CN1292717C - 涂覆有陶瓷的医疗器械和生物研究器械及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供绝缘性非常出色的涂覆有陶瓷的医疗器械及其制造方法，所述医疗器械对经过手术的生物组织和细胞不产生负面影响；涂覆有陶瓷的基因控制用针，它在使用期间对切片组织和刺入病变部位的针周围的细胞和组织没有带来破坏和不利影响如撕裂等损伤，它对穿刺针周围的组织不产生负面影响地切断细胞核或把免疫液等注入细胞核。为此，根据本发明，至少直接接触生物的金属部位涂覆有一个电阻率ρ为105Ω·m以上的绝缘性陶瓷覆膜，陶瓷覆膜的组织损伤程度TDD为0.4以下，其厚度为0.05μm-5.0μm，其表面粗糙度按照算数平均值表面粗糙度Ra为1.5μm以下，陶瓷覆膜包含从Al、B、Si和Cr的氮化物、碳化物或氧化物以及Ti的氧化物中选出的至少一种。

Description

涂覆有陶瓷的医疗器械和生物研究器械及其制造方法
技术领域
本发明涉及涂覆有陶瓷的金属医疗器械或生物研究器械及其制造方法。本发明尤其涉及在直接接触生物的金属部位上涂覆有陶瓷涂层的医疗器械或生物研究器械及其制造方法，所述医疗器械和生物研究器械主要包括医疗用针如注射针、用于肝活检/肾活检的穿刺针、缝合针等以及活检钳、镊子、手术剪、手术刀等。本发明还涉及涂覆有陶瓷的基因控制用针及其制造方法。
背景技术
近年的医学技术发生了令人注目的进步。例如，在肝脏和胰腺的检查中，为了获得由血检得不到的数据，广泛采用了这些检查方法，即利用回声的超声波检查、CT(计算机断层拍摄)检查、利用强磁和电波映出各种内脏截面图像的MRI(核磁共振成像)检查、通过细导管注入造影剂并显象出血管状态的血管造影检查等。
虽然通过血液检查或各种图像诊断能诊断出病巢如癌症的存在，但为了确诊，必须通过肝检查等进行病变组织病理学检查。通常在这样的检查中采用这样的方法，即直接将特殊的穿刺针刺入病变部位来采取组织片。但有人曾指出，在使用传统穿刺针的场合中，由于针材料由电气特性(电阻率ρ：10-6-10-8Ω·m)优良的导电金属如不锈钢、高强度钢等制成，所以对从病变部采集的组织片和刺入病变部的穿刺针周围的细胞和组织带来破坏和不利影响如撕裂。这种负面影响是由于1)氧化还原反应，2)加水分解3)与抗体如半抗原等结合(如参见S.G.Steinemann：Periodontology2000，17(1998)，页7-21)。
关于这一点，人们考虑到，如果使用陶瓷穿刺针(以下简称为“陶瓷穿刺针”或“陶瓷针”)，应不对取样组织片和刺入病变部位的穿刺针周围的细胞产生不利影响地。但是，陶瓷穿刺针和陶瓷针非常脆且易于折断，因此目前都不使用。
本发明人首先试图在普通金属穿刺针的外表面上形成陶瓷覆膜以获得不对取样组织片和刺入病变组织的穿刺针周围的细胞产生负面影响的穿刺针。
但是，如果在穿刺针的非常细的圆柱体表面上涂覆的陶瓷覆膜的附着性很差，则陶瓷覆膜在使用期间会脱落，所以不能实现预期目的。尤其是，穿刺针和注射针等在使用时不可避免地出现一定的弯曲，因此，陶瓷覆膜脱落的危险性增大。
例如，日本专利申请公开号平6-20464公开了医疗切开/压入器械，其中通过在医疗刀表面上涂覆金刚石薄膜来减小切开时的磨擦阻力。但是，上述金刚石薄膜是在加热基材到500℃-1300℃而形成的，由于基材与金刚石膜的热膨胀差很大，所以存在金刚石薄膜易于剥离的问题，并且它不适用于作为本发明对象的穿刺针等。
而最近，本发明人已发现这样的新事实，即当在铁素体不锈钢钢板上通过等离子体涂覆方式形成TiN陶瓷覆膜等后，在进行180℃弯曲塑性加工的场合下，TiN陶瓷覆膜在开裂位置上出现金属的独特的凹形并显示出局部的伸长[Inokuti；Yukio：在2001年的InternationalMetallographic Contest(2001年11月5-8日，IMS(InternationalMetallographic Society)和ASM(Amercian Society of Metals)在美国印第安纳波利斯召开的)上的获奖照片]。
该现象表明，非常脆的陶瓷覆膜也可以加工处理并与金属一样地在塑性加工时出现伸长。
因而，本发明人尝试着在高真空及高等离子体气氛中通过陶瓷涂覆法在不锈钢穿刺针的表面上形成TiN陶瓷覆膜。
结果发现，TiN陶瓷覆膜具有出色的穿刺针附着性，即便有一定程度的弯曲，也不会引起TiN陶瓷覆膜剥离。
不过，在采用覆有TiN陶瓷覆膜的穿刺针的场合下，也不能完全消除对取样组织片或刺入病变部的穿刺针周围的细胞和组织产生破坏和不利影响如撕裂等损伤，尽管这不象传统金属穿刺针那样严重。
发明内容
本发明的目的是解决上述问题并且提供一种涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械(以下简称为“医疗器械”)，它们例如在使用医疗用针如注射针、穿刺针、缝合针以及活检钳、镊子、手术剪、手术刀等时不对生物组织和细胞产生任何不利的影响。
本发明的另一个目的是提供一种涂覆有陶瓷的新型医疗用针，它在使用时不折损并且不对取样组织片和刺入病变部位的穿刺针周围的细胞产生不利影响。
本发明的另一个目的是提供一种涂覆有陶瓷的医疗用针，它在内表面上也涂有绝缘陶瓷涂层，因而即便对组织大量取样，也不会出现因这种组织片与金属面接触产生上述负面影响。
此外，在使用基因控制用陶瓷针的场合下，在切断细胞核和注入免疫液等时，也可能对细胞核产生不利影响。即，在涂覆有陶瓷的针的外表面被绝缘陶瓷涂层覆盖的情况下，尽管在穿刺细胞核的陶瓷针的周围没有出现任何损伤，但由于上述涂覆针太细以至针的内表面不一定会被绝缘陶瓷涂层覆盖上。因此，在细胞核切断和被注入免疫液等时，恐怕会因细胞核接触针内侧而产生负面影响。
本发明的目的是解决上述问题并且提供一种涂覆有陶瓷的新型基因控制用针及其制造方法和制造装置。其中通过在非常细的基因控制用针的内表面上可靠形成绝缘性陶瓷覆膜，在切断细胞核和注入免疫液等时，甚至没有对在针内部的细胞核产生不利影响，就更不用说对刺入细胞核的针周围的区域了。
本发明的目的是改进上述技术并提供一种涂覆有陶瓷的医疗器械的制造方法，其中，在形成陶瓷覆膜时，通过在铁基材与陶瓷覆膜(初始涂层)之间的界面上作为两者混合层地提高附着性并且进一步增大该陶瓷覆膜的至少最表层的电阻率ρ，增强了陶瓷覆膜的绝缘性及耐磨性。
以下是本发明的要点和组成。
1.涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，至少直接接触生物的金属部位涂覆有一个电阻率ρ为105Ω·m以上的绝缘性陶瓷覆膜，所述陶瓷覆膜的组织损伤程度TDD为0.4以下，并且所述陶瓷覆膜的厚度为0.05μm-5.0μm，所述陶瓷覆膜的表面粗糙度按照算数平均值表面粗糙度Ra为1.5μm以下，所述陶瓷覆膜包含从Al、B、Si和Cr的氮化物、碳化物或氧化物以及Ti的氧化物中选出的至少一种。
2.如1所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述医疗器械是活检钳、镊子、手术剪或手术刀。
3.如1所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述涂覆有陶瓷的医疗器械为注射针、穿刺针或缝合针之一。
4.如3所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的部分表面或整个表面涂覆有电阻率ρ为105Ω·m以上的绝缘性陶瓷覆膜。
5.如4所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的基材金属为不锈钢或高强度钢。
6.如4所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的陶瓷涂覆区是其外表面的一部分或全部以及其内表面的从针尖开始向内1mm以上的部分。
7.如6所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的基材金属为不锈钢或高强度钢。
8.如1所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述涂覆有陶瓷的生物研究器械为基因控制用针。
9.如8所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的陶瓷覆盖区是针的至少接触生物组织中的细胞核的那个部位的表面。
10.如8或9所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针具有0.0005mm-0.5mm的直径。
