CN1190136A - 医用植入物的离子束增强沉积羟基磷灰石镀层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种医用植入物的离子束增强沉积羟基磷灰石镀层的制备方法,该方法用50%羟基磷灰石的烧结陶瓷为溅射靶。首先用Ar离子轰击样品进行清洗,然后在保持有水蒸汽分压下以离子束轰击溅射靶,在基底样品表面溅射成膜,同时辅以高能Ar离子束轰击基底样品,将膜样品从真空室中取出,加热至380～420℃,在潮湿空气中退火。本发明制备的镀层具有膜与基片的结合力强,膜本身致密度高、生物相容性优良等优点。
Description
本发明涉及一种束医用植入物的离子束增强沉积羟基磷灰石镀层的制备方法，使用离子束增强沉积(IBAD)技术在金属、陶瓷、高分子聚合物表面镀制羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)膜，属材料科学技术领域。
制备羟基磷灰石(HA)膜的方法主要有等离子喷镀、离子镀、离子束溅射、磁控溅射、射频溅射和离子注入相结合，脉冲激光沉积、电泳沉积，热等静压烧结和胶粘镀敷。目前使用最广泛的是等离子喷镀技术。等离子喷镀技术中等离子火焰是由电弧方法等离子化的Ar，N2或H2气体组成的。火焰温度可达到约20000℃，火焰的出射速度超过1马赫(Mach)。羟基磷灰石颗粒被火焰熔化后以超过1马赫的速度喷射到基底样品表面成膜。之后，膜经过水洗、热处理，就可以得到一定结晶度的羟基磷灰石膜。
使用等离子喷镀技术，在人工医学器官的表面沉积羟基磷灰石镀层，在医学上已经得到了广泛的应用。但是，长期的医学跟踪研究表明，这种人工骨植入器官的使用寿命较短(约7～8年)，在活动较多的青少年中，它的使用寿命就更短。这是因为，用这种技术制得的HA有两个重大的弱点：
1)膜与基底样品的结合力不够好。
2)膜本身致密度不够高，使得膜/基底样品界面处容易受到体液的侵蚀，造成在人体环境下，膜与基底样品的结合力大幅度下降，引起膜的脱落，危害患者的身体健康。
本发明的目的是研究一种医用植入物的离子束增强沉积羟基磷灰石镀层的制备方法，以提高膜与基底样品的结合力、提高膜本身的致密度，最终提高人工骨植入假体的使用寿命。
本发明的医用植入物的离子束增强沉积羟基磷灰石镀层的制备方法，包括下列各步骤：
(1)清洗：用电流为30～60mA，能量为0.8～1.2KeV的Ar离子束轰击基底样品表面，轰击时间为10～15分钟，本底压强为5×10-6乇，工作过程中，保持水蒸汽分压为0～2×10-4乇，工作压强为0.5～2.5×10-4乇；
(2)制作界面：以50％的羟基磷灰石烧结陶瓷作为溅射靶，用电流为20～60mA，能量为0.3～3.5KeV的离子束轰击，在基底样品表面溅射成膜，同时以电流为1～3mA，能量为24～30KeV的高能Ar离子束轰击基底样品表面，溅射时间为10～30分钟；
(3)沉积膜生长：上述第二步的溅射过程继续进行，用电流为40～100mA、能量为3～3.5KeV的离子束轰击，继续溅射成膜，同时以电流为5～20mA，能量为0.5～400eV的低能Ar离子轰击，溅射时间为1～5小时；
(4)镀膜后1小时，将上述第三步的样品从真空中取出，加热至380℃～420℃，在湿度为大于70％的潮湿空气中退火0～4小时，即可得到具备羟基磷灰石镀层的医用植入物。
在上述制备方法中，当第一步中的水蒸汽分压为0时，第四步的后处理过程就必不可少。如果第一步中保持一定的水蒸汽分压，第四步的后处理可视所需膜层的结晶度而定，对结晶度没有确定要求时，可免除后处理过程。
上述的制备方法中，所用的基底样品可以是金属、陶瓷或高分子聚合物中的任何一种。
利用本发明的方法制备的膜样品，对其作划痕实验结果显示，用这种方法得到的膜，在加载速率为2000gf/min的条件下，离子束增强沉积(IBAD)膜和用于对比的离子束溅射(IBSD)膜的临界载荷分别为1050gf和660gf，前者是后者的将近两倍，这说明离子束增强沉积(IBAD)方法较大的提高了膜与基底样品的结合力。有关研究结果已经证实，离子束溅射膜的结合力与等离子喷镀膜的相当，因此可以推断，离子束增强沉积(IBAD)膜的结合力也比等离子喷镀膜的结合力有大幅度提高。而膜与基底样品的结合力问题正是长期以来一直困扰等离子喷镀技术制备羟基磷灰石膜的问题。这样，利用IBAD技术，成功地解决了这个主要问题。
SEM结果显示IBAD方法得到的膜非常致密，其致密度远远大于其它方法所获得的羟基磷灰石膜。由此可见，IBAD方法可以大大提高膜本身的致密度。
