CN102828157B - 一种Nb离子注入沉积对医用TiNi形状记忆合金进行表面改性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Nb离子注入沉积对医用TiNi形状记忆合金进行表面改性的方法，该方法复合了离子注入和离子束增强沉积两种方法，其中经离子注入方法形成的过渡层主要由TiO₂和Nb₂O₅组成，而离子束增强沉积方法则是在过渡层基础上形成了一层纯Nb金属薄膜层。合金经过选择适当的参数的该种方法进行表面改性后，得到的形状记忆合金可以完全阻止Ni离子从基体中溶出，同时具有良好的不亚于基体的形状记忆效应，以及优于基体的耐蚀性，生物相容性。

Description

一种Nb离子注入沉积对医用TiNi形状记忆合金进行表面改性的方法

技术领域

本发明涉及一种医用TiNi形状记忆合金的表面处理技术，更特别地说，是指一种在医用TiNi形状记忆合金表面，首先采用离子注入方法注入Nb离子形成过渡层后，再利用Nb离子对所得材料进行离子束增强沉积形成Nb金属薄膜的技术。

背景技术

生物医用材料在近些年里得到了迅猛发展，人体植入材料在不断的更新换代。其中，具有近等原子比TiNi的形状记忆合金由于具有形状记忆效应和超弹性等特性，在生物医学领域具有特殊的应用价值。同时，TiNi合金具有良好的生物相容性，耐蚀性的特点使之成为植入体领域的研究热点，在各种官腔支架，牙齿矫正丝等方面得到了广泛而实际的应用。

作为生物医用材料，首要条件是对人体组织，血液的无毒性，无致病性，但是Ni是脊椎动物（包括人）体内的微量元素之一。Ni通过肺、口腔和皮肤摄取。口腔中摄取量为平均每人每天15μg到90μg，贫Ni会损害铁、脂肪、葡萄糖和肝糖的正常新陈代谢，干扰钙与骨胳的结合，使组织器官中的生化酶活性受到抑制。Ni虽然是人体必需的元素之一，但过量的Ni将会导致过敏反应和组织坏死。并且，有研究报道细胞内Ni离子的积累将会影响细胞的新陈代谢，诸如DNA的合成等。

由于钛和氧具有极强的亲和力，在有氧存在的环境中，TiNi形状记忆合金表面会自发地形成一层致密的TiO₂钝化层，它可以阻止Ni向体内的扩散，使TiNi形状记忆合金在生理环境下保持相对的惰性。需要指出的是，该氧化钛薄膜厚度仅为5～10纳米，且不均匀，局部耐腐蚀性差，不能完全阻止基体中的Ni离子的溶出，使该材料的生物相容性降低。且在体内组织运动时易将其磨损，导致TiNi基体与人体组织的直接接触。划痕试验表明，该氧化钛薄膜的再生非常缓慢且困难。目前，科研工作者们对医用TiNi形状记忆合金的表面改性主要集中在降低其表面Ni含量和抑制表面Ni原子的溶出，以提高表面的耐腐蚀性、组织相容性和血液相容性。

发明内容

本发明的目的是提出一种使用Nb离子注入沉积对生物医用TiNi形状记忆合金进行表面改性的方法。首先经过离子注入在TiNi形状记忆合金表面形成掺杂了Nb离子的复合过渡层，该过渡层主要由Nb₂O₅和TiO₂构成。然后在该过渡层之外利用离子束增强沉积技术沉积制备形成纯Nb金属薄膜。氧化物过渡层使纯Nb金属薄膜与TiNi合金基体具有良好的力学性能匹配，同时由于纯Nb金属薄膜致密性高，耐蚀性好，该复合薄膜能够完全阻止Ni离子溶出，提高了TiNi合金产品的生物相容性，降低了Ni离子对生物体的致毒性。另外，由于纯Nb金属薄膜厚度仅为数微米左右，不会影响TiNi合金的形状记忆效应和超弹性性能。

本发明提供的使用Nb离子注入沉积对生物医用TiNi形状记忆合金进行表面改性的方法，包括如下步骤：

第一步：基体前处理：

选取等原子比的TiNi形状记忆合金基体，经打磨、抛光后，分别用无水乙醇、丙酮和去离子水超声清洗8～10min后制得基体试样；

第二步：离子注入制备氧化物过渡层：

（A）将第一步制得的所述基体试样放入离子注入机中进行氩离子溅射去除表面杂质；其中，真空度0.1×10^-3～0.3×10^-3Pa，能量5～8Kev，时间10～30min；

