專利名稱：用濺射技術進行人工器官表面處理的方法
技術領域：
本發明涉及無機材料表面改性技術領域，特別涉及人工器官材料的改性技術。
背景技術：
人工器官的生物相容性和耐久性是人工器官用于臨床的根本保證，尤其是人工心臟、人工心臟瓣膜和左心室輔助泵等重要的心血管系統人工器官對耐久性和血液相容性有更高的要求。用天然材料(豬、牛心胞)、高分子材料制成的人工心臟及人工心臟瓣膜由于耐久性尚不能完全滿足上述要求，見文獻1(德永皓-等，繁用人工臟器現狀將來，一人工弁一，人工臟器，1990，19(3)，100-102等)，而以熱解碳、鈦合金、鈷合金和不銹鋼等無機材料為主體的人工心臟瓣膜目前還存在兩方面問題一是血液相容性尚不夠好，二是該類材料制成的瓣膜在植入人體后仍可能發生疲勞、腐蝕、磨損及脆性斷裂。具有最好血液相容性的熱解碳代表了以機械瓣為主體的已用于臨床的人工心臟瓣膜的最高水平，但對臨床要求來說，其血液相容性仍不是足夠高，且其韌性僅為金屬的1/100。本領域的多年研究表明，在以金屬等無機材料為主體的心血管系人工器官表面覆以血液相容性極好的材料，可以綜合其金屬材料機械強度高、耐久性好和覆膜材料血液相容性好的優點，從而成為有相當應用前景的人工器官材料發展的重要趨勢。文獻2(Mitamura.Y.etgl，Development of a Ceramic Valve，Journal of BiomaterialsApplications，1989，4(11)，33-55)論述了在鈦人工心臟瓣膜表面用物理氣相沉積方法覆膜氮化鈦的技術。目前，在心血管系人工器官上采用物理氣相沉積等方法在心臟瓣膜材料表面沉積氮化鈦、類金剛石膜等現有覆蓋技術存在兩個方面的問題一是經覆膜處理后的材料的血液相容性的改善程度有限，二是由于沉積方法的物理本質局限性，薄膜同基體的結合強度較低。文獻3(中國專利號ZL95111386.0)給出了用離子束增強沉積方法(IBED)在心血管系人工器官上制備鈦-氧/氮化鈦復合膜的方法，這種方法只能實現對平面的、簡單的人工心血管器官覆膜，如人工心臟瓣膜的葉片，無法對形狀復雜的、曲面的人工心血管器官進行均勻的全方位覆膜，如人工心臟瓣膜的瓣架表面，而對人工器官的所有與血液接觸的表面都進行改性處理才是穩定、可靠提高人工器官性能和安全性的保證。文獻4的結果表明用離子束增強沉積方法獲得的具有半導體特性的IBED-鈦-氧表面薄膜材料具有熱解碳更為優異的血液相容性。(黃楠、楊萍等，離子束增強沉積鈦氧化物薄膜及其抗凝血性能的研究，高技術通迅1997，4，16-18)。
本發明的目的是提供一種用濺射技術進行人工器官表面處理的方法，它能有效地提高人工心臟、人工心臟瓣膜和左心室輔助泵等表面復雜的人工器官的血液相容性和力學本發明將元素或鈮、鉭等金屬元素摻入人工器官表面的氧化鈦表層內，形成摻雜的鈦-氧薄膜，以獲得具有優異血液相容性的表面，其制備可以通過以下方案實現(一)采用磁控濺射方式制備摻雜鈦-氧薄膜這種方法分為兩步1、首先采用鈮-鈦或鉭-鈦的合金靶或鑲嵌靶，利用磁控濺射這種高速低溫的鍍膜方法，在人工器官表面沉積鈦-鉭或鈦-鈮合金薄膜。控制合金薄膜性能的參數是鈮原子含量為0.1％～20％或鉭原子含量為0.1％～20％的合金靶或鑲嵌靶，濺射電壓-100～-1000V，濺射電流0.05～5安，基片加熱溫度100～500度，濺射時間0.1～2小時，濺射壓力0.01～10帕，樣品臺偏壓0～-600伏。