11.如8所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的涂覆陶瓷区与针外表面有关地是至少接触生物组织的部分，另一方面，与针内表面有关地，所述陶瓷涂覆区是接触生物组织中的细胞核的部分。
12.如11所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，针的内表面上的绝缘性陶瓷覆膜的覆盖区从针尖开始为10μm以上。
13.如11或12所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的基材金属为不锈钢或高强度钢。
14.如11或12所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的直径Φ为0.0005mm-0.5mm。
15.如13所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的直径Φ为0.0005mm-0.5mm。
16.如8所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的陶瓷涂覆区是针的外表面和内表面中的至少接触生物组织中的细胞核的那部分。
17.如16所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的内表面上的绝缘性陶瓷覆膜的覆盖区为从针尖开始10μm以上。
18.如16或17所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的基材金属为不锈钢或高强度钢等铁系金属。
19.如16或17所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的直径Φ为0.0005mm-0.5mm。
20.如18所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的直径Φ为0.0005mm-0.5mm。
21.涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其中在金属的医疗器械或生物研究器械的至少直接接触组织的金属部位上，通过干式电镀法涂覆上一层绝缘性陶瓷覆膜，所述陶瓷覆膜的电阻率ρ为105Ω·m以上，所述陶瓷覆膜的厚度为0.05μm-5.0μm，所述陶瓷覆膜的表面粗糙度按照算数平均值表面粗糙度Ra为1.5μm以下，所述陶瓷覆膜的组织损伤程度TDD为0.4以下，所述陶瓷覆膜包含从Al、B、Si和Cr的氮化物、碳化物或氧化物以及Ti的氧化物中选出的至少一种，并且在所述干式电镀法的后半段中，把5sccm-500sccm的O2通入涂覆气氛中。
22.如21所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，所述医疗器械是活检钳、镊子、手术剪和手术刀之一。
23.如21所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，所述医疗器械为注射针或穿刺针。
24.如23所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，平行于淀积粒子行进方向并且其尖端与行进中的淀积粒子相对地设置所述针，在所述针的至少针尖上通过干式电镀法形成有所述陶瓷覆膜。
25.如24所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，所述针的基材金属为不锈钢或高强度钢。
26.如23所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，在将从Al、B、Si和Cr氮化物、碳化物或氧化物中以及Ti的氧化物中选出的至少一种材料用作溅射靶并且在所述靶周围设置用于形成高等离子体氛围的磁铁和RF装置来防止异常放电的情况下，如此形成所述绝缘性陶瓷覆膜，即采用磁控管溅射法在所述针的外表面局部或全部上以及其内表面的从针尖向内至少1mm的部分上形成陶瓷覆膜。
27.如26所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，设置两个溅射靶并通过W阴极方式形成所述绝缘性陶瓷覆膜。
28.如26或27所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，如此设置所述针，即它与淀积粒子的行进方向平行并且针尖与行进中的淀积粒子相对。
29.如26或27所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，在磁控管溅射法的初始阶段，停止反应气体的供给。
30.如28所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，在磁控管溅射法的初始阶段，停止反应气体的供给。
31.如21所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，所述生物研究器械为基因控制用针。
32.如31所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，在与淀积粒子行进方向平行地并且其尖端与行进中的淀积粒子相对地设置所述针的同时，通过压差抽真空将所述针的内部保持在比针外部高的真空下，通过干式电镀法在所述针的至少针尖上形成所述绝缘性陶瓷覆膜。
33.制造涂覆有陶瓷的基因控制用针的制造系统，其特征在于，所述基因控制用针在至少直接接触生物的金属部位涂覆有一个电阻率ρ为105Ω·m以上的绝缘性陶瓷覆膜，所述陶瓷覆膜的组织损伤程度TDD为0.4以下，该制造系统在干式电镀装置的真空槽内部设有一个磁控管溅射装置、一个试样架以及压差高真空室，在与淀积粒子的行进方向平行地并且其尖端与行进中的淀积粒子相对地将是处理材料的针设置在该试样架上的同时，所述压差高真空室通过管子与所述针的尾端连接，通过压差抽真空作用，使所述针的内部保持在比其外部更高的真空条件下，从而在针的外表面和内表面上形成绝缘性陶瓷覆膜。
附图说明
图1是陶瓷涂层电阻率ρ与组织损伤程度(TDD)之间的关系图；
图2A表示根据本发明的活检钳；
图2B表示传统活检钳的；
图3A表示根据本发明的镊子；
图3B表示传统镊子；
图4A表示根据本发明的手术剪；
图4B表示传统手术剪；
图5是用于制造本发明的涂覆有陶瓷的针的一个优选磁控管溅射系统的示意图；
图6A表示试样架上的穿刺针的设置形态；
图6B是穿刺针的放大截面图；
图7是表示细胞核切断状态的透射电子显微镜(TEM)图像；
图8是用于制造本发明的涂覆有陶瓷的针的另一个优选磁控管溅射系统的示意图；
图9表示压差高真空抽气及处理室的细节；
图10是金属针尖的放大图；
图11是用于制造本发明的涂覆有陶瓷的针的另一优选磁控管溅射系统的示意图；
图12A表示在试样架上的穿刺针的设置形态；
图12B是穿刺针尖的放大图；
图13是电阻率ρ与导入氧气量之间的关系图；
图14表示在薄膜厚度方向上的通过GDS从表面测得的元素分析结果；
图15A表示在SiNx陶瓷涂覆前的针尖外表面的粗糙度特性(算数平均粗糙度Ra)；
图15B表示经过SiNx陶瓷涂覆的针尖外表面的粗糙度特性(算数平均粗糙度Ra)；
图16A表示在SiNx陶瓷涂覆前的针尖内表面的粗糙度特性(算数平均粗糙度Ra)；
图16B表示经过SiNx陶瓷涂覆的针尖内表面的粗糙度特性(算数平均粗糙度Ra)。
具体实施方式
本发明人为解决上述“背景技术”所述问题而进行了刻苦研究，结果发现，所有陶瓷材料不是肯定能被用作涂覆陶瓷，而必须是电阻率ρ高的绝缘材料。
图1用电阻率和组织损伤程度(TDD：通过显微镜观察的组织病理学检查)之间关系来表示这样的调查结果，即在使用在不锈钢基材表面上形成有电阻率ρ各不相同的陶瓷覆膜的穿刺针的场合下，对调查对生物组织的影响来表示。如此测定组织损伤程度(TDD)，即从细胞组织照片中对切断组织表面进行图象处理并求出凹凸线，按照JIS B0633(ISO4288)规定求出其算数平均粗糙度，然后根据转换公式“TDD＝0.0563Ra-0.0911”求到TDD值。如此定义该换算公式，即在借助传统不锈钢穿刺针切断的细胞组织切面的表面粗糙度Ra为10.5μm时，此时的TDD值为0.5，当用电阻率ρ无穷大的陶瓷针针切断的细胞组织的平均表面粗糙度Ra的最小值为3.4μm时，此时的TDD为0.1。如果TDD值为0.40以下或最好为0.35以下，则没有对生物组织产生破坏和由象撕裂等损伤带来的负面影响。
