及金属氧化物薄膜材料，三是碳素材料。这三大类材料作为医用生物材料各有优点，但在血液相容性方面仍存在不足，研究人员正通过对材料改性和改进材料的制备方法，使材料具备更优异的性能。

血液相容性和组织相容性是生物材料区别于其它材料的最根本特征，其良好的界面分子结构设计和表征则是长期悬而未决的基本科学问题。因此，抗凝血材料的研究和发展不仅对研制心血管医疗器械、推动相关学科的发展都是必不可少的，而且对消除无生命材料对有机体的作用与影响，实现两者的统一，加速生命科学的发展，都有着重要的科学意义和深远的影响。半个多世纪来，抗凝血材料的研究和发展已取得了很大的发展，但还不能完全满足心血管植入物及心血管医疗器械对血液相容性的需要。时至今日，抗凝血性材料的研发更具有巨大的实际效益和重大的科学意义。

人工器官通常都要进行表面改性，以适应在体内植入的要求。例如，西南交通大学在其中国专利97107606.5中公开了在人工器官表面的TiN涂层上合成TiO_2-x表面改性层，该专利利用钛作为蒸发源、溅射源、金属等离子体源或基体材料，以氧为气氛环境，而实现对形状复杂、曲面的人工器官进行均匀的全方位镀膜；在其中国专利99117468.2中则公开了采用氢、钽或铌作为掺杂元素，利用表面改性技术合成氢、钽或铌掺杂钛-氧表面改性层。另外，西南交通大学在其中国专利03154172.0中还公开了一种用溅射技术进行人工器官表面处理的方法。

本申请的申请人在中国专利申请200710026880.X中，公开了一种经过表面改性处理的人工器官，该人工器官的表面均匀涂覆有经轻稀土元素镧和/或铈掺杂的二氧化钛复合膜，该二氧化钛复合膜的厚度为20-600纳米，优选为60-300纳米。

而近年来，由于氧化锌薄膜及其掺杂薄膜具有优异光电性能，用途广阔，且原料易得、价廉、毒性小，而成为光电研究领域最有开发潜力的薄膜材料之一，其中包括透明导电膜(TCO)、表面声学波(SAW)器件、光激射激光器、气敏传感器、紫外光探测器、显示以及与GaN互作缓冲层等。ZnO薄膜的制备方法多种多样，可以适应不同需求，传统方法如磁控溅射(Magnetron Sputtering)、化学气相沉积(CVD)及溶胶-凝胶法(Sol-Gel)等，新沉积工艺如激光脉冲沉积法(PLD)、分子束外延法(MBE)等。

目前体内植入的人工器官大多数用钛合金或不锈钢制作，具有很好的机械性能，但生物相容性较差，特别是与血液接触的人造器官，表现出较差的血液相容性，容易形成血栓，从而限制了其应用范围。

因此，有必要提供一种新型的人工器官，该人工器官采用全新的表面改性方法，以期望在人工器官的血液相容性、抗疲劳、抗腐蚀和耐磨损性能得到全面的改善。

发明内容

本发明的目的是提供一种体内植入的人工器官及其制备方法，该体内植入的人工器官采用氧化锌涂层进行改性，其能够改善体内植入的人工器官的血液相容性，同时具有良好的附着性能和机械性能。

为了实现上述的发明目的，一方面，本发明提供了一种用于体内植入的人工器官，该人工器官包括人工器官的基体和其表面改性层；其中，表面改性层是厚度为100～700纳米的氧化锌薄膜，优选是厚度为200～400纳米的氧化锌薄膜。

氧化锌薄膜材料具有凝血功能，本发明之所以选择其作为抗凝血材料，是因为其具有一系列的优势：氧化锌是一种无毒的无机物，人体不会对其产生排异反应，因而安全性高，而且锌是人体中不可缺少的元素，发挥着重要作用；氧化锌具有的抗菌、杀菌性能，可以减少材料植入后的细菌感染以及炎症的发生；其疏水表面使得器件不易污染，易于清洁、消毒；氧化锌薄膜作为优良的光电子和压电材料，可用于制作人体植入器件以及器件涂层。