（B）将氩离子处理后的基体试样进行Nb元素掺杂处理，制得具有过渡层的试样；

离子注入机选择靶材为Nb靶，掺杂Nb元素所需参数：真空度0.1×10^-3～3×10^-3Pa，铌Nb元素剂量0.5×10¹⁷～1.5×10¹⁷ion/cm²，电压能量40～100Kev，电流1～4mA；

第三步：离子束增强沉积技术制备表层Nb薄膜：

沉积制膜时，离子源和溅射源靶材均为铌，真空度为0.1×10^-3～3×10^-3Pa，制膜时间3～6h，样品台转速4～8r/min，离子束与样品台法线夹角25°～60°。离子束辅助沉积的加速电压30～50kV，离子溅射束流15～30μA/cm²。

第四步：膜的均质处理：

将第三步制得的所述具有表层Nb薄膜的试样放入真空石英管中进行膜的均质处理；所述的均质处理条件为：真空度1×10^-4～1×10^-6Pa，温度300～600℃，退火时间30～120min。均质处理后，在TiNi形状记忆合金基体表面形成Nb离子注入后辅助增强沉积膜。

上述方法制备得到的生物医用TiNi形状记忆合金，基体表面具有过渡层和Nb薄膜层，所述的过渡层中为Nb₂O₅和Ti的氧化物TiO₂，Nb在过渡层中浓度呈高斯分布，Nb薄膜层为纯Nb层。该改性后的TiNi合金具有很高的生物相容性，完全抑制Ni离子的溶出。改性后合金的耐腐蚀性提高，具有很高的耐蚀性。

本发明的优点在于：

（1）在TiNi合金表面的过渡层上制备纯Nb金属薄膜，提高了TiNi合金的生物相容性，降低了Ni离子对生物体的致毒性。

（2）所述的过渡层和纯金属Nb薄膜层共同作用，在不影响TiNi合金原有形状记忆效应的前提下，能够完全阻止Ni离子溶出。

（3）经过Nb离子表面改性的医用TiNi形状记忆合金比医用TiNi形状记忆合金的自腐蚀电位提高了0.6～0.9mv、自腐蚀电流降低了1～2个数量级。击穿电位达到1493mV以上。

（4）形状记忆性能以及超弹性均保留。

（5）膜的结合强度较好。

附图说明

图1：实施例1中合金Ni离子溶出与空白试样对比；

图2：实施例1中合金与空白试样极化曲线对比。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种使用表面注入沉积Nb离子的复合方法对医用TiNi形状记忆合金进行表面改性。具体实施这种表面改性方法有下列步骤：

第一步：基体前处理：

选取等原子比的TiNi形状记忆合金基体，经打磨、抛光后，分别用无水乙醇、丙酮和去离子水超声清洗8～10min后制得基体试样；

第二步：离子注入制备氧化物过渡层：

（A）将第一步制得的所述基体试样放入金属蒸汽真空弧离子源离子注入机中进行氩离子溅射去除表面杂质；其中，真空度0.1～0.3×10^-3Pa,能量5～8KeV，时间10～30min；

（B）将氩离子处理后的基体试样进行Nb元素掺杂处理，制得具有过渡层的试样；

离子注入机选择靶材为Nb靶，掺杂Nb元素所需参数：真空度0.1×10^-3～3×10^-3Pa，铌Nb元素剂量0.5×10¹⁷～1.5×10¹⁷ion/cm²，电压能量40～100Kev，电流1～4mA；

第三步：离子束增强沉积技术制备表层Nb薄膜：

沉积制膜时，离子源和溅射源靶材均为铌，真空度为0.1×10^-3～3×10^-3Pa，制膜时间3～6h，样品台转速4～8r/min，离子束与样品台法线夹角25°～60°。离子束辅助沉积的加速电压30～50kV，离子溅射束流15～30μA/cm²。

第四步：膜的均质处理：

将第三步制得的所述具有表层Nb薄膜的试样放入真空石英管中进行膜的均质处理；所述的均质处理条件为：真空度1×10^-4～1×10^-6Pa，温度300～600℃，退火时间30～120min。均质处理后，在TiNi形状记忆合金基体表面形成Nb离子注入后辅助增强沉积膜。