如图1所示，通过使用电阻率ρ至少为105Ω·m的涂覆陶瓷，实现了TDD值为0.40以下的良好结果。在图1中，电阻率ρ为7×10-6Ω·m的是没有涂覆陶瓷的不锈钢穿刺针，而电阻率ρ为3×104Ω·m的是涂有TiN陶瓷覆膜的穿刺针。在这所说的电阻率是指按照ASTMD-991规定并通过四探针法求出的体积电阻率。
本发明通过在高真空高等离子体气氛中采用陶瓷涂覆法而使高精度加工的金属针与绝缘性陶瓷覆膜之间的附着性加强。
即本发明的特征是形成通过铁基材与陶瓷膜的混合层形成复合结构(包括倾斜功能)并且巧妙地利用了各自所有的性能。
下面，详细描述本发明。
图5示意表示制造本发明的涂覆有陶瓷的针的优选磁控管溅射系统。图6A表示作为原材料的金属穿刺针的设置形态，图6B表示涂有陶瓷覆膜的穿刺针尖端的放大截面图。
在这些图中，符号1表示真空管，符号2表示试样架，符号3表示金属穿刺针。符号4表示构成靶的硅钢，符号5表示磁铁，符号6表示设在靶与磁铁之间的铜板，符号7表示铜板冷水管。另外，符号8表示反应气体入口，符号9表示电离硅粒子，符号10表示穿刺针固定夹，符号11、12表示分别形成于穿刺针3内、外表面上的陶瓷覆膜。
根据图5，电离硅粒子9在直接移向被固定在试样架2上的金属穿刺针3时与作为反应气体的氮气发生反应，从而形成SiNx。因此，SiNx被淀积在穿刺针3的表面上。
本发明的特征在于，在形成上述淀积粒子即SiNx陶瓷时，平行于淀积粒子地并且针尖与行进中的淀积粒子相对地设置穿刺针3。
穿刺针的这种设置形态允许淀积粒子有效地进入并附着到穿刺针d内。因此，如图6B所示，绝缘性陶瓷覆膜12有效地形成于穿刺针内表面上并且当然形成在它的外表面上。
在这里，穿刺针外表面的陶瓷膜涂覆不一定在整个针表面上进行，而是可以覆盖至少在使用时接触到生物组织的区域。
在这方面，穿刺针的内表面存在着类似的要求，在从针尖(孔底部)起向内至少延伸1mm的内部区域(在图6B中由’h’表示)上涂覆有陶瓷覆膜。这是因为，如果穿刺针内表面的从针尖开始向内延伸至少1mm的内部没有涂覆绝缘性陶瓷覆膜，则取样组织切片可能受到前述负面影响。陶瓷覆膜的覆盖最好是可以从针尖(孔底部)开始向内延伸约3mm-10mm。
接着，说明本发明的限制原因。
根据本发明，表现出出色的绝缘性、附着性和耐磨性的陶瓷覆膜形成在医疗器械的直接接触生物组织的金属部分上，这些医疗器械包括医疗用针如注射针、穿刺针和缝合针；活检钳、镊子、手术剪、手术刀等。
(1)涂覆基材
医疗器械基材可以是任何金属材料，但特别优选不锈钢和高强度钢。这是因为，不锈钢表面不会生锈且易于高精度加工。尤其可以有利地使用铁素体不锈钢。
典型的铁素体不锈钢的优选化学成分为C：0.01重量％以下、Si：1.0重量％以下、Mn：2.0重量％以下、P：0.08重量％以下、S：0.02重量％以下、Cr：10重量％-35重量％以及N：0.10重量％以下，余量为Fe和不可避免杂质。铁素体不锈钢可以进一步含有从Al：0.3重量％以下、Ni：1.0重量％以下、Mo：3.0重量％以下、Ti：1.0重量％以下、Nb：1.0重量％以下、V：0.30重量％以下、Zr：1.0重量％以下、Cu：1.0重量％以下、W：0.30wt％以下以及B：0.01重量％以下中的一种、两种或多种元素。
典型的高强度钢的优选化学成分为C：0.01重量％以下、Si：1.0重量％以下、Mn：2.0重量％以下、P：0.08重量％以下以及S：0.02重量％以下，余量为Fe和不可避免的杂质。
在不锈钢作为基材被用于制造医疗器械的情况下，例如，可以采取下面的方法。不锈钢材料经过连铸并紧接着进行热轧、冷轧和光亮退火，然后被精密加工成任何需要的形状。可以根据现有技术来执行这些步骤。
在采用高强度钢的情况下，一般采用这样的方法，即连铸、热轧、冷轧和退火、板两端焊接以及把加工成圆形。
(2)陶瓷覆膜
通过超声波清洗和电解抛光等来清洁所获得的这些医疗器械如注射针、穿刺针和缝合针、活检钳、镊子、手术剪及手术刀的金属表面，然后形成陶瓷覆膜。作为这样的陶瓷，使用电阻率ρ至少为105Ω·m的绝缘陶瓷是重要的，因为电阻率ρ至少为105Ω·m的陶瓷可以完全消除对所接触的组织片和病变部周围的细胞和组织产生破坏和如由撕裂等损失带来的负面影响。
电阻率ρ至少为105Ω·m的陶瓷可以有利地是从Al、B、Si、Cr和Ti的氮化物、碳化物或氧化物中选择的至少一种。
陶瓷覆膜的优选厚度在0.05μm-5.0μm的范围内，因为如果厚度为0.05μm以上，则难过确保足够高的绝缘性。另一方面，如果厚度为5.0μm以下，不仅能够简单确保陶瓷膜与基材的优良附着性，而且消避免涂覆的成本增加。用Stylus涂层厚度测试仪Alpha-step200(Tencor仪器有限责任公司生产的商用仪器)如此测量薄膜厚度，即测量在其它载玻片上的涂覆区与非涂覆区之间的高度差。
(3)陶瓷覆膜涂覆法
陶瓷覆膜涂覆法没有特别限制，但有利的涂覆法为干式电镀法。虽然能够进行高电离化和高速成膜的磁控管溅射法被优选用作干式电镀法，但也能使用其它方法，如RF离子电镀法(以下简称为“RF法”)、空心阴极放电法及电弧放电法等已知的如PVD涂覆法，还有CVD涂覆法和高等离子体CVD涂覆法。
在这里，借助磁控管溅射法的陶瓷覆膜的优选条件如下所示。
在进行SiNx涂覆并以硅钢为靶的情况下，最佳涂覆条件为输入功率5kW-30kW，真空度0.8×10-3-3×10-3Torr，氩气50sccm-1000sccm，氮气50sccm-1000sccm(每分钟的标准立方厘米)。
(4)涂覆陶瓷部位
涂覆到象注射针、穿刺针和缝合针、活检钳、镊子、手术剪以及手术刀等的本发明医疗器械上的陶瓷覆膜不必涂覆在其整个表面上，只要对至少在使用时直接接触生物组织的各个部位进行涂覆就行。
作为本发明实例地，在图2A、3A和4A中分别示出了活检钳、镊子和手术剪。而图2B、3B和4B分别表示目前的医疗器械。
作为本发明主题的针不局限于上述穿刺针和注射针，它也可以包括任何刺入生物组织的医疗用针如造影剂注入用造影针或针刺疗法用针。
不过，上述涂覆法不能获得绝缘性出色的陶瓷覆膜。
因此，本发明人为改进此点而进行了刻苦研究，结果发现，在干式电镀法中，通过提高涂覆气氛中的O2浓度可有效地提高陶瓷覆膜的绝缘性。即，在提高涂覆气氛中的O2浓度的场合下，陶瓷覆膜在是Al、B或Si系的场合下能得到电阻率ρ为109Ω·m的非常出色的绝缘性。
另外，甚至在过去很难得到105Ω·m电阻率ρ的Cr或Ti系陶瓷覆膜的情况下，通过增大涂覆气氛中的O2浓度，获得了电阻率ρ为105Ω·m的出色绝缘性。
但同时发现，当在干式电镀法初始阶段内增大涂覆气氛中的O2浓度时，降低了所形成的陶瓷覆膜的附着性。
因此，本发明规定只在干式电镀法的后半阶段增大涂覆气氛中的O2浓度。
应在涂覆气氛中导入氧气的干式电镀法的后半阶段是在铁基材与陶瓷的混合层中的含铁百分比减少到20重量％以下(最好是10重量％以下)的阶段。如果此阶段是根据形成的陶瓷覆膜的厚度来表示的，则相应的薄膜厚度等于整个薄膜厚度的10％-50％。当在涂覆法的前面阶段内增大涂覆气氛的O2浓度时，当铁基材与陶瓷的混合层中的含铁百分比超过20wt％时，所产生的陶瓷覆膜的附着性下降，因此，不能实现电阻率ρ≥105Ω·m。
图13表示在用磁控管溅射法在穿刺针表面形成厚1.0μm的SiNx陶瓷覆膜时的涂覆SiNx陶瓷的穿刺针的电阻率ρ与导入氧气量之间的关系。此外，只在磁控管溅射法的后面阶段(表面涂覆部分的厚度：0.5μm)才导入氧气。
如图13所示，通过输入氧气，显著增大电阻率ρ。尤其是当导入氧气量为5sccm以上时，电阻率ρ增大到109Ω·m以上，而当导入氧气量为50sccm以上时，电阻率ρ被明显增大到1013Ω·m以上。但当导入氧气量超过500sccm时，电阻率ρ的增大作用达到饱和。因此，本发明把在干式电镀法的后面阶段导入涂覆气氛中的氧气限制到5sccm-500sccm并最好是50sccm-500sccm。
图14表示当通过辉光放电分析来检测时的Fe、N、O和Si在SiNx陶瓷覆膜厚度方向的分析结果。
如图14所示，各成分浓度在膜厚方向上变化。尤其是，O在从表面起的0.5μm深的区域内很多。这意味着，陶瓷覆膜在厚度方向上具有倾斜功能，由此可以得到附着性、绝缘性和耐磨性出色的陶瓷覆膜。
在这里，作为要形成陶瓷覆膜，如上所述地，有利地采用从Al、B、Si、Cr和Ti的氮化物、碳化物或氧化物中选择的至少一种。
陶瓷覆膜厚度最好为0.05-5.0μm，因为至少为0.05μm厚的陶瓷覆膜确保了足够高的绝缘性。另一方面，厚度为5.0μm以下的陶瓷覆膜不仅易于获得与基材的优良附着性，而且能够避免与涂覆有关的成本增加。
在进行本发明的干式电镀法时，在要涂覆的陶瓷覆膜为氮化物或碳化物的情况下，尽管能够将单一材料(金属材料)用作靶，但在要涂覆陶瓷覆膜为氧化物的情况下，最好是把氧化物用作靶。
