CN105951048A - 一种具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层及其制备方法。该涂层由大小8‑20 nm的Ta2N纳米晶粒组成，平均晶粒尺寸约为12.8 nm，在Hanks溶液中37℃下浸泡一周后后表面被磷灰石覆盖。采用双阴极等离子溅射沉积技术，在预处理过的医用钛合金工件表面原位沉积Ta2N纳米晶涂层，其中：a.靶材电压800~1000 V，工件电压250~400 V，靶材与工件间距10~20 mm，Ar气压25~40 Pa，N2分压1.0~2.5 Pa，沉积温度750~950 ℃，沉积时间 1.0~2.0 h；b.溅射靶材的种类：纯度为大于99.9%的商用纯Ta。本发明涂层提高医用钛合金的耐磨性、抗腐蚀性和生物活性。
Description
技术领域
本发明涉及医用钛合金表面处理和医用生物陶瓷涂层领域，具体涉及一种具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层及其制备方法。
背景技术
在生物医用金属材料中，钛合金因其优异的力学性能、耐腐蚀性能和良好的生物相容性，成为目前骨科植入产品的首选材料。然而，钛合金不具备骨引导和诱导骨组织再生功能，属生物惰性材料，不能与骨形成化学键合。此外，对于关节类的植入物，磨损性能的不足使得钛合金在机械磨损作用下很容易产生磨屑，大量磨屑聚积诱发机体细胞产生一系列不良生物反应，造成骨质溶解和无菌松动，最终导致植入体失效。同时，在与人体长期相互作用过程中，钛合金中Ni、Al、V等有害元素的释放会对机体产生毒害作用，导致痴呆、神经紊乱、骨质疏松等疾病的发生。如何提高钛合金植入体的生物活性、抗磨损和耐腐蚀性能成为医疗和材料工作者长期关注与研究的热点之一。以先进的表面改性技术为手段，在医用钛合金表面制备抗磨损、耐腐蚀的生物活性涂层是解决上述问题的有效方法之一。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层及其制备方法，根据Ta, N元素的易化合特性，采用双阴极等离子溅射沉积技术在医用钛合金表面原位制备抗磨损、耐腐蚀的生物活性Ta2N纳米晶涂层。该涂层能有效提高钛合金在生理溶液中的腐蚀抗力和磷灰石诱导能力，提升钛合金在骨科移植领域的应用潜力。
为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层，所述涂层由大小8-20 nm的Ta2N纳米晶粒组成，平均晶粒尺寸约为12.8
nm，在Hanks溶液中37℃下浸泡一周后的表面被磷灰石覆盖。
上述具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层的制备方法，利用双阴极等离子溅射沉积技术，在预处理过的医用钛合金工件表面原位形成Ta2N纳米晶涂层，其中
a.双阴极等离子溅射沉积工艺参数：靶材电压800~1000 V，工件电压250~400 V，靶材与工件间距10~20 mm，Ar气压25~40 Pa，N2分压1.0~2.5
Pa，沉积温度750~950℃，沉积时间
1.0~2.0 h；
b.溅射的靶材种类：纯度为大于99.9%的商用纯Ta。
作为制备方法改进的是，所述靶材电压900V。
作为制备方法改进的是，工件电压350 V。
作为制备方法改进的是，Ar气压35 Pa。
作为制备方法改进的是，靶材与工件间距10 mm。
作为制备方法改进的是，沉积温度850℃。
作为制备方法改进的是，沉积时间 1.5 h。
有益效果：
本发明以双阴极等离子溅射沉积技术为手段，在医用钛合金植入材料表面制备具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层。该涂层由平均晶粒尺寸为12.8 nm 的Ta2N纳米晶粒组成，组织致密均匀无缺陷，与基体结合良好, 该涂层不仅具有高的显微硬度(~32.1 GPa), 而且呈现高的韧性。电化学测试和生理溶液浸泡实验表明该涂层明显提高了医用钛合金基体的腐蚀抗力和磷灰石诱导能力，显示出巨大的骨科移植应用潜力。
附图说明
图1为Ta2N纳米晶涂层的明场TEM照片。
图2为Ta2N纳米晶涂层，Ti-6Al-4V基体和商用纯Ta在Ringers溶液中37℃下的动电位极化曲线比较。
图3为Ta2N纳米晶涂层和Ti-6Al-4V基体在Hanks溶液中37℃下浸泡一周后的表面SEM照片。
具体实施方案
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
工件表面预处理：基体为医用Ti-6Al-4V合金，电火花切割获得尺寸为Φ40 mm
× 3 mm的圆片，表面依次用500号水砂纸，02、04和06号金相砂纸仔细打磨，再用0.2-0.3 μm Cr2O3抛光膏进行充分抛光，蒸馏水冲洗，酒精脱脂，冷风吹干，置入干燥器内备用。
实施例1
一种具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层，所述涂层由大小8-20 nm的Ta2N纳米晶粒组成，平均晶粒尺寸约为12.8
nm，在Hanks溶液中37℃下浸泡一周后的表面被磷灰石覆盖。
上述具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层制备方法，利用双阴极等离子溅射沉积法，在预处理过的钛合金Ti-6Al-4V工件表面原位制备致密均匀无缺陷的Ta2N纳米晶涂层，其中
a.双阴极等离子溅射工艺参数：
b.溅射的靶材种类：纯度为大于99.9%的商用纯Ta。
对本发明制备的Ta2N纳米晶涂层进行测试，该涂层的硬度为32.1 GPa，弹性模量为294.8 GPa, 与基体的结合强度达到 56 N。利用压痕法评价涂层的韧性表明：压入载荷为9.8 N时，显微硬度压痕周围没有观察到裂纹的萌生和发展，证明Ta2N纳米晶涂层具有高的韧性。
图1为本发明制备的Ta2N纳米晶涂层的明场TEM照片，从图中可以看出，该涂层由大小8-20