将制得的经过Nb离子注入沉积后的医用TiNi形状记忆合金的截面进行形貌和成分分析，可知该材料由外到内分三层，分别是纯Nb金属薄膜层，Nb-TiNi及其氧化物的混合过渡层以及最里面的基体层。下面通过具体实施例进行详细介绍。

实施例1：

第一步：基体前处理：

选取等原子比的TiNi形状记忆合金基体，经打磨、抛光后，分别用无水乙醇，丙酮和去离子水超声清洗10min后制得试样；

第二步：离子注入制备氧化物过渡层：

(A)将第一步制得的所述试样放入金属蒸汽真空弧离子源离子注入机中进行氩离子溅射去除表面杂质处理；其中，真空度0.3×10^-3Pa，电压能量5KeV，时间15min；

(B)将氩离子处理后的试样进行Nb元素掺杂处理，制得具有过渡层的试样；掺杂Nb元素所需参数：真空度0.1×10^-3Pa，铌Nb元素剂量1.0×10¹⁷ion/cm²，能量50KeV，电流1.5mA；

第三步：离子束增强沉积技术制备表层Nb薄膜：

沉积制膜时，离子源和溅射源靶材均为铌，真空度为0.1×10^-3Pa，制膜时间3h，样品台转速6r/min，离子束与样品台法线夹角45°。离子束辅助沉积的加速电压50kV，离子溅射束流15μA/cm²。

第四步：膜的均质处理：

将第三步制得的具有表层Nb薄膜的试样放入真空石英管中进行膜的均质处理，在TiNi形状记忆合金基体表面形成Nb离子注入+增强沉积均质膜，称为复合膜合金；所述的均质处理条件为：真空度1.0×10^-4Pa，温度500℃，退火时间30min。

对实施例1中制得的合金进行性能检测：

（A）Ni离子溶出：

采用电感耦合等离子体质谱分析金属离子注入沉积前后TiNi合金在质量浓度0.9%的NaCl溶液中的Ni离子的溶出量。离子溶出试验所用试样为实施例1制备的复合膜合金，依据ISO 10993-12医疗器械生物学评价标准给出的材料表面积与浸提介质体积比（3cm²/ml），加入0.9%NaCl溶液，溶液要盖过试样表面。将离心管管口用封口膜封好，置于37℃培养箱内。分别在第1,3,5,7,9天取出部分溶液进行测试，经试验证明，实施例1制备的复合膜合金的Ni离子溶出速率为0。可近似认为Ni离子在人体中使用不会有溶出现象发生。附图1可以观察到，经过表面改性后，Ni离子溶出量显著减小。

（B）耐腐蚀性：

将实施例1制得的复合膜合金在37±1℃，人体模拟液Ringer’s中进行电化学测试，采用三电极体系，铂极作为辅助电极，饱和甘汞作为参比电极，电位扫描速度为0.001v/s，直至达到击穿电位停止。由附图2可见，实施例1制备的复合膜合金自腐蚀电位提高了0.6V，自腐蚀电流由未改性合金的1.45×10^-10A/cm²降低至2.34×10^-11A/cm²。

（C）生物相容性：

当生物材料与血液相接触时，血液中的红细胞将不同程度的遭到破坏，释放出血红蛋白，发生溶血。溶血率的大小表征了材料对红细胞造成破坏引起溶血的程度，以溶血率指标评定材料的血液相容性。溶血率小于5%，则材料符合生物材料溶血率要求，若溶血率大于5%。则预示材料有溶血作用。

溶血率的测定：取8ml新鲜抗凝血液（EDTA：血液=1:9），加入10ml生理盐水进行稀释。实施例1制备的复合膜合金清洗干燥后，置于10ml生理盐水中，在37℃水浴中恒温30min。加入5ml稀释血，轻轻混匀，在恒温水浴中继续保温60min。然后将液体倒入离心管中以2500rpm速度离心分离，取上层清液移入比色皿中，用紫外可见分光光度计在545nm波长处测定吸光度，计算公式：