在形成陶瓷覆膜时，利用在靶周围设置磁铁的RF装置可以有利地得到高等离子提气氛并获得出色的电阻率。
要涂覆在本发明的医疗器械如医疗用针如注射针、穿刺针、缝合针、活检钳、镊子、手术剪和手术刀等上的陶瓷覆膜不必被涂覆在其整个表面上。陶瓷覆膜只要形成在至少在其使用时直接接触生物组织的各个部位上就行。
图11表示根据本发明的另一个系统，它是获得无异常放电的良好等离子体气氛的装置。根据图11，淀积粒子(电离硅粒子)9在直接移向被固定在试样架2上的金属穿刺针3时与O2气反应，从而作为SiO2被淀积在穿刺针3的表面上。此外，来自靶的蒸发粒子没有全被电离成硅粒子，其中一些仍然作为SiO2粒子地附着在金属穿刺针3上，没有被分离成Si和O2。
根据本发明，绝缘材料如SiO2如上所述地被用作靶，通过在靶附近设置形成高等粒子体气氛的磁铁21和RF装置19，可以产生无异常放电的高等离子体气氛。因此，可以不降低陶瓷覆膜附着性地制造出绝缘性出色的穿刺针。此外，20是RF装置的电源。
本发明通过使用两个绝缘性溅射靶并采用使这些靶交替放电的W阴极方式而能够更有效地防止靶表面的异常放电并同时能够实现高速成膜。
如上所述，本发明把绝缘材料用作靶，因此与使用普通的金属靶/半金属靶的情况相比，与基材的附着性略微降低。但本发明可以获得要比在使用金属靶/半金属靶途中得到反应性陶瓷覆膜的方法更出色的绝缘性。
陶瓷覆膜的优选厚度为0.05μm-5.0μm，因为厚度至少为0.05μm的陶瓷覆膜确保了足够高的绝缘性。另一方面，厚度为5.0μm以下的陶瓷覆膜不仅易于获得与基材的优良附着性，而且能够避免与涂覆有关的成本增加。
本发明陶瓷覆膜的涂覆方法如上所述地没有特殊限制。但是，有利的涂覆方法为干式电镀法。关于干式电镀法，最好采用可高离子化和高速成膜的并且陶瓷膜控制容易且涂覆容易的磁控管溅射法。
在这种情况下，最好在阴极周围或上部设置用于形成高等离子体气氛的磁铁21以及RF装置19，以便在防止异常放电以及稳定地进行在高等离子体气氛中的涂覆。此时，如果采用使这两个溅射靶交替放电的W阴极方式，则更有效地防止异常放电。
在这里，通过磁控管溅射法形成陶瓷覆膜的优选条件如下。
例如，烧结的SiO2靶可被用于SiO2涂覆，而烧结的SiNx靶可以被用于SiNx涂覆。在这里，最佳涂覆条件是输入功率5kW-50kW，真空度0.8×10-4-3×10-3Torr，氩气：50sccm-1000sccm，以及反应气体(O2气或N2气)：50sccm-2000sccm。
在使用绝缘靶并在反应气体流动情况下以氮化物、碳化物或氧化物的形式涂覆所有粒子的情况下，与基材针的附着性要比使用金属靶并在粒子电离化状态下进行涂覆的场合相比略低。因此，在涂覆初期阶段中，不供应反应气体如O2或N2地在有一些电离化粒子的状态下进行涂覆，这对防止附着性恶化有利。
作为本发明主题的针不局限于上述穿刺针、注射针和缝合针，它可以包括用来如注入造影剂的造影针、刺入生物中的医疗用针。
如上所述，本发明的特征在于，陶瓷绝缘材料如烧结的SiO2而不是金属材料被用作靶以便形成绝缘性出色的陶瓷涂覆薄膜，通过在阴极周围设置用于形成高等离子体气氛的磁铁21和RF装置19，在无异常放电的良好等离子体气氛中进行绝缘性高的陶瓷涂覆。
本发明人用本发明的上述涂覆有陶瓷的穿刺针来采集老鼠肝脏组织并用透射电子显微镜进行详细观察，结果发现以下新事实。
a)用涂覆有陶瓷的穿刺针抽出的组织表面比用传统不锈钢穿刺针抽出的组织表面要光滑得多。
b)看到了用涂覆有陶瓷的穿刺针抽出的细胞核的一部分如图7的透射电子显微镜图像所示地被切断。
这样，具有高绝缘性陶瓷覆膜的陶瓷涂覆针对生物组织和细胞产生的破坏和负面影响如撕裂等。
因此，本发明人对是否适用于广泛的技术范围中进行了研究，以便发现陶瓷涂覆针所具有的上述优点也可用于除医疗以外的领域。
因此，本发明人发现，本发明在活体检查且尤其是基因控制领域有出色的效果。
在基因控制领域中，玻璃或陶瓷针已被普遍用来切断细胞核或把免疫液注入细胞核中。但这些针具有下列缺点：
1)切断细胞核或把免疫液等注入细胞核中的基因控制用针必须非常细。例如，细胞核具有2μm-5μm左右的直径，因此，针的尺寸必须与之相当以便实现基因控制。但是，形成这种玻璃或陶瓷细针非常难，因此，现有技术能实现的最小尺寸为约0.7μm。
2)通常，直径为0.7μm左右的针已被用来切断细胞核或注射免疫液。但这种针不利地具有较低的切断性，所以受到作为细胞核保护层的核膜的阻力，而很难真正完成细胞核的精确切断和免疫液等的注入。
3)因为玻璃或陶瓷太脆，以至当然难于用玻璃或陶瓷制成细针。另外，这种玻璃或陶瓷针在使用时易碎，因而难于操作。
在这方面，本发明人在上述发现的基础上用于控制基因地制作出极细的陶瓷涂覆针，利用该针进行细胞核切断和注入免疫液等试验。结果证明，这种陶瓷涂覆针能够精确切断细胞中的细胞核的一部分，允许基因控制用针不对穿刺针周围的细胞和组织造成破坏和由撕裂等损伤带来的负面影响。本发明基于上述发现。
以下，将详细描述本发明。
为实现本发明希望的借助细胞核切断和注入免疫液的基因控制，必须使用与细胞核一样粗细的超细针。
作为细胞核，大的例如是卵子(直径：25μm)的核，小的例如是普通的细胞核(直径：约2μm-5μm)。
下面将说明限制本发明的涂覆有陶瓷的基因控制用针的原因。
(1)涂覆有陶瓷的基因控制用针的直径
为把免疫液注入细胞核，针直径不必小于细胞核直径，而可以是针尖可以扎入细胞核以注射免疫液的尺寸。但是，按照注射免疫溶液量的精确控制，当然，针有约为细胞核大小的1/4-1/5的尺寸，以允许针尖全部进入细胞核，这是有利的。
因此，本发明限定涂覆有陶瓷的基因控制用针的优选尺寸范围是0.0005mm-0.5mm。
(2)涂覆有陶瓷的基因控制用针的基材
虽然任何金属材料都可用作超细针基材，但尤其优选不锈钢。原因是，不锈钢表面不会生锈并且易于高精度加工。尤其可以有利地使用铁素体不锈钢。
在不锈钢被用作基材地制造基因控制用针的情况下，如可以采用下面的方法。不锈钢材料经过连铸和随后的热轧、冷轧和光亮退火，然后被精密加工成任何所需形状。可以根据现有技术来执行这些步骤。随后，使用先进的精密加工技术把所产生的针精加工成直径为0.0005mm-0.5mm。
(3)涂覆有陶瓷的基因控制用针的陶瓷覆膜
通过超声波清洗或电解抛光等清洁所产生的针的表面，然后涂覆上陶瓷覆膜。使用电阻率ρ至少为105Ω·m的绝缘陶瓷是重要的。这是因为，电阻率ρ至少为105Ω·m的陶瓷可以完全消除对针接触的病变区和目标细胞核的切片组织和细胞的负面影响。
(4)涂覆有陶瓷的基因控制用针的制造方法
下面对通过使用干式电镀技术在基因控制用针的内、外表面上覆盖陶瓷覆膜的方法进行描述。
图8表示了最好被用来制造根据本发明的涂覆有陶瓷的基因控制用针的磁控管溅射系统。
在图8中，符号1表示真空管，符号13表示包括一个试样架和金属针的处理室，符号4表示作为靶的硅钢，符号5表示磁铁，符号6表示放在靶与磁铁之间的铜板，符号7表示铜板冷水管。另外，符号8表示反应气体的入口。另外，箭头14表示真空管1内的空气被抽出(约5×10-4Torr)的方向，箭头15表示维持金属针内部处于较高真空(至少为5×10-5Torr，或至少为6.65×10-3Pa)的高真空压差抽气，符号9表示电离硅粒子。符号16表示压差高真空室。
参见图8，电离硅粒子9在直接移向被固定在试样架2上的金属穿刺针3时在处理室13内与作为反应气体的氮气发生反应，从而在穿刺针3的表面上以SiNx形式淀积。但是，穿刺针3太细，以至等离子体蒸气流非常难侵入针中。
根据本发明，在先进的压差抽真空技术被用来产生针大于针外部的内部真空度的情况下，改进了金属针3的设置形态。在这里，进行允许等离子体流进入针内部的用于SiNx淀积的等离子体涂覆法。
现在参见图9，详细描述高真空压差抽气和处理室的过程。
图9中，符号3表示金属基因控制用针，符号2表示试样架，符号10表示基因控制用针3的固定夹，符号17表示使基因控制用针3与压差高真空室16互连的管，符号18表示连接管17与压差高真空室16的接头。
如图9所示，本发明的第一特征在于，在形成SiNx陶瓷覆膜的汽相淀积法中，金属针3被设置成与淀积粒子的行近方向平行并针尖与行进淀积粒子相对。
这种设置形态有效地允许淀积粒子进入并粘附到金属针3的内部。
本发明的第二特征在于，金属基因控制用针3与压差高真空室16相连，所以在金属针3内部的真空度大于金属针3外部的真空度的情况下，通过压差抽真空技术实现了等离子体涂覆。
使用这种压差抽真空技术能更有效地允许淀积粒子进入金属针3内并且淀积在那里。结果，陶瓷覆膜的覆盖情况比不使用压差抽真空技术时更进一步向金属针3内延伸。
