CN1274870C - 用溅射技术进行人工器官表面处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用溅射技术进行人工器官表面处理的方法，利用溅射方法在形状复杂的人工器官表面合成钽、铌掺杂的钛-氧表面改性层。经本发明所述的方法处理的人工器官，其抗凝血性能、耐久性能得到全面改善。本发明主要用于提高与血液接触的人工器官如人工心脏瓣膜的抗凝血性能。
Description
本申请为名称为“一种人工器官表面改性技术”、申请日为1999年12月23日的99117468.2号专利申请的分案申请。是根据该原申请的第一次审查意见通知书的要求进行分案的，并根据该审查意见的要求，本申请人拟将原申请改名为“一种人工器官表面改性方法”。
所属技术领域
本发明涉及无机材料表面改性技术领域，特别涉及人工器官材料的改性技术。
背景技术
人工器官的生物相容性和耐久性是人工器官用于临床的根本保证，尤其是人工心脏、人工心脏瓣膜和左心室辅助泵等重要的心血管系统人工器官对耐久性和血液相容性有更高的要求。用天然材料(猪、牛心胞)、高分子材料制成的人工心脏及人工心脏瓣膜由于耐久性尚不能完全满足上述要求，见文献1(德永皓-等，繁用人工脏器现状将来，一人工弁一，人工脏器，1990，19(3)，100-102等)，而以热解碳、钛合金、钴合金和不锈钢等无机材料为主体的人工心脏瓣膜目前还存在两方面问题：一是血液相容性尚不够好，二是该类材料制成的瓣膜在植入人体后仍可能发生疲劳、腐蚀、磨损及脆性断裂。具有最好血液相容性的热解碳代表了以机械瓣为主体的已用于临床的人工心脏瓣膜的最高水平，但对临床要求来说，其血液相容性仍不是足够高，且其韧性仅为金属的1/100。本领域的多年研究表明，在以金属等无机材料为主体的心血管系人工器官表面覆以血液相容性极好的材料，可以综合其金属材料机械强度高、耐久性好和覆膜材料血液相容性好的优点，从而成为有相当应用前景的人工器官材料发展的重要趋势。文献2(Mitamura.Y.etgl，Development of a Ceramic Valve，Journal of BiomaterialsApplications，1989，4(11)，33-55)论述了在钛人工心脏瓣膜表面用物理气相沉积方法覆膜氮化钛的技术。目前，在心血管系人工器官上采用物理气相沉积等方法在心脏瓣膜材料表面沉积氮化钛、类金刚石膜等现有覆盖技术存在两个方面的问题：一是经覆膜处理后的材料的血液相容性的改善程度有限，二是由于沉积方法的物理本质局限性，薄膜同基体的结合强度较低。文献3(中国专利号ZL95111386.0)给出了用离子束增强沉积方法(IBED)在心血管系人工器官上制备钛-氧/氮化钛复合膜的方法，这种方法只能实现对平面的、简单的人工心血管器官覆膜，如人工心脏瓣膜的叶片，无法对形状复杂的、曲面的人工心血管器官进行均匀的全方位覆膜，如人工心脏瓣膜的瓣架表面，而对人工器官的所有与血液接触的表面都进行改性处理才是稳定、可靠提高人工器官性能和安全性的保证。文献4的结果表明用离子束增强沉积方法获得的具有半导体特性的IBED-钛-氧表面薄膜材料具有热解碳更为优异的血液相容性。(黄楠、杨萍等，离子束增强沉积钛氧化物薄膜及其抗凝血性能的研究，高技术通迅1997，4，16-18)。
本发明的目的是提供一种用溅射技术进行人工器官表面处理的方法，它能有效地提高人工心脏、人工心脏瓣膜和左心室辅助泵等表面复杂的人工器官的血液相容性和力学耐久性。