本发明中，人工器官的基体可以为钛合金和/或不锈钢。

优选地，在本发明的人工器官中，氧化锌薄膜具有纤锌矿结构，其在X射线衍射中，具有明显的(002)择优取向生长；因为这种结构具有更好的机械附着性能和血液相容性。

优选地，在本发明的人工器官中，氧化锌薄膜是透明的，其在可见光波段内的光学透过率达到80％以上。

本发明的人工器官特别适用于与血液相接触的器官，尤其是心血管系统器官，如人造心脏壁、人工心脏瓣膜、人造血管、心血管支架。

进一步地，在本发明的人工器官中，氧化锌薄膜是经过轻稀土元素掺杂的，例如镧、铈、钕等轻稀土元素。在氧化锌薄膜中，轻稀土元素的摩尔含量可以为0.1％～20％，优选为0.5％～10％。

稀土属于低毒范围，比很多过渡元素的化合物安全得多，而且稀土化合物均有一定的抗凝血作用，使凝血酶原时间(PT)、凝血酶时间(TT)和白陶土部分凝血活酶时间(KPTT)有一定延长。在四个系列中，轻稀土比重稀土化合物的抗凝血作用较强，其中铈、镨、钕最强，镧中等，钐次之，其它稀土化合物作用较弱，所以轻稀土化合物是很好的抗凝血化合物。

另一方面，为实现本发明的发明目的，本发明还提供了一种通过射频磁控溅射技术制备上述人工器官的方法，该人工器官包括人工器官基体和其表面改性层，所述的方法包括：

(1)将人工器官的基体置于真空室的溅射基座上；

(2)上述真空室抽真空，使本底真空达到10×10^-2Pa～3.0×10^-4Pa；

(3)采用氧化锌陶瓷靶或掺杂轻稀土元素的氧化锌陶瓷靶作为溅射靶，通入高纯氩气作为溅射气体；

(4)控制溅射基座的衬底温度(溅射基座的表面温度)在50～400℃之间；

(5)在20～200W之间的范围内改变溅射功率，并控制射频电压为200～1000V。

另外，在离子溅射之前，可以对基体施加负偏压，以达到清洗基体表面的目的。

在上述方法中，射频磁控溅射的主要设备包括真空腔体，射频功率源及其匹配器。其装置的示意图如图1所示。射频溅射的频率采用13.56MHz，本底真空达到10×10^-2Pa～3.0×10^-4Pa，以高纯氩气(99.99％)作为溅射气体，工作气压在0.5～10Pa之间，衬底温度变化为50～400℃。选用不同的射频功率改善氧化锌薄膜涂层的表面性能，选用的溅射功率为20～200瓦，优选50～190瓦，射频电压为200～1000V。制备的薄膜厚度为100～700纳米，优选200～400纳米。

上述方法所使用的氧化锌和轻稀土掺杂的氧化锌靶均为陶瓷靶，是通过压制烧结而成的。本发明使用预先掺杂的靶材，有利于形成均匀的稀土掺杂的氧化锌复合膜。

再一方面，为实现本发明的发明目的，本发明还提供了一种通过磁过滤电弧离子镀溅射技术制备如权利要求1-8之一所述人工器官的方法，该人工器官包括人工器官基体和其表面改性层，所述的方法包括：

(1)将人工器官的基体置于真空室的溅射基座上；

(2)上述真空室抽真空，使本底真空达到10×10^-2Pa～3.0×10^-3Pa；

(3)控制磁过滤装置螺线管电流1～30A，中心磁场为1～30mT；

(4)采用金属锌作为阴极靶；

(5)通入高纯氧气作为反应气体；或者通入保护气体氩气和氮气，固定氩气和氮气的流量比为3∶1～1∶2，再通入反应气体氧气；

(6)控制电弧电流为10～50A，电弧电压为10～80V。

同样，在离子溅射之前，也可以对基体施加负偏压，以达到清洗基体表面的目的。

上述方法中，磁过滤电弧离子镀的主要设备包括真空腔体，90°弯曲的磁过滤器，磁过滤电源和多弧电源。该方法至少包括两种方案，其中，方案一是通入高纯氧气(99.99％)作为反应气体，工作气压为0.05～10Pa，优选0.1～1Pa；而方案二是通入混合气体，以氩气和氮气为保护气体，固定氩气和氮气的流量比为3∶1～1∶2，再通入反应气体氧气改变工作气压为0.05～10Pa，优选0.1～1Pa。两种方案中，磁过滤螺线管电流均可控制在1～30A之间，中心磁场控制在1～30mT之间，电弧电流控制在10～50A之间，电弧电压控制在10～80V之间。通过不同的氧气分压，采用磁过滤电弧离子镀的方法在基体上沉积纯氧化锌薄膜。