A(%)=(Dt-Dnc)/(Dpc-Dnc)*100%

式中，A:溶血率，Dt:试样吸光度，Dnc:阴性对照吸光度，Dpc阳性对照吸光度。

结果表明，实施例1的复合膜合金和医用TiNi形状记忆合金的溶血率均小于5%，符合生物材料要求，并且实施例1的复合膜合金的溶血率远小于医用TiNi形状记忆合金的溶血率。溶血率测定实验表明，经Nb离子注入沉积后的NiTi形状记忆合金的生物相容性有明显提高。

实施例2：

第一步：基体前处理：

选取等原子比的TiNi形状记忆合金基体，经打磨、抛光后，分别用无水乙醇，丙酮和去离子水超声清洗10min后制得试样；

第二步：离子注入制备氧化物过渡层：

(A)将第一步制得的所述试样放入金属蒸汽真空弧离子源离子注入机中进行氩离子溅射去除表面杂质处理；其中，真空度0.1×10^-3Pa，能量5KeV，时间15min；

(B)将氩离子处理后的试样进行Nb元素掺杂处理，制得具有过渡层的试样;掺杂Nb元素所需参数：真空度2×10^-3Pa，铌Nb元素剂量1.0×10¹⁷ion/cm²，能量80KeV，电流2mA；

第三步：离子束增强沉积技术制备表层Nb薄膜：

沉积制膜时，离子源和溅射源靶材均为铌，真空度为3×10^-3Pa，制膜时间4.5h，样品台转速6r/min，离子束与样品台法线夹角45°。离子束辅助沉积的加速电压50kV，离子溅射束流20μA/cm²。

第四步：膜的均质处理：

将第三步制得的试样放入真空石英管中进行膜的均质处理，在TiNi形状记忆合金基体表面形成Nb离子注入+增强沉积均质膜；其中，真空度1.0×10^-6Pa，温度600℃，退火时间120min。

经性能检测，该方法制备出的合金的Ni离子溶出效果与实施例1的复合膜合金相近，由于制沉积纯Nb金属膜时间的增加，导致该层膜厚度增加。耐蚀性测试中，击穿电位由实施例1复合膜合金的1253mV提高至1493mV。同时，实施例2复合膜合金与基体合金的力学匹配性能优于实施例1复合膜合金。由溶血率测得的生物相容性变化不大。

实施例3：

第一步：基体前处理：

选取等原子比的TiNi形状记忆合金基体，经打磨、抛光后，分别用无水乙醇，丙酮和去离子水超声清洗8～10min后制得试样；

第二步：离子注入制备氧化物过渡层：

(A)将第一步制得的所述试样放入金属蒸汽真空弧离子源离子注入机中进行氩离子溅射去除表面杂质处理；其中，真空度0.1×10^-3Pa,能量5KeV，时间30min；

(B)将氩离子处理后的试样进行Nb元素掺杂处理，制得具有过渡层的试样;掺杂Nb元素所需参数：真空度1×10^-3Pa，铌Nb元素剂量1.5×10¹⁷ion/cm²，能量100KeV，电流4mA；

第三步：离子束增强沉积技术制备表层Nb薄膜：

沉积制膜时，离子源和溅射源靶材均为铌，真空度为2×10^-3Pa，制膜时间6h，样品台转速4r/min，离子束与样品台法线夹角25°。离子束辅助沉积的加速电压30kV，离子溅射束流15μA/cm²。

第四步：膜的均质处理：

将第三步制得的试样放入真空石英管中进行膜的均质处理，在TiNi形状记忆合金基体表面形成Nb离子注入+增强沉积均质膜；其中，真空度1.0×10^-5Pa，温度300℃，退火时间30min。

经性能检测，该方法制备出的合金的Ni离子溶出效果与实施例1复合膜合金相近，由于制备沉积纯Nb金属膜时间的增加，导致该层膜厚度增加。在耐蚀性测试中，击穿电位由实施例1复合膜合金的1253mV提高至1635mV。但是，实施例3复合膜合金与基体合金的力学匹配性能与实施例2复合膜合金相比，有所下降。由溶血率测得的生物相容性变化不大。

实施例4：

第一步：基体前处理：

选取等原子比的TiNi形状记忆合金基体，经打磨、抛光后，分别用无水乙醇，丙酮和去离子水超声清洗8min后制得试样；

第二步：离子注入制备氧化物过渡层：

(A)将第一步制得的所述试样放入金属蒸汽真空弧离子源离子注入机中进行氩离子溅射去除表面杂质处理；其中，真空度0.1×10^-3Pa,能量8KeV，时间10min；