实际上，当陶瓷覆膜根据本发明地被覆盖在金属针3上时，绝缘性陶瓷覆膜不仅被有效地形成在金属针3的外表面，而且被形成在其内表面，如图10所示。在图中，符号11表示覆盖在金属针3的外表面上的陶瓷覆膜，而符号12表示覆盖在它内表面上的陶瓷覆膜。
在此优选的是，内、外压差真空度之差为至少4.5×10-4Torr，虽然这种差可以根据金属针的直径而变化。
关于把空气从真空管中抽出的抽真空机，一扩散泵可以足以用作此目的。但是，实现压差高真空的真空泵必须是能够容易实现高真空的泵。这种泵的例子包括Crio泵和涡轮泵。
金属基因控制用针内、外表面上的陶瓷覆膜不必覆盖针的整个表面。外表面上的陶瓷覆膜只需覆盖至少接触生物组织的部分，而内表面上的陶瓷覆膜只需覆盖接触生物组织中细胞核的部分。
尤其是，外表面涂覆有陶瓷的区域为至少1mm或最好是从金属针尖开始10mm，而内表面涂覆有陶瓷的区域为至少10μm或最好是从金属针尖开始1mm(图10中由’h’表示)。
下面是通过磁控管溅射法形成陶瓷覆膜的优选条件。
在SiNx涂覆把硅钢用作靶的情况下，如，最佳涂覆条件为输入功率5kW-30kW，真空度(真空管内)0.8×10-3Torr-3×10-3Torr，Ar气50sccm-1000sccm，N2气50sccm-1000sccm。通过在等离子体涂覆法期间内或其后面阶段中导入约5sccm-500sccm的O2气，可以获得电阻率为至少109Ω·m的绝缘性很高的陶瓷覆膜。
(5)涂覆有陶瓷的遗传控针的表面粗糙度Ra
使涂覆有陶瓷的遗传控针的表面光滑明显减少了因针切断细胞核或注入免疫液而引起的细胞核形态缺陷，如切面或接触面的撕裂。
因此，最好是把陶瓷覆膜的表面粗糙度Ra限制为1.5μm以下，或更好是1.3μm以下。下面将说明进行限制的原因。
前述磁控管溅射法被用来在直径为0.1mm的不锈钢针的内、外表面上形成0.7μm厚的SiNx陶瓷覆膜。检查针尖部分内、外表面上的SiNx陶瓷覆膜的表面粗糙度。
在此检查中，同样也检测不锈钢针内、外表面的预涂表面粗糙度，然后把先涂与后涂的表面粗糙度进行对比。
上面的检查使用Belty有限责任公司(德国)制造的商用表面结构测量仪并且根据JIS B0633(ISO4288)来测定算数平均表面粗糙度Ra。因为针太细以至无法对内表面进行精确测量，所以类似的SiNx陶瓷覆膜形成在粗1.5mm的不锈钢针上并且进行测量。测量条件是切除值λc：5μm，而测量范围ln：5mm。
为了对比，图15A和15B显示了淀积SiNx薄膜前后的针尖外表面的粗糙特性(算数平均粗糙度Ra)。为了对比，图16A和16B显示了淀积SiNx薄膜前后的针尖内表面的粗糙特性(算数平均粗糙度Ra)。
如图15A、15B所示，不锈钢针在内、外表面具有2μm量级的算数平均粗糙度Ra。相反，形成有SiNx陶瓷覆膜的不锈钢针在内、外表面的算数平均粗糙度Ra被提高到1.2μm以下。
降低陶瓷涂覆薄膜表面粗糙度的特别有效的方法是采用前述涂覆法，其中在干式电镀法的后面阶段把O2导入气氛中，从而给陶瓷覆膜提供厚度方向上的倾斜功能。涂覆法给陶瓷覆膜的表面粗糙度Ra提供了稳定降低到1.3μm以下。
如上所述，通过使针在高密度等离子体气氛中经过SiNx陶瓷涂覆法而戏剧性地使针的内、外表面变光滑。因此，这种针的使用产生了细胞组织或细胞核的光滑切断。
另外，陶瓷覆膜的光滑表面有助于显著减少因针切断细胞核或注入免疫液而引起的细胞核形态缺陷的发生，如切面或接触面撕裂。
因此，本发明的陶瓷覆膜最好是具有1.5μm以下或更好是1.3μm以下的表面粗糙度Ra。
例1
含有C：质量0.039％、Si：质量0.25％、Mn：质量0.12％、P：质量0.008％、S：质量0.012％和Cr：质量18.9％以及余量为Fe和不可避免杂质的铁素体不锈钢经过连铸和随后的热轧、冷轧和光亮退火，然后被高精度加工成活检钳、镊子、手术剪和手术刀。
随后，医疗器械被进行超声波清洗并且经过图5图解说明的用来在图2A-图4A所示的个别部位上形成不同陶瓷覆膜的磁控管检溅射法。尤其是，SiNx薄膜形成在活检钳上，SiO2薄膜形成在镊子上，BN薄膜形成在手术剪上，而Al2O3薄膜形成在手术刀上。为了对比，TiN薄膜形成在活检钳上。所有的涂覆薄膜具有约1μm的厚度。与前述方式相同地使用Stylus涂覆厚度测试仪Alpha-step200(Tensor仪器有限责任公司制造的商用产品)来完成厚度测量。即根据载玻片上涂覆区与非涂覆区域之间的高度差来确定膜厚。
检查产生的包括活检钳、镊子、手术剪和手术刀的医疗器械的陶瓷覆膜的绝缘性(电阻率ρ)和附着性。结果列在表1中。
如下地检测陶瓷覆膜的附着性。与上述方式相同地在不锈钢上形成各种陶瓷覆膜以准备涂覆有陶瓷的不锈钢。每个涂覆有陶瓷的不锈钢被缠绕在每个不同直径棒周围以根据不出现陶瓷覆膜分层的棒的最小直径来评估附着性。20mm以下的直径被评级为优良附着性(○)。20mm-30mm以下的直径被评级为可接受的附着性(□)而大于30mm的最小直径被评级为较差附着性(X)。如上所述，通过电阻率系数测量的四探针法来检测电阻率ρ。ρ＝∞的电阻率表示至少电阻率ρ为109Ω·m。
如表1所示，所有根据本发明的医疗器械具有非常出色的绝缘性和优良的薄膜附着性。
例2
按质量百分比地含C：0.033％、Si：0.20％、Mn：0.15％、P：0.008％、S：0.008％和Cr：17.7％及余量为Fe和不可避免的杂质的铁素体不锈钢经过连铸和随后的热轧、冷轧和光亮退火，然后被精密加工成穿刺针(外径2.0mm，长170mm)、活检钳、镊子、手术剪和手术刀。
随后，医疗器械被进行超声波清洗并且经过图5图解说明(在某些步骤中也使用的RF装置)的用来在高等离子体气氛中形成各种列于表2中的陶瓷覆膜的磁控管检溅射法。在该涂覆法中，在普通的涂覆气氛中完成前面的阶段，而在被导入不同量氧气的空气中完成后面的阶段(表面涂覆部分的厚度：0.5μm)。所有的涂覆薄膜具有约1.0μm的厚度。与例1一样地进行厚度测量。涂覆条件为输入电源6kw，Ar气100sccm，N2气130sccm(序号1，3，5)。
检查产生的包括活检钳、镊子、手术剪和手术刀的医疗器械的陶瓷覆膜的绝缘性(电阻率ρ)和附着性。结果列在表2中。
如下地检测列于表2中的陶瓷覆膜的附着性。通过同样的方式在不锈钢上形成各陶瓷覆膜以准备一涂覆有陶瓷的不锈钢。每个涂覆有陶瓷的不锈钢被缠绕在每个不同直径棒周围以根据不出现陶瓷覆膜分层的棒的最小直径来评估附着性。根据与例子1相同的标准来评估陶瓷覆膜的附着性。类似于例子1，通过电阻率系数测量的四探针法来检测电阻率ρ。P＝∞的电阻率表示电阻率ρ至少为109Ω·m。
如表2所示，所有本发明的医疗器械具有非常出色的绝缘性和优良的薄膜附着性。
例3
按质量百分比地含C：0.03％、Si：0.2％、Mn：0.15％、P：0.010％、S：0.010％和Cr：18.8％及余量为Fe和不可避免的杂质的铁素体不锈钢材料(a)以及按质量百分比地含C：0.05％、Si：0.3％、Mn：0.20％、P：0.012％、S：0.011％、Cr：19.1％、Ni：9.1％和Mo：0.25％及余量为Fe和不可避免的杂质的奥氏体不锈钢材料(b)分别经过连铸、和随后的热轧、冷轧和光亮退火，然后被精密加工成外径为0.8mm、长200mm的造影剂针。在进行超声波清洗之后，在如图5所示的在高等离子体气氛中形成SiNx薄膜的磁控管溅射系统中设置这些造影剂针。
磁控管溅射法在Ar：100sccm以及N2：65sccm的条件下形成了厚度为0.8μm的SiNx陶瓷覆膜。与例子1相同方式地采用厚度测量。SiNx薄膜在外表面上的覆盖区域为从针尖开始的70mm，而在内表面上的覆盖区域为从针尖开始(针孔底部)的6mm。
表3显示了对使用各种产生的涂覆有陶瓷的造影剂针采集的组织的组织损伤程度(TDD)和各SiNx陶瓷覆膜的附着性的检查结果。
如下地检测陶瓷覆膜的附着性。通过同样的方式在不锈钢上形成每个陶瓷覆膜，从而准备出涂有陶瓷的不锈钢。涂覆有陶瓷的不锈钢被缠绕在每个不同直径棒周围以根据不出现陶瓷覆膜分层的棒的最小直径来评估附着性。根据与例子1相同的标准来评估陶瓷覆膜的附着性。类似于例子1，通过电阻率系数测量的四探针法来检测电阻率ρ。P＝∞的电阻率表示电阻率ρ至少为109Ω·m。
为了对比，表3也表示由铁素体不锈钢(a)形成的与没有陶瓷覆膜的造影剂针的结果。
如表3所示，根据本发明的陶瓷针具有优良的薄膜附着性并且取样组织表现出0.15以下的优良TDD值。
例4
按质量百分比地含C：0.03％、Si：0.3％、Mn：0.12％、P：0.011％、S：0.009％和Cr：16.9％以及余量为Fe和不可避免的杂质的铁素体不锈钢材料经过连铸和随后的热轧、冷轧和光亮退火，然后被精密加工成外径为2.1mm、长170mm的活检用针(以下简称为“活检针”)。在进行了超声波清洗之后，该活检针经过了图5中图解说明的用来在高等离子体气氛中形成列于表4中的各种SiNx薄膜的磁控管溅射法。以与例子1相同的方式采用厚度测量。在此方法中，与图5所示方式相同地设置该活检针。