本发明所提供的人工器官，由于采用具有良好血液相容性的生物材料作为涂层，因而能够改善能够改善体内植入的人工器官的血液相容性，同时由于氧化锌薄膜优选使用纤锌矿结构，使其具有更好的机械附着性能。另外，本发明提供了两种快速高质量沉积透明ZnO薄膜的方法，即射频磁控溅射方法和磁过滤电弧离子镀方法，所镀的膜与基体的粘附性好，膜层纯度高，致密性好，重复性好，薄膜厚度易控制、稳定性好、成本低等优点，可以在低温和任何形状的基底上大面积均匀沉积薄膜，适合用于在植入的人工器官上制备生物涂层。

以下结合实施例，来进一步说明本发明，但本发明不局限于这些实施例，任何在本发明基本精神上的改进或替代，仍属于本发明权利要求书中所要求保护的范围。

附图说明

图1为射频磁控溅射沉积技术的装置示意图；

图2为磁过滤电弧离子镀沉积技术的装置示意图。

图中，1为溅射靶材，2为螺线管，3为磁过滤弯管，4为溅射气体的入口，5为基底放置台，6为真空泵的接口，11为射频高压电源，12为溅射的靶材，13为真空反应室，14为基底放置台，15为溅射气体的入口，16为真空泵的接口。

具体实施方式

实施例1

射频磁控溅射制备氧化锌薄膜涂层

使用射频磁控溅射的方法，本底真空为3.0×10^-3Pa，以高纯氩气(99.99％)作为溅射气体，工作气压在4Pa之间，选择钛合金作为基底，沉积衬底温度(溅射时承载人工器官基体之基座的表面温度)为室温至300℃，调节射频溅射的功率为50～190W，射频电压为500～1000V，对99.99％氧化锌陶瓷靶和不同掺杂浓度(轻稀土元素的摩尔含量)的氧化锌陶瓷靶(见下面表1)进行溅射，制备出一系列氧化锌薄膜涂层。

表1

掺杂元素	摩尔含量(％)	功率/W	衬底温度	厚度/nm
					无	0.00	100	200℃	410
Nd	0.50	150	室温	620
					Nd	2.0	100	200℃	415
Nd	10.0	50	室温	138
					La	1.0	100	200℃	395
La	5.0	130	室温	496
					La	15.0	160	300℃	634
Ce	8.0	100	室温	427
					Ce	10.0	130	200℃	485
Ce	18.0	190	300℃	680

实施例2

磁过滤电弧离子镀纯氧气氛沉积氧化锌薄膜涂层

使用磁过滤电弧离子镀的方法，本底真空为6.0×10^-3Pa，选择钛合金作为基体，以氩离子清洗10min，磁过滤螺线管电流7.15A，中心磁场为12.0mT，以高纯氧气(99.99％)作为反应气体，改变氧流量以控制工作气压，采用99.9％的金属锌作为阴极靶，制备出一系列氧化锌薄膜涂层(见下面表2)。

表2

氧流量	工作气压/Pa	电弧电流/A	电弧电压/V	厚度/nm
					54sccm	0.1	30.3	40.0	258
96sccm	0.2	30.5	38.5	426
					119sccm	0.3	30.9	35.1	210
130sccm	0.4	31.5	37.1	184

实施例3

磁过滤电弧离子镀混合气体气氛沉积氧化锌薄膜涂层

使用磁过滤电弧离子镀的方法，本底真空为6.0×10^-3Pa，选择钛合金作为基底，以氩离子清洗10min，磁过滤螺线管电流7.15A，中心磁场为12.0mT。通入混合气体，以氩气和氮气为保护气体，控制氩气和氮气的流量比，再通入反应气体氧气改变工作气压以控制工作气压，电弧电流为30～40A，电弧电压为30～40V，采用99.9％的金属锌作为阴极靶，制备出一系列氧化锌薄膜涂层(见下面表3)。

表3

氩气氮气流量比	氧流量/sccm	工作气压/Pa	厚度/nm
				20∶10	23	0.2	432
23∶11	50	0.24	450
				22∶11	81	0.31	415
22∶11	106	0.35	392
				22∶11	120	0.48	340