(B)将氩离子处理后的试样进行Nb元素掺杂处理，制得具有过渡层的试样;掺杂Nb元素所需参数：真空度3×10^-3Pa，铌Nb元素剂量0.5×10¹⁷ion/cm²，能量40KeV，电流1mA；

第三步：离子束增强沉积技术制备表层Nb薄膜：

沉积制膜时，离子源和溅射源靶材均为铌，真空度为0.5×10^-3Pa，制膜时间6h，样品台转速8r/min，离子束与样品台法线夹角60°。离子束辅助沉积的加速电压40kV，离子溅射束流30μA/cm²。

第四步：膜的均质处理：

将第三步制得的所述增强相试样放入真空石英管中进行膜的均质处理，在TiNi形状记忆合金基体表面形成Nb离子注入+增强沉积均质膜；其中，真空度1.0×10^-4Pa，温度500℃，退火时间60min。

该制备方法制得的合金与实施例2中复合膜合金性能变化不大，近似认为离子溅射束流对薄膜的性质以及使用离子束增强沉积方法对TiNi形状记忆合金表面改性影响不大。

经本发明制备方法制得的经Nb离子注入沉积进行表面改性的医用TiNi形状记忆合金可以用作医用材料，如不同部位的接骨器、各种官腔支架和骨钉等。

因TiNi合金中Ti元素的活泼性大于Ni元素，在氧化条件下，Ti易于氧化反应，在合金表面形成氧化膜，相对而言，镍元素就留在薄膜内层区域，同时Nb离子的注入也会降低Ni离子形成氧化物的概率，同时，氧化铌的形成，会阻挡Nb离子的溶出，基于以上两点原因，医用TiNi形状记忆合金的Ni离子溶出问题能够得到很大的改善，通过优化材料制备过程中的各个实验参数，最终可以达到完全阻挡Ni离子溶出。

Claims (4)

1.一种Nb离子注入沉积对医用TiNi形状记忆合金进行表面改性的方法，其特征在于：

第一步：基体前处理：

选取等原子比的TiNi形状记忆合金基体，经打磨、抛光后，分别用无水乙醇、丙酮和去离子水超声清洗8～10min后制得基体试样；

第二步：离子注入制备氧化物过渡层；具体步骤如下：

A、将第一步制得的所述基体试样放入离子注入机中进行氩离子溅射去除表面杂质；其中，真空度0.1×10^-3～0.3×10^-3Pa，能量5～8Kev，时间10～30min；

B、将氩离子处理后的基体试样进行Nb元素掺杂处理，制得具有过渡层的试样；

Nb元素掺杂处理离子注入机选择靶材为Nb靶，掺杂Nb元素所需参数：真空度0.1×10^-3～3×10^-3Pa，铌Nb元素剂量0.5×10¹⁷～1.5×10¹⁷ion/cm²，电压能量40～100Kev，电流1～4mA，注入时间30min；

第三步：离子束增强沉积技术在过渡层表面制备表层Nb薄膜：

离子束增强沉积制膜时，离子源和溅射源靶材均为铌，真空度为0.1×10^-3～3×10^-3Pa，制膜时间3～6h，样品台转速4～8r/min，离子束与样品台法线夹角25°～60°；离子束辅助沉积的加速电压30～50kV，离子溅射束流15～30μA/cm²；

第四步：膜的均质处理：

将第三步制得的所述具有表层Nb薄膜的试样放入真空石英管中进行膜的均质处理。

2.根据权利要求1所述的一种Nb离子注入沉积对医用TiNi形状记忆合金进行表面改性的方法，其特征在于：所述的均质处理条件为：真空度1×10^-4～1×10^-6Pa，温度300～600℃，退火时间30～120min。

3.一种Nb离子注入沉积TiNi形状记忆合金，其特征在于：基体合金表面具有过渡层和Nb薄膜层，所述的过渡层中为Nb₂O₅和Ti的氧化物TiO₂，以及Nb和Ti，其中，Nb在过渡层中浓度呈现高斯分布；Nb薄膜层为纯Nb层。

4.根据权利要求3所述的一种Nb离子注入沉积TiNi形状记忆合金，其特征在于：合金表面过渡层和Nb薄膜层完全抑制Ni离子的溶出。

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