2、然后對合成的合金薄膜進行特定的氧化處理可得到鉭或鈮摻雜的鈦-氧薄膜，可采用以下兩種工藝；A、熱氧化，將鍍有鈦-鉭或鈦-鈮合金薄膜的人工器官置于真空石英玻璃管中，加熱到一定溫度，同時向石英玻璃管中通入一定壓力的氧氣，這時合金膜經氧化就得到了鉭或鈮摻雜的鈦-氧薄膜。控制薄膜性能的參數有氧氣壓力0.1～10帕，加熱溫度400～900度，氧化時間(1分鐘～2小時)，鉭-鈦或鈮-鈦合金薄膜的成分鈮原子含量為0.1％～20％或鉭原子百分含量為0.1％～20％。
B、等離子體氧化，將鍍有鈦-鉭或鈦-鉭或鈦-鈮合金薄膜的人工器官置于等離子體設備的真空室中，充入一定壓力的氧氣，利用射頻或微波放電產生氧等離子體，這時人工器官浸沒于氧等離子體氣氛中，加熱人工器官，并在人工器官上施加一定的脈沖電壓，利用等離子體氧化工藝在人工器官表面氧化得到鉭或鈮摻雜的氧化鈦薄膜。控制薄膜性能的參數是氧氣壓力10-2～10帕，氧等離子體密度108～1013厘米-3，加熱溫度100～600度，施加脈沖負電壓幅值0.2～3千伏，等離子體氧化時間1分鐘～2小時，脈沖負高壓重復頻率10～5000赫茲，脈沖寬度20～500μs，鈦-鉭或鈦-鈮合金薄膜的成分鈮原子含量為0.1％～20％或鉭原子含量為0.1％～20％。
(二)采用射頻濺射方式制備摻雜鈦-氧薄膜采用五氧化二鈮—二氧化鈦或五氧化二鉭-二氧化鈦陶瓷作為濺射靶，五氧化二鈮在陶瓷中的分子含量為0.1％～10％或五氧化二鉭在陶瓷中的分子含量為0.1％～10％。往射頻濺射設備真空室中通入一定壓力的氬或氙，采用射頻方式形成氬或氙等離子體，利用濺射在人工器官表面合成鉭或鈮摻雜的鈦-氧薄膜。控制薄膜性能的參數量射頻功率200～3000W，工作氣體壓力10-2～101帕，射頻電壓0.4～3千伏，樣品加熱溫度為100～600度，濺射時間0.1～3小時，五氧化二鈮-二氧化鈦或五氧化二鉭-二氧化鈦陶瓷靶的成分為五氧化二鈮在陶瓷中的分子含量為0.1％～10％或五氧化二鉭在陶瓷的分子含量為0.1％～10％。
本發明與現有技術相比，采用上述方法所合成的摻氫、摻鉭或鈮的鈦-氧薄膜，其優點在于所合成的氫、鉭或鈮摻雜的鈦-氧薄膜血液相容性極好，對復雜形狀的人工器官，可以實現人工器官的全方位改性，均勻可靠，可實現工業化應用，這些摻雜氧化物表面改性層的血液相容性顯著優于目前臨床使用的國際公認的人工心臟瓣膜材料——熱解碳，改性層成分容易控制，且重復性好，可靠度高。總之，采用本發明所述的方法處理所獲得的人工器官的血液相容性，抗疲勞、抗腐蝕和耐磨損性能得到全面提高。
本發明的
如下圖1為本發明所用的射頻磁控濺射臺的真空室示意圖。
圖2為本發明所用的真空石英管加熱爐。