表4显示了对使用各种产生的涂覆有陶瓷的针采集的组织的组织损伤程度(TDD)和陶瓷覆膜的附着性的检查结果。根据与例子1相同的标准来评估陶瓷覆膜的附着性。类似于例子1，通过电阻率系数测量的四探针法来检测电阻率ρ。P＝∞的电阻率表示电阻率ρ至少为109Ω·m。
如表4所示，在根据本发明形成电阻率ρ至少为109Ω·m的绝缘性陶瓷覆膜的情况下，采集的组织的TDD值被减小到0.35以下。因此，这种针的使用完全不仅消除了对刺入病变部位的针周围的细胞的负面影响，而且消除了对切片组织的负面影响。
例5
按质量百分比地含C：0.033％、Si：0.3％、Mn：0.13％、P：0.009％、S：0.011％和Cr：17.9％以及余量为Fe和不可避免的杂质的铁素体不锈钢材料经过连铸和接着的热轧、冷轧和光亮退火，然后被精密加工成外径为0.9mm、内径为0.75mm、长230mm的穿刺针。在进行超声波清洗之后，针被设置在图11所示的用来在高等离子体气氛中形成各种1.0μm厚陶瓷覆膜的磁控管溅射法。与例1一样地进行厚度测量。
在此方法中，当列于表5中的每种不同材料被用作溅射靶时，与图11所示方式相同地设置这些穿刺针。尤其是使用表5中的靶号2或4时，使用W阴极系统。
通过磁控管溅射法在外表面上形成的陶瓷覆膜的覆盖区域为从针尖开始的50mm-80mm量级，而在内表面上形成的陶瓷覆膜的覆盖区域为从针尖(针孔底部)开始的5mm-8mm量级。
表5显示了对涂覆有陶瓷的穿刺针上的陶瓷覆膜的附着性和绝缘性(电阻率ρ)的检查结果。
如下地检测陶瓷覆膜的附着性。根据与例子1相同的标准来评估陶瓷覆膜的附着性。通过同样的方式在不锈钢上形成每个陶瓷覆膜以准备一涂覆有陶瓷的不锈钢。每个涂覆有陶瓷的不锈钢被缠绕在每个不同直径棒周围以根据不出现陶瓷覆膜分层的棒的最小直径来评估附着性。根据与例子1相同的标准来评估陶瓷覆膜的附着性。类似于例子1，通过电阻率系数测量的四探针法来检测电阻率ρ。P＝∞的电阻率表示电阻率ρ至少为109Ω·m。
如表5所示，根据本发明的这些涂覆有陶瓷的针具有非常出色的绝缘性和良好的薄膜附着性。
例6(以细胞核大的卵子(约25微米)为对象的例子)
按质量百分比地含C：0.030％、Si：0.22％、Mn：0.18％、P：0.009％、S：0.008％和Cr：17.9％以及余量为Fe和不可避免的杂质的铁素体不锈钢材料经过连铸和随后热轧、冷轧和光亮退火，然后被精密加工成外径为0.2mm、内径为0.15mm而长度为100mm的金属针。在进行超声波清洗之后，借助图8、9所示的磁控管溅射法，该金属针涂上SiNx薄膜。
磁控管溅射法在Ar：100sccm以及N2：150sccm的条件下形成了厚度为0.7μm的SiNx陶瓷覆膜。与例子1相同方式地采用厚度测量。SiNx薄膜在外表面上的覆盖区域为从针尖开始的50mm，而在内表面上的覆盖区域为从针尖开始(针孔底部)的8mm。
当涂覆SiNx陶瓷的针被用来把一免疫溶液注入一卵细胞中时，陶瓷针尖端光滑进入卵细胞并可以精确地注入定量免疫液。
该针基本上对生物组织不产生负面影响，呈现出0.33的组织损伤程度(TDD)。
例7(以细胞核小的淋巴球细胞的核(约3微米)为对象的例子)
按质量百分比地含C：0.045％、Si：0.34％、Mn：0.25％、P：0.010％、S：0.007％和Cr：16.9％以及余量为Fe和不可避免的杂质的铁素体不锈钢材料经过连铸和随后的热轧、冷轧和光亮退火，然后被精密加工成外径为0.005mm、内径为0.002mm、长50mm的金属针。在进行了超声波清洗之后，借助图8和9所示的磁控管溅射法(在某些步骤中也使用的RF装置)，该金属针被涂有0.5μm厚的BN薄膜。与例1一样地进行厚度测量。
当涂覆BN陶瓷的针被用来切断细胞核时，可以在预期位置实现细胞核的精确切断。
作为必然结果，该针基本上对生物组织不产生负面影响，呈现出0.30的组织损伤程度(TDD)。
例8
按质量百分比地含C：0.039％、Si：0.28％、Mn：0.26％、P：0.012％、S：0.009％和Cr：18.3％以及余量为Fe和不可避免的杂质的铁素体不锈钢材料经过连铸和随后的热轧、冷轧和光亮退火，然后被精密加工成外径为0.005mm、内径为0.002mm、长50mm的不锈钢针。在进行了超声波清洗之后，借助图8和9所示的磁控管溅射法，该针在高等离子体气氛中被涂有SiNx薄膜。磁控管溅射法在Ar：100sccm以及N2：130sccm的条件下形成了厚度为0.5μm的SiNx陶瓷覆膜。与例1一样地进行厚度测量。
在此方法中，针外表面上的真空被控制到1.5×10-3Torr，而针内表面上的真空被控制到5.0×10-5Torr。
SiNx薄膜在外表面上的覆盖区域为从针尖开始的5mm，而在内表面上的覆盖区域为从针尖开始(针孔底部)的20μm。
当涂覆SiNx陶瓷的针被用来切除一细胞核时，可以在预期位置实现细胞核的精确切除。
作为必然结果，该针基本上对生物组织不产生负面影响，呈现出0.30的组织损伤程度(TDD)。
例9
按质量百分比地含C：0.03％、Si：0.06％、Mn：1.3％、P：0.031％、S：0.012％和Cr：17.9％以及余量为Fe和不可避免的杂质的铁素体不锈钢材料经过连铸和随后的热轧、冷轧和光亮退火，然后被精密加工成内外径不同的金属针。在进行了超声波清洗之后，借助图8和9所示的磁控管溅射法，这些针在高等离子体气氛中涂覆上不同的陶瓷覆膜。所形成的薄膜具有1.0μm的厚度。与例1一样地进行厚度测量。
在此方法中，当列于表6中的每个不同材料被用作溅射靶时，以与图9相同地方式设置这些金属针。
表6显示了对这些涂覆有陶瓷的针上的陶瓷覆膜的附着性和绝缘性(电阻率ρ)的检查结果。
如表6所示，根据本发明的这些涂覆有陶瓷的针具有非常出色的绝缘性并且表现出较低值的良好结构损伤程度。
例10
按质量百分比地含C：0.042％、Si：0.31％、Mn：0.21％、P：0.011％、S：0.008％和Cr：17.9％以及余量为Fe和不可避免的杂质的铁素体不锈钢材料经过连铸和随后的热轧、冷轧和光亮退火，然后被精密加工成外径为0.005mm、内径为0.002mm、长50mm的不锈钢针。在进行超声波清洗之后，借助图8和9所示的磁控管溅射法，这些针在高等离子体气氛中被涂有SiNx薄膜。磁控管溅射法在Ar：100sccm以及N2：130sccm的条件下形成了厚度为0.5μm的SiNx陶瓷覆膜。与例1一样地进行厚度测量。
在此方法中，针外表面上的真空被控制到1.60×10-1Pa(1.2×10-3Torr)，而针内表面上的真空被控制到9.31×10-3Pa(7.0×10-5Torr)。
SiNx陶瓷覆膜在外表面上的覆盖区域为从针尖开始的50mm，而在内表面上的覆盖区域(在图10中由’h’来表示)为从针尖开始(针孔底部)的50μm。
产生的涂覆SiNx陶瓷的针具有1.1μm的表面粗糙度。当此针被用来切除一细胞核时，可以在一预期位置实现细胞核的精确切除。
作为必然结果，该针基本上对生物组织不产生负面影响，如损伤或撕裂，呈现出0.29的组织损伤程度(TDD)。
例11
按质量百分比地含C：0.033％、Si：0.22％、Mn：0.13％、P：0.009％、S：0.012％和Cr：18.6％以及余量为Fe和不可避免的杂质的铁素体不锈钢材料经过连铸和随后的热轧、冷轧和光亮退火，然后被精密加工成内外径不同的金属针。在进行了超声波清洗之后，借助图8和9所示的磁控管溅射法，这些针在高等离子体气氛中涂上不同的陶瓷覆膜。所形成的薄膜具有1.0μm的厚度。与例1一样地进行厚度测量。
在此方法中，当列于表7中的每个不同材料被用作溅射靶时，以与图9相同地方式设置这些金属针。
表7显示了对这些涂覆有陶瓷的针的陶瓷覆膜的表面粗糙度Ra、绝缘性(电阻率ρ)和组织损伤程度(TDD)的检查结果。
如表7所示，根据本发明的这些涂覆有陶瓷的针实现了1.3μm的表面粗糙度，也具有非常出色的绝缘性及较低值的良好结构损伤程度。
例12
按质量百分比地含C：0.023％、Si：0.26％、Mn：0.18％、P：0.01％、S：0.011％和Cr：17.3％以及余量为Fe和不可避免的杂质的铁素体不锈钢材料经过连铸和随后的热轧、冷轧和光亮退火，然后被精密加工成内外径不同的金属针。与例11相似，在进行了超声波清洗之后，借助图8和9所示的磁控管溅射法，这些针在高等离子体气氛中分别涂上不同的陶瓷覆膜。与例1一样地进行厚度测量。
在等离子体法期间，O2被导入空气中以获得在厚度方向功能递减的陶瓷覆膜。