实施例4  

物理表征和血液相容性对照实验

通过X光电子能谱、X射线衍射谱，热场发射环境扫描电镜、紫外-可见吸收光谱和接触角测试等手段，研究氧化锌涂层的稀土含量，表面结构、光学带隙和表面浸润性(表面能、极性)。制备的薄膜厚度为100～500纳米，具有明显的(002)择优取向生长，为纤锌矿结构，具有良好机械附着性能，光学带隙为3.20～3.40eV，薄膜均具有疏水性，表面能比较小，表面粘附功也比较小。

对于实施例1所描述的一系列样品进行血液相容性的对照实验，实验包括血小板离心粘附实验、纤维蛋白原和白蛋白吸附实验，动态凝血实验。并以临床广泛应用的聚氨酯(polyurethane)作为阴性对照，以血液相容性较差的玻璃作为阳性对照。实验结果表明不同溅射功率，不同的稀土含量的薄膜，其表面的形态不同，表面能参数不同，薄膜涂层的血液相容性有所差别。表明表面能越低，血液相容性越好。制备的氧化锌涂层均为疏水表面，表面能较低，其血液相容性优于阴性对照样品聚氨酯(polyurethane)，其中在100W的射频功率下，掺杂稀土钕含量为2％的样品，血液相容性最好。磁过滤电弧离子镀样品，随着氧流量的增加，沉积气压变大，血液相容性反而变差，不过仍然优于阴性对照样品聚氨酯(polyurethane)。

Claims (10)

1.一种用于体内植入的人工器官，该人工器官包括人工器官的基体和其表面改性层；其特征在于，所述的表面改性层是厚度为100～700纳米的氧化锌薄膜，优选是厚度为200～400纳米的氧化锌薄膜。

2.如权利要求1所述的人工器官，其特征在于，所述人工器官的基体为钛合金和/或不锈钢。

3.如权利要求1所述的人工器官，其特征在于，所述的氧化锌薄膜为纤锌矿结构，在X射线衍射中，具有明显的(002)择优取向生长。

4.如权利要求1所述的人工器官，其特征在于，所述的氧化锌薄膜是透明的，其在可见光波段内的光学透过率为80％以上。

5.如权利要求1所述的人工器官，其特征在于，所述的人工器官是与血液相接触的器官，特别是心血管系统器官，如人造心脏壁、人工心脏瓣膜、人造血管、心血管支架。

6.如权利要求1-5之一所述的人工器官，其特征在于，所述的氧化锌薄膜是经过轻稀土元素掺杂的，所述的轻稀土元素为镧、铈和/或钕。

7.如权利要求6所述的人工器官，其特征在于，在所述的氧化锌薄膜中，轻稀土元素的摩尔含量为0.1％～20％，优选为0.5％～10％。

8.如权利要求1所述的人工器官，其特征在于，所述的氧化锌薄膜是通过磁控溅射技术溅射沉积所述人工器官之基体的表面上。

9.一种通过射频磁控溅射技术制备如权利要求1-8之一所述人工器官的方法，该人工器官包括人工器官基体和其表面改性层，所述的方法包括：

(1)将所述人工器官的基体置于真空室的溅射基座上；

(2)上述真空室抽真空，使本底真空达到10×10^-2Pa～3.0×10^-4Pa；

(3)采用氧化锌陶瓷靶或掺杂轻稀土元素的氧化锌陶瓷靶作为溅射靶，通入高纯氩气作为溅射气体；

(4)控制所述溅射基座的衬底温度在50～400℃之间；

(5)在20～200W之间的范围内改变溅射功率，并控制射频电压为200～1000V。

10.一种通过磁过滤电弧离子镀溅射技术制备如权利要求1-8之一所述人工器官的方法，该人工器官包括人工器官基体和其表面改性层，所述的方法包括：

(1)将所述人工器官的基体置于真空室的溅射基座上；

(2)上述真空室抽真空，使本底真空达到10×10^-2Pa～3.0×10^-3Pa；

(3)控制磁过滤装置螺线管电流1～30A，中心磁场为1～30mT；

(4)采用金属锌作为阴极靶；

(5)通入高纯氧气作为反应气体；或者通入保护气体氩气和氮气，固定氩气和氮气的流量比为3∶1～1∶2，再通入反应气体氧气；

(6)控制电弧电流为10～50A，电弧电压为10～80V。

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