以下結合附圖對本發明作進一步說明(一)采用磁控濺射離子鍍方式制備摻雜二氧化鈦薄膜，這種方法分為兩步，首先制備鈦-鈮或鈦-鉭合金薄膜。然后利用熱氧化或等離子體氧化工藝對合金薄膜進行氧化，得到鈮或鉭元素摻雜的鈦-氧薄膜，圖2為本發明所用的磁控濺射設備示意圖，其實施例為1、首先把鈮-鈦或鉭-鈦合金靶或鑲嵌靶裝在磁控濺射設備的靶臺6上，人工器官5放置在樣品臺6上，真空室抽真空至1×10-4帕，加熱人工器官5，打開氣瓶8，向真空室通入氬氣，氬氣壓力為0.01～10帕，將轉換開關3撥至直流電源1，在靶臺4上加一定負高壓，形成氬等離子體，在負電壓作用下，氬離子轟擊鈦-鈮或鈦-鉭靶，產生鈦、鈮原子或鈦、鉭原子沉積在人工器官5上，形成金合金薄膜。為了提高薄膜質量，沉積過程中，打開偏壓電源7，在樣品臺6上施加一定負偏壓。利用磁控濺射這種高速低溫的鍍膜方法，可按表一所示四種工藝得到鈦-鉭或鈦-鈮合金薄膜。控制合金薄膜性能的參數是鈮原子含量為0.1％～20％或鉭原子含量為0.1％～20％的合金靶或鑲嵌靶，濺射電壓-100～-1000V，濺射電流0.05～5安，樣品加熱溫度100～500度，濺射時間0.1～2小時，濺射壓力0.01～10帕，樣品臺偏壓0～-600伏。
表一
2、對合成的合金薄膜進行熱氧化處理或等離子體氧化可得到鉭或鈮摻雜的鈦-氧薄膜，圖3為本發明所用的真空石英管示意圖，其實施例分別為A、若采用熱氧化處理，其實施例為，將鍍有鈦-鈮合金薄膜的人工器官5置于真空石英玻璃管9中，打開真空系統電源10，抽真空至1×10-3帕，打開電爐電源11，加熱真空石英玻璃管到700度，打開充氣系統12，向石英玻璃管9中通入0.5帕的氧氣，熱氧化10分鐘，這時合金膜經氧化就得到了鉭或鈮摻雜的氧化鈦薄膜。
B、若采用等離子體氧化，其實施例為，將鍍有鈦-鉭或鈦-鈮合金薄膜的人工器官置于等離子體源離子注入設備的樣品臺上，抽真空至1×10-4帕，充入氧氣，打開射頻電源或微波電源產生氧等離子體，這時人工器官浸沒于氧等離子體氣氛中，加熱人工器官，打開脈沖電源，在人工器官上施加一定的脈沖負電壓，利用等離子體氧化工藝可按表五所示三種氧化工藝得到鉭或鈮摻雜的二氧化鈦薄膜。控制薄膜性能的參數是氧氣壓力0.01～10帕，氧等離子體密度108～1012厘米-3，加熱溫度100～600度，脈沖負電壓幅值0.2～3千伏，等離子體氧化時間1分鐘～2小時，脈沖負高壓重復頻率10～5000赫茲，脈沖寬度20～500μs。等離子體氧化也可采用現有的具有微波或射頻等離子體源的普通設備。
表二
(二)采用五氧化二鈮-二氧化鈦或五氧化二鉭-二氧化鈦陶瓷靶，利用射頻濺射方式制備鈮或鉭摻雜鈦-氧薄膜，其實施例為首先把五氧化二鈮-二氧化鈦或五氧化二鉭-二氧化鈦陶瓷靶放在磁控濺射設備的靶臺4上，人工器官5放置在樣品臺6上，抽真空至1×10-4帕，加熱人工器官7，打開氣瓶8，通入氬氣，氬氣壓力為0.01～10帕，將轉換開關3撥至射頻電源2，在靶臺4上加一定的電壓，形成氬等離子體，氬離子轟擊五氧化二鈮-二氧化鈦或五氧化二鉭-二氧化鈦陶瓷靶，產生鈦、鈮、氧原子或鈦、鉭、氧原子沉積在人工器官5上，合成鉭或鈮摻雜的鈦-氧薄膜。為了提高薄膜質量，沉積過程中，打開偏壓電源7，在樣品臺6上施加一定負偏壓。可按表六所示三種工藝利用濺射在人工器官表面合成鉭或鈮摻雜的鈦-氧薄膜。控制薄膜性能的能的參數是射頻功率200～3000W，工作氣體壓力10-2～109帕，射頻電壓0.4～3千伏，樣品加熱溫度為100～600度，濺射時間0.1～3小時。