nm的Ta2N纳米晶粒组成，平均晶粒尺寸约为12.8 nm。
图2为本发明制备的Ta2N纳米晶涂层，Ti-6Al-4V工件和商用纯Ta在Ringers溶液中37℃下的动电位极化曲线比较。从图中可以看出，Ta2N纳米晶涂层较之Ti-6Al-4V基体和商用纯Ta，具有更低的自腐蚀电流密度和钝化电流密度，表现出优异的电化学腐蚀抗力。
图3为本发明制备的Ta2N纳米晶涂层和Ti-6Al-4V工件在Hanks溶液中37℃下浸泡一周后的表面SEM照片。从图中可以看出，Ta2N纳米晶涂层表面几乎完全被磷灰石覆盖，显示出优良的磷灰石诱导能力。而对于Ti-6Al-4V工件，表面仅有少量的磷灰石形成，显示出比较弱的磷灰石诱导能力。高的磷灰石诱导能力主要归功于该涂层表面因部分氧化生成的TaOxNy，此类氮氧化物具有较低的等电点(IEP < 3.3), 远低于通常生理溶液的pH值(~7.4)，这使得涂层在浸泡于Hanks溶液中时表面呈现较强的负电特性，有利于Ca2+的优先吸附，进而促进磷灰石的成核。
本发明以双阴极等离子溅射沉积技术为手段，利用Ta, N元素的易化合特性，在Ti-6Al-4V工件表面原位制备抗磨损、耐腐蚀的生物活性Ta2N纳米晶涂层。该涂层能有效提高钛合金在生理溶液中的腐蚀抗力和磷灰石诱导能力，提升钛合金在骨科移植领域的应用潜力。
实施例2
一种具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层，所述涂层由大小8-20 nm的Ta2N纳米晶粒组成，平均晶粒尺寸约为12.8
nm，在Hanks溶液中37℃下浸泡一周后的表面被磷灰石覆盖。
上述具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层制备方法，利用双阴极等离子溅射沉积法，在预处理过的Ti-6Al-4V工件表面原位制备致密均匀无缺陷的Ta2N纳米晶涂层，其中a.双阴极等离子溅射工艺参数：靶材电压900 V，工件电压250 V，靶材与工件间距10 mm，Ar气压35 Pa，N2分压1.0
Pa，沉积温度800 ℃，沉积时间2.0 h；b.溅射的靶材种类：纯度为大于99.9%的商用纯Ta。所得涂层的腐蚀性能与商用纯Ta相当，低于实施例1；涂层的磷灰石诱导能力略低于实施例1。
实施例3
一种具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层，所述涂层由大小8-20 nm的Ta2N纳米晶粒组成，平均晶粒尺寸约为12.8
nm，在Hanks溶液中37℃下浸泡一周后的表面被磷灰石覆盖。
上述具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层制备方法，利用双阴极等离子溅射沉积法，在预处理过的Ti-6Al-4V工件表面原位制备致密均匀无缺陷的Ta2N纳米晶涂层，其中a.双阴极等离子溅射工艺参数：靶材电压950 V，工件电压350 V，靶材与工件间距10 mm，Ar气压30 Pa，N2分压2.0
Pa，沉积温度900 ℃，沉积时间1.5 h；b.溅射的靶材种类：纯度为大于99.9%的商用纯Ta。所得涂层的腐蚀抗力与实施例1相当，但磷灰石诱导能力明显低于实施例1。
对比例1
以等离子喷涂羟基磷灰石（HA）涂层为代表的传统钛合金表面改性方法，存在涂层结晶度低，易发生体内降解，涂层与基体结合力弱，涂层存在缺陷易引发界面腐蚀等问题，本发明方法制备的Ta2N纳米晶涂层均匀致密无缺陷，与工件结合良好，且表现出优异的电化学腐蚀抗力和磷灰石诱导能力。
Claims (9)
1.一种具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层，其特征在于，所述涂层由大小8-20 nm的Ta2N纳米晶粒组成，平均晶粒尺寸约为12.8 nm，在Hanks溶液中37℃下浸泡一周后的表面被磷灰石覆盖。
2.基于权利要求1所述的具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层的制备方法，其特征在于利用双阴极等离子溅射沉积技术，在预处理过的医用钛合金工件表面原位沉积Ta2N纳米晶涂层，其中
a.双阴极等离子溅射沉积工艺参数：靶材电压800~1000 V，工件电压250~400 V，靶材与工件间距10~20 mm，Ar气压25~40 Pa，N2分压1.0~2.5 Pa，沉积温度750~950℃，沉积时间1.0~2.0
h；
b.溅射的靶材种类：纯度为大于99.9%的商用纯Ta。
3.根据权利要求2所述的具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层制备方法，其特征在于所述靶材电压900 V。
4.根据权利要求2所述的具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层制备方法，其特征在于所述工件电压350 V。
5.根据权利要求2所述的具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层制备方法，其特征在于所述靶材与工件间距10 mm。
6.根据权利要求2所述的具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层制备方法，其特征在于所述Ar气压35 Pa。
7.根据权利要求2所述的具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层制备方法，其特征在于所述N2分压1.5 Pa。
8.根据权利要求2所述的具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层制备方法，其特征在于所述沉积温度850℃。
9.根据权利要求2所述的具有生物活性的Ta2N纳米晶涂层制备方法，其特征在于所述沉积时间1.5 h。
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