表8显示了对这些涂覆有陶瓷的针的陶瓷覆膜的表面粗糙度Ra、绝缘性(电阻率ρ)和结构损伤程度(TDD)的检查结果。
如表8所示，本发明的这些涂覆有陶瓷的针实现了1.2μm的表面粗糙度并也具有非常出色的绝缘性及较低的良好组织损伤程度。
工业实用性
根据本发明可以稳定地制造这些涂覆有陶瓷的医疗器械，这些器械表现了如此出色的绝缘性以至于对经过手术等的生物组织或细胞不产生负面影响，如损伤或撕裂。
根据本发明可以稳定地制造这些涂覆有陶瓷的针，这些针在使用期间没有对刺入病变部位的针的周围区域的切片组织或组织产生负面影响的损伤危险。
根据本发明，可以轻易不对刺入细胞核的针的周围区域或对针内细胞核产生任何负面影响地实现基因控制操作，如切除细胞核或把免疫溶液等注入细胞核中。
表1
  序号   医疗器械   陶瓷膜类型   电阻率ρ(Ω·m)         附着性   备注
  (mm)   评价
  1   活检钳   SiNx   ∞   20   ○   发明例
  2   镊子   SiO2   ∞   25   □   发明例
  3   手术剪   BN   ∞   25   □   发明例
  4   手术刀   Al2O3   ∞   30   □   发明例
  5   活检钳   TiN   2.0×104   20   ○   比较例
∞：电阻率ρ≥109Ω·m
表2
  序号   医疗器械               陶瓷覆膜类型   氧气量(sccm)   电阻率ρ(Ω·m)         附着性
  原料   前阶段   后阶段   (mm)   评价
  1   穿刺针   Si   SiNx   SiNx(O)   25   ∞   20   ○
  2   活检钳   SiO2   SiO1.0-1.5   SiO2   50   ∞   20   ○
  3   镊子   B   BN   BN(O)   135   ∞   25   □
  4   手术剪   Al2O3   Al2O1.5-2   Al2O3   250   ∞   25   □
  5   穿刺针   Ti   TiN   TiN(O)   100   ∞   20   ○
∞：电阻率ρ≥109Ω·m
表3
  项目   电阻率ρ(Ω·m)          附着性   组织损伤程度TDD   备注
  (mm)   评价
  在(a)的内外面上形成SiNx膜   ∞   20   ○   0.10   发明例
  在(b)的内外面上形成SiNx膜   ∞   30   □   0.15   发明例
  只有(a)(未成膜)   7.0×10-6   -   -   0.5   比较例
∞：电阻率ρ≥109Ω·m
表4
  陶瓷覆膜类型(厚度：μm)   陶瓷膜涂覆区域(mm)   电阻率ρ(Ω·m)           附着性   组织损伤程度TDD   备注
  (mm)   评价
  SiNx(1.5)   外表面：80内表面：6   ∞   20   ○   0.10   发明例
  SiO2(RF)(1.0)   外表面：80内表面：6   ∞   20   ○   0.15   发明例
  BN(RF)(2.0)   外表面：80内表面：6   5×109   30   □   0.20   发明例
  Al2O3(2.0)   外表面：80内表面：6   3×108   30   □   0.25   发明例
  AlN+BN(RF)(0.5)(1.5)   外表面：90内表面：8   4×107   30   □   0.30   发明例
  SiNx+SiO2(0.5)(0.5)   外表面：90内表面：8   6×106   20   ○   0.35   发明例
  TiN(1.0)   外表面：90内表面：8   3×10 4   20   ○   0.45   比较例
∞：电阻率ρ≥109Ω·m
表5
  序号   靶的类型   阴极类型   电阻率ρ(Ω·m)         附着性   备注
  (mm)   评价
  1   SiO2粉末烧结体   S阴极   ∞   20   ○   发明例
  2   Si3N4粉未烧结体   W阴极   ∞   20   ○   发明例
  3   BN粉末烧结体   S阴极   ∞   25   □   发明例
  4   Al2O3粉末烧结体   W阴极   ∞   25   □   发明例
  5   TiN粉末烧结体   S阴极   2.0×104   20   ○   比较例
S阴极：单阴极方式，W阴极：双阴极方式，
∞：电阻率ρ≥109Ω·m
表6
  序号   靶的类型            金属针的尺寸(mm)         涂覆区域(h)   电阻率ρ(Ω·m)   组织损伤程度TDD   备注
  外径   内径   长度   外表面(mm)   内表面(μm)
  1   硅钢   0.01   0.005   50   50   25   ∞   0.25   发明例
  2   Al2O3   0.005   0.002   20   20   15   ∞   0.26   发明例
  3   BN   0.03   0.015   70   70   30   ∞   0.23   发明例
  4   Si-Al   0.001   0.0006   15   15   10   ∞   0.29   发明例
  5   Ti   0.01   0.005   50   50   25   5×102   0.58   比较例
∞：电阻率ρ≥109Ω·m
表7
  序号   靶的类型   膜厚(μm)                金属针的尺寸   涂覆区域(h)   表面粗糙度Ra(μm)   电阻率ρ(Ω·m)   组织损伤程度TDD   备注
  外径(mm)   内径(mm)   长度(mm)   外表面(mm)   内表面(mm)
  1   硅钢   0.7   0.2   0.05   60   40   30   0.8   ∞   0.29   发明例
  2   Al2O3   0.6   0.05   0.008   30   60   5   1.1   ∞   0.35   发明例
  3   BN   0.8   0.005   0.001   20   25   3   1.3   ∞   0.31   发明例
  4   Si-Al   0.9   0.08   0.005   40   30   10   1.2   ∞   0.36   发明例
  5   Ti   0.9   0.1   0.03   50   30   10   2.0   5×102   0.51   比较例
∞：电阻率ρ≥109Ω·m
表8
  序号   靶的类型   导入O2的量(sccm)             陶瓷覆膜类型   膜厚   金属针的尺寸   涂覆区域(h)   表面粗糙度Ra(μm)   电阻率ρ(Ω·m)   组织损伤程度TDD   备注
前半段 后半段 总厚(μm) 导入O2后(μm) 外径(mm) 内径(mm) 长度(mm) 外表面(mm) 内表面(mm)
  1   硅钢   50   SiN0.5   SiN1.2O0.1   0.7   0.4   0.1   0.03   60   50   15   0.9   ∞   0.29   发明例
  2   Al2O3   60   Al5O2   Al2O3   0.6   0.3   0.05   0.01   30   20   5   0.8   ∞   0.33   发明例
  BN   20   BN0.5   BN0.9O0.1   0.6   0.3   0.001   0.0005   20   10   3   1.2   ∞   0.31   发明例
  4   Si-Al   80   Si2Al0.5   SiAl0.1O0.2   0.8   0.4   0.08   0.03   40   25   10   1.1   ∞   0.28   发明例
  5   Ti   50   Ti   TiO0.5   0.8   0.4   0.05   0.01   30   20   5   2.0   5×102   0.58   比较例
∞：电阻率ρ≥109Ω·m

Claims (33)