表三
權利要求
1.一種用濺射技術進行人工器官表面處理的方法，其特征在于采用的靶材料為鈦-鈮合金靶或鈦-鉭合金靶或鈦-鈮鑲嵌靶或鈦-鉭鑲嵌靶，或者五氧化二鈮-二氧化鈦陶瓷靶或五氧化二鉭-二氧化鈦陶瓷靶，利用氬等離子體使靶材料濺射沉積到樣品臺上的人工器官表面，濺射壓力為0.01～10帕。
2.根據權利要求1所述的用濺射技術進行人工器官表面處理的方法，其特征在于，所述的靶材料為鈦-鈮合金靶或鈦-鉭合金靶或鈦-鈮鑲嵌靶或鈦-鉭鑲嵌靶，在靶上施加直流電壓，對靶進行直流磁控濺射，濺射電壓-100～-1000V，濺射電流0.05～5安，樣品臺偏壓0～-600伏，樣品加熱溫度100～500度，濺射時間0.1～2小時，在人工器官表面獲得鈦-鈮或鈦-鉭合金，鈦-鉭或鈦-鈮合金薄膜的成分鉭或鈮的原子含量為0.1％～20％；然后進行氧化處理。
3.根據權利要求2所述的用濺射技術進行人工器官表面處理的方法，其特征在于所述的氧化處理為將濺射后鍍有鈦-鉭或鈦-鈮合金薄膜的人工器官置于石英管加熱爐中，利用熱氧化工藝在工人器官表面得到鉭或鈮摻雜的鈦-氧薄膜，控制薄膜性能的參數有氧氣壓力0.1～10帕，加熱溫度過400～900度，氧化時間1分鐘～2小時。
4.根據權利要求2所述的用濺射技術進行人工器官表面處理的方法，其特征在于所述的氧化處理為將濺射后鍍有鈦-鉭或鈦-鈮合金薄膜的人工器官置于等離子體裝置內，用等離子體氧化工藝在人工器官表面氧化得到鉭或鈮摻雜的鈦-氧薄膜，氧氣壓力0.01～10帕，氧等離子體密度108～1013厘米-3，加熱溫度100～600度，施加脈沖電壓幅值-0.2～-3千伏，等離子體氧化時間1分種～2小時，脈沖負電壓重復頻率10～5000赫茲，脈沖寬度20～500μs，鈦-鉭或鈦-鈮合金薄膜的成分鈮或鉭的原子含量為0.1％～20％。
5.根據權利要求1所述的人工器官表面改性技術，其特征在于所述的靶材料為五氧化二鈮-二氧化鈦陶瓷靶或五氧化二鉭-二氧化鈦陶瓷靶，陶瓷靶中五氧化二鈮或五氧化二鉭的分子含量為0.1％～10％，在靶上施加射頻電壓，對靶進行射頻磁控濺射，射頻功率200～3000W，射頻電壓0.4～3千伏，樣品加熱溫度100～600度，濺射時間0.1～3小時。
全文摘要
本發明公開了一種用濺射技術進行人工器官表面處理的方法，利用濺射方法在形狀復雜的人工器官表面合成鉭、鈮摻雜的鈦－氧表面改性層。經本發明所述的方法處理的人工器官，其抗凝血性能、耐久性能得到全面改善。本發明主要用于提高與血液接觸的人工器官如人工心臟瓣膜的抗凝血性能。
文檔編號A61L27/30GK1524977SQ0315417
公開日2004年9月1日 申請日期1999年12月23日 優先權日1999年12月23日
發明者黃楠, 冷永祥, 陳俊英, 楊萍, 孫鴻, 黃 楠 申請人:西南交通大學