本发明将铌、钽等金属元素掺入人工器官表面的氧化钛表层内，形成掺杂的钛-氧薄膜，以获得具有优异血液相容性的表面，其制备可以通过以下方案实现：
(一)采用磁控溅射方式制备掺杂钛-氧薄膜
这种方法分为两步
1.首先采用铌-钛或钽-钛的合金靶或镶嵌靶，利用磁控溅射这种高速低温的镀膜方法，在人工器官表面沉积钛-钽或钛-铌合金薄膜。控制合金薄膜性能的参数是：铌原子个数含量为0.1％～20％或钽原子个数含量为0.1％～20％的合金靶或镶嵌靶，溅射电压-100～-1000V，溅射电流0.05～5安，样品加热温度100～500℃，溅射时间6分钟～2小时，溅射压力0.01～10帕，样品台偏压0～-600伏。
2.然后对合成的合金薄膜进行特定的氧化处理可得到钽或铌掺杂的钛-氧薄膜，可采用以下两种工艺；
A.热氧化，将镀有钛-钽或钛-铌合金薄膜的人工器官置于真空石英玻璃管中，加热到一定温度，同时向石英玻璃管中通入一定压力的氧气，这时合金膜经氧化就得到了钽或铌掺杂的钛-氧薄膜。控制薄膜性能的参数有：氧气压力0.1～10帕，加热温度400～900℃，氧化时间(1分钟～2小时)，钽-钛或铌-钛合金薄膜的成分铌原子个数含量为0.1％～20％或钽原子百分含量为0.1％～20％。
B.等离子体氧化，将镀有钛-钽或钛-铌合金薄膜的人工器官置于等离子体设备的真空室中，充入一定压力的氧气，利用射频或微波放电产生氧等离子体，这时人工器官浸没于氧等离子体气氛中，加热人工器官，并在人工器官上施加一定的脉冲电压，利用等离子体氧化工艺在人工器官表面氧化得到钽或铌掺杂的氧化钛薄膜。控制薄膜性能的参数是氧气压力10-2～10帕，氧等离子体密度108～1013/立方厘米，加热温度100～600℃，施加脉冲负电压幅值0.2～3千伏，等离子体氧化时间1分钟～2小时，脉冲负高压重复频率10～5000赫兹，脉冲宽度20～500μs，钛-钽或钛-铌合金薄膜的成分：铌原子个数含量为0.1％～20％或钽原子个数含量为0.1％～20％。
(二)采用射频溅射方式制备掺杂钛-氧薄膜
采用五氧化二铌—二氧化钛或五氧化二钽—二氧化钛陶瓷作为溅射靶，五氧化二铌在陶瓷中的分子个数含量为0.1％～10％或五氧化二钽在陶瓷中的分子个数含量为0.1％～10％。往射频溅射设备真空室中通入一定压力的氩或氙，采用射频方式形成氩或氙等离子体，利用溅射在人工器官表面合成钽或铌掺杂的钛-氧薄膜。控制薄膜性能的参数为：射频功率200～3000W，工作气体压力10-2～101帕，射频电压0.4～3千伏，样品加热温度为100～600℃，溅射时间6分钟～3小时，五氧化二铌-二氧化钛或五氧化二钽-二氧化钛陶瓷靶的成分为五氧化二铌在陶瓷中的分子个数含量为0.1％～10％或五氧化二钽在陶瓷的分子个数含量为0.1％～10％。
本发明与现有技术相比，采用上述方法所合成的掺钽或铌的钛-氧薄膜，其优点在于：所合成的钽或铌掺杂的钛-氧薄膜血液相容性极好，对复杂形状的人工器官，可以实现人工器官的全方位改性，均匀可靠，可实现工业化应用，这些掺杂氧化物表面改性层的血液相容性显著优于目前临床使用的国际公认的人工心脏瓣膜材料——热解碳，改性层成分容易控制，且重复性好，可靠度高。总之，采用本发明所述的方法处理所获得的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提高。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明所用的射频磁控溅射台的真空室示意图。