细胞学实验表明，IBAD膜有很好的生物相容性，这说明IBAD在提高膜本身的力学性能的时候，至少保持了羟基磷灰石膜的生物学优点。
附图说明：
图1是本发明所用设备示意图。
图1中，1为与真空泵接口，2为可旋转水冷样品台，3为基底样品，4和5为溅射离子源，6为可旋转的羟基磷灰石烧结陶瓷水冷靶，7为高能轰击离子源，8为低能轰击离子源。
下面介绍本发明的实施例：
实施例1采用下表所列的参数镀膜，在400±20℃，湿度不小于70％的空气中退火2小时，就可以得到结晶度接近100％的羟基磷灰石膜。
| 基底样品 | Ti-6Al-4V合金 | |
| 本底压强 | 5×10-6Torr(乇) | |
| 水蒸气分压 | 5×10-6Torr(乇) | |
| 工作压强 | 5×10-6Torr(乇) | |
| 离子束清洗 | 1.0keV(千电子伏特)，50mA(毫安)，12min(分钟) | |
| 制作界面 | 高能轰击 | 28keV(千电子伏特)，2mA(毫安)， |
| 制作界面 | 溅射 | 3.5keV(千电子伏特)，45mA(毫安)， |
| 制作界面 | 时间 | 30min(分钟) |
| 沉积生长 | 低能轰击 | 无 |
| 沉积生长 | 溅射 | 3.25keV(千电子伏特)，60mA(毫安)， |
| 沉积生长 | 时间 | 3hr(小时) |
| 后处理 | 400±20℃，2hr(小时) | |
实施例2
| 基底样品 | Al2O3陶瓷 | |
| 本底压强 | 5×10-6Torr(乇) | |
| 水蒸气分压 | 无 | |
| 工作压强 | 2.2×10-4Torr(乇) | |
| 离子束清洗 | 1.0keV(千电子伏特)，50mA(毫安)，12min(分钟) | |
| 制作界面 | 高能轰击 | 30keV(千电子伏特)，2mA(毫安)， |
| 制作界面 | 溅射 | 3.25keV(千电子伏特)，45mA(毫安)， |
| 制作界面 | 时间 | 15min(分钟) |
| 沉积生长 | 低能轰击 | 150eV(电子伏特)，10mA(毫安) |
| 沉积生长 | 溅射 | 3.25keV(千电子伏特)，90mA(毫安)， |
| 沉积生长 | 时间 | 2.5hr(小时) |
| 后处理 | 400±20℃，2hr(小时) | |
实施例3
| 基底样品 | 超高分子聚乙烯 | |
| 本底压强 | 5×10-6Torr(乇) | |
| 水蒸气分压 | 1.2×10-4Torr(乇) | |
| 工作压强 | 2.2×10-4Torr(乇) | |
| 离子束清洗 | 1.0keV(千电子伏特)，30mA(毫安)，5min(分钟) | |
| 制作界面 | 高能轰击 | 25keV(千电子伏特)，1mA(毫安)， |
| 制作界面 | 溅射 | 3.25keV(千电子伏特)，30mA(毫安)， |
| 制作界面 | 时间 | 10min(分钟) |
| 沉积生长 | 低能轰击 | 150eV(电子伏特)，10mA(毫安) |
| 沉积生长 | 溅射 | 3.25keV(千电子伏特)，50mA(毫安)， |
| 沉积生长 | 时间 | 3hr(小时) |
| 后处理 | 无 | |
Claims (2)
1、一种医用植入物的离子束增强沉积羟基磷灰石镀层的制备方法，其特征在于该方法包括下列各步骤：
(1)清洗：电流为30～60mA，用能量为0.8～1.2KeV的Ar离子束轰击基底样品表面，轰击时间为10～15分钟，本底压强为5×10-6乇，工作过程中，保持水蒸汽分压为0～2×10-4乇，工作压强为0.5～2.5×10-4乇；
(2)制作界面：以50％的羟基磷灰石烧结陶瓷靶为溅射，用电流为20～60mA，能量为0.3～3.5KeV的离子束轰击，在基底样品表面溅射成膜，同时以电流为1～3mA，能量为24～30KeV的高能Ar离子束轰击基底样品表面，溅射时间为10～30分钟；
(3)沉积生长：上述第二步的溅射过程继续进行，用电流为40～100mA、能量为3～3.5KeV的离子束轰击，继续溅射成膜，同时以电流为5～20mA，能量为0.5～400eV的低能Ar离子轰击，溅射时间为1～5小时；
(4)镀膜后1小时，将上述第三步的膜样品从真空中取出，加热至380℃～420℃，在湿度为大于70％的潮湿空气中退火0～4小时，即可得到具备羟基磷灰石镀层的医用植入物。
2、如权利要求1所述的制备方法，其特征在于其中所述的基底样品可以是金属、陶瓷或高分子聚合物中的任何一种。
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