1.涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，至少直接接触生物的金属部位涂覆有一个电阻率ρ为105Ω·m以上的绝缘性陶瓷覆膜，所述陶瓷覆膜的组织损伤程度TDD为0.4以下，并且所述陶瓷覆膜的厚度为0.05μm-5.0μm，所述陶瓷覆膜的表面粗糙度按照算数平均值表面粗糙度Ra为1.5μm以下，所述陶瓷覆膜包含从Al、B、Si和Cr的氮化物、碳化物或氧化物以及Ti的氧化物中选出的至少一种。
2.如权利要求1所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述医疗器械是活检钳、镊子、手术剪或手术刀。
3.如权利要求1所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述涂覆有陶瓷的医疗器械为注射针、穿刺针或缝合针之一。
4.如权利要求3所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的部分表面或整个表面涂覆有电阻率ρ为105Ω·m以上的绝缘性陶瓷覆膜。
5.如权利要求4所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的基材金属为不锈钢或高强度钢。
6.如权利要求4所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的陶瓷涂覆区是其外表面的一部分或全部以及其内表面的从针尖开始向内1mm以上的部分。
7.如权利要求6所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的基材金属为不锈钢或高强度钢。
8.如权利要求1所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述涂覆有陶瓷的生物研究器械为基因控制用针。
9.如权利要求8所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的陶瓷覆盖区是所述针的至少接触生物组织中的细胞核的那个部位的表面。
10.如权利要求8或9所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针具有0.0005mm-0.5mm的直径。
11.如权利要求8所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的涂覆陶瓷区与针外表面有关地是至少接触生物组织的部分，另一方面，与针内表面有关地，所述陶瓷涂覆区是接触生物组织中的细胞核的部分。
12.如权利要求11所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的内表面上的绝缘性陶瓷覆膜的覆盖区从针尖开始为10μm以上。
13.如权利要求11或12所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的基材金属为不锈钢或高强度钢。
14.如权利要求11或12所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的直径Φ为0.0005mm-0.5mm。
15.如权利要求13所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的直径Φ为0.0005mm-0.5mm。
16.如权利要求8所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的陶瓷涂覆区是针的外表面和内表面中的至少接触生物组织中的细胞核的那部分。
17.如权利要求16所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的内表面上的绝缘性陶瓷覆膜的覆盖区为从针尖开始10μm以上。
18.如权利要求16或17所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的基材金属为不锈钢或高强度钢等铁系金属。
19.如权利要求16或17所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的直径Φ为0.0005mm-0.5mm。
20.如权利要求18所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械，其特征在于，所述针的直径Φ为0.0005mm-0.5mm。
21.涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其中在金属的医疗器械或生物研究器械的至少直接接触组织的金属部位上，通过干式电镀法涂覆上一层绝缘性陶瓷覆膜，所述陶瓷覆膜的电阻率ρ为105Ω·m以上，所述陶瓷覆膜的厚度为0.05μm-5.0μm，所述陶瓷覆膜的表面粗糙度按照算数平均值表面粗糙度Ra为1.5μm以下，所述陶瓷覆膜的组织损伤程度TDD为0.4以下，所述陶瓷覆膜包含从Al、B、Si和Cr的氮化物、碳化物或氧化物以及Ti的氧化物中选出的至少一种，并且在所述干式电镀法的后半段中，把5sccm-500sccm的O2通入涂覆气氛中。
22.如权利要求21所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，所述医疗器械是活检钳、镊子、手术剪和手术刀之一。
23.如权利要求21所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，所述医疗器械为注射针或穿刺针。
24.如权利要求23所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，平行于淀积粒子行进方向并且其尖端与行进中的淀积粒子相对地设置所述针，在所述针的至少针尖上通过干式电镀法形成有所述陶瓷覆膜。
25.如权利要求24所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，所述针的基材金属为不锈钢或高强度钢。
26.如权利要求23所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，在将从Al、B、Si和Cr氮化物、碳化物或氧化物中以及Ti的氧化物中选出的至少一种材料用作溅射靶并且在所述靶周围设置用于形成高等离子体氛围的磁铁和RF装置来防止异常放电的情况下，如此形成所述绝缘性陶瓷覆膜，即采用磁控管溅射法在所述针的外表面局部或全部上以及其内表面的从针尖向内至少1mm的部分上形成陶瓷覆膜。
27.如权利要求26所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，设置两个溅射靶并通过W阴极方式形成所述绝缘性陶瓷覆膜。
28.如权利要求26或27所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，如此设置所述针，即它与淀积粒子的行进方向平行并且针尖与行进中的淀积粒子相对。
29.如权利要求26或27所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，在磁控管溅射法的初始阶段，停止反应气体的供给。
30.如权利要求28所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，在磁控管溅射法的初始阶段，停止反应气体的供给。
31.如权利要求21所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，所述生物研究器械为基因控制用针。
32.如权利要求31所述的涂覆有陶瓷的医疗器械或生物研究器械的制造方法，其特征在于，在与淀积粒子行进方向平行地并且其尖端与行进中的淀积粒子相对地设置所述针的同时，通过压差抽真空将所述针的内部保持在比针外部高的真空下，通过干式电镀法在所述针的至少针尖上形成所述绝缘性陶瓷覆膜。
33.制造涂覆有陶瓷的基因控制用针的制造系统，其特征在于，所述基因控制用针在至少直接接触生物的金属部位涂覆有一个电阻率ρ为105Ω·m以上的绝缘性陶瓷覆膜，所述陶瓷覆膜的组织损伤程度TDD为0.4以下，该制造系统在干式电镀装置的真空槽内部设有一个磁控管溅射装置、一个试样架以及压差高真空室，在与淀积粒子的行进方向平行地并且其尖端与行进中的淀积粒子相对地将是处理材料的针设置在该试样架上的同时，所述压差高真空室通过管子与所述针的尾端连接，通过压差抽真空作用，使所述针的内部保持在比其外部更高的真空条件下，从而在所述针的外表面和内表面上形成绝缘性陶瓷覆膜。
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