图2为本发明所用的真空石英管加热炉。
以下结合附图对本发明作进一步说明：
(一)采用磁控溅射离子镀方式制备掺杂二氧化钛薄膜，这种方法分为两步，首先制备钛-铌或钛-钽合金薄膜。然后利用热氧化或等离子体氧化工艺对合金薄膜进行氧化，得到铌或钽元素掺杂的钛-氧薄膜，图2为本发明所用的磁控溅射设备示意图，其实施例为：
1、首先把铌-钛或钽-钛合金靶或镶嵌靶装在磁控溅射设备的靶台6上，人工器官5放置在样品台6上，真空室抽真空至1×10-4帕，加热人工器官5，打开气瓶8，向真空室通入氩气，氩气压力为0.01～10帕，将转换开关3拨至直流电源1，在靶台4上加一定负高压，形成氩等离子体，在负电压作用下，氩离子轰击钛-铌或钛-钽靶，产生钛、铌原子或钛、钽原子沉积在人工器官5上，形成金合金薄膜。为了提高薄膜质量，沉积过程中，打开偏压电源7，在样品台6上施加一定负偏压。利用磁控溅射这种高速低温的镀膜方法，可按表一所示四种工艺得到钛-钽或钛-铌合金薄膜。控制合金薄膜性能的参数是：铌原子个数含量为0.1％～20％或钽原子个数含量为0.1％～20％的合金靶或镶嵌靶，溅射电压-100～-1000V，溅射电流0.05～5安，样品加热温度100～500℃，溅射时间6分钟～2小时，溅射压力0.01～10帕，样品台偏压0～-600伏。
表一
| 实施例 | 靶材成分中钽或铌的原子个数含量 | 溅射电压(伏) | 溅射电流(安) | 加热温度(℃) | 溅射时间(小时) | 溅射压力(帕) | 样品台偏压(伏) |
| 一 | 0.1％ | -300 | 0.05 | 100 | 1.5 | 0.05 | -200 |
| 二 | 5％ | -600 | 1 | 300 | 0.8 | 1 | -300 |
| 三 | 15％ | -1000 | 5 | 500 | 0.2 | 5 | -600 |
2、对合成的合金薄膜进行热氧化处理或等离子体氧化可得到钽或铌掺杂的钛-氧薄膜，图3为本发明所用的真空石英管示意图，其实施例分别为：
A、若采用热氧化处理，其实施例为，将镀有钛-铌合金薄膜的人工器官5置于真空石英玻璃管9中，打开真空系统电源10，抽真空至1×10-3帕，打开电炉电源11，加热真空石英玻璃管到700℃，打开充气系统12，向石英玻璃管9中通入0.5帕的氧气，热氧化10分钟，这时合金膜经氧化就得到了钽或铌掺杂的氧化钛薄膜。
B、若采用等离子体氧化，其实施例为，将镀有钛-钽或钛-铌合金薄膜的人工器官置于等离子体氧化设备的样品台上，抽真空至1×10-4帕，充入氧气，打开射频电源或微波电源产生氧等离子体，这时人工器官浸没于氧等离子体气氛中，加热人工器官，打开脉冲电源，在人工器官上施加一定的脉冲负电压，利用等离子体氧化工艺可按表二所示三种氧化工艺得到钽或铌掺杂的二氧化钛薄膜。控制薄膜性能的参数是氧气压力0.01～10帕，氧等离子体密度108～1012/立方厘米，加热温度100～600℃，脉冲负电压幅值0.2～3千伏，等离子体氧化时间1分钟～2小时，脉冲负高压重复频率10～5000赫兹，脉冲宽度20～500μs。等离子体氧化也可采用现有的具有微波或射频等离子体源的普通设备。
表二
| 实施例 | 氧气压力帕 | 氧等离子体密度/立方厘米 | 加热温度℃ | 脉冲负电压伏 | 时间小时 | 重复频率赫兹 | 脉冲宽度μs |
| 一 | 0.01 | 108 | 200 | -0.2 | 2 | 10 | 500 |
| 二 | 1 | 109 | 400 | -1 | 0.5 | 500 | 100 |
| 三 | 10 | 1012 | 600 | -3 | 0.05 | 5000 | 20 |
(二)采用五氧化二铌-二氧化钛或五氧化二钽-二氧化钛陶瓷靶，利用射频溅射方式制备铌或钽掺杂钛-氧薄膜，其实施例为：
首先把五氧化二铌-二氧化钛或五氧化二钽-二氧化钛陶瓷靶放在磁控溅射设备的靶台4上，人工器官5放置在样品台6上，抽真空至1×10-4帕，加热人工器官7，打开气瓶8，通入氩气，氩气压力为0.01～10帕，将转换开关3拨至射频电源2，在靶台4上加一定的电压，形成氩等离子体，氩离子轰击五氧化二铌-二氧化钛或五氧化二钽-二氧化钛陶瓷靶，产生钛、铌、氧原子或钛、钽、氧原子沉积在人工器官5上，合成钽或铌掺杂的钛-氧薄膜。为了提高薄膜质量，沉积过程中，打开偏压电源7，在样品台6上施加一定负偏压。可按表三所示三种工艺利用溅射在人工器官表面合成钽或铌掺杂的钛-氧薄膜。控制薄膜性能的能的参数是：射频功率200～3000W，工作气体压力10-2～109帕，射频电压0.4～3千伏，样品加热温度为100～600℃，溅射时间6分钟～3小时。
表三
| 实施例 | 靶材中五氧化二钽或五氧化二铌分子个数含量 | 加热温度(℃) | 射频功率(瓦) | 气体压力(帕) | 射频电压(伏) | 溅射时间(小时) | 样品台偏压(伏) |
| 一 | 0.1％ | 200 | 200 | 5 | 400 | 2 | 0 |
| 二 | 2.5％ | 400 | 800 | 05 | 800 | 1 | -300 |
| 三 | 8％ | 600 | 2500 | 0.01 | 2500 | 0.5 | -500 |
Claims (3)
1、一种用溅射技术进行人工器官表面处理的方法，其特征在于，采用的靶材料为：钛-铌合金靶或钛-钽合金靶或钛-铌镶嵌靶或钛-钽镶嵌靶，合金靶或镶嵌靶的成份为：钽或铌的原子个数含量为0.1％～20％；在靶上施加直流电压，对靶进行直流磁控溅射，溅射电压-100～-1000V，溅射电流0.05～5安，样品台偏压0～-600伏，样品加热温度100～500℃，溅射时间6分钟～2小时，溅射压力为0.01～10帕，在人工器官表面获得钛-铌或钛-钽合金，然后进行氧化处理。
2、根据权利要求1所述的用溅射技术进行人工器官表面处理的方法，其特征在于：所述的氧化处理为：将溅射后镀有钛-钽或钛-铌合金薄膜的人工器官置于真空石英玻璃管中，利用热氧化工艺在人工器官表面得到钽或铌掺杂的钛-氧薄膜，控制薄膜性能的参数有：氧气压力0.1～10帕，加热温度400～900℃，氧化时间1分钟～2小时。
3、根据权利要求1所述的用溅射技术进行人工器官表面处理的方法，其特征在于：所述的氧化处理为：将溅射后镀有钛-钽或钛-铌合金薄膜的人工器官置于等离子体设备的真空室中，充入一定压力的氧气，利用射频或微波放电产生氧等离子体，这时人工器官浸没于氧等离子体气氛中，加热人工器官，并在人工器官上施加一定的脉冲电压，用等离子体氧化工艺在人工器官表面氧化得到钽或铌掺杂的钛-氧薄膜，氧气压力0.01～10帕，氧等离子体密度108～1013/立方厘米，加热温度100～600℃，施加脉冲负电压幅值0.2～3千伏，等离子体氧化时间1分种～2小时，脉冲负电压重复频率10～5000赫兹，脉冲宽度20～500μs。
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