專利名稱：TiO的制作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種生物材料技術領域的制備方法，具體是一種TiO2-HA生物醫用納米結構薄膜的制備方法。
背景技術：
如今用于硬組織修復與替換的生物植入材料主要仍為金屬與合金，其中鈦合金有較好的強度、韌性、耐腐蝕性和優良的加工性，是一種比較理想的內植材料。但是鈦種植體屬于生物惰性材料，這就導致植入體內后植入體松動脫落。羥基磷灰石(Hydroxyapatite，縮寫為HA)是構成人體硬組織的主要無機質，具有良好的生物相容性和生物活性，因此可以鈦及其合金為核心，表面噴涂羥基磷灰石的復合材料種植體的方法，形成良好的生物結合界面，一方面保證了種植體表面的生物親合性，一方面又保證了種植體的高強度和彈性。
1987年K.De.Groot提出了用等離子體噴涂技術制備羥基磷灰石涂層的技術，自此，有關等離子體噴涂羥基磷灰石涂層的研究有了長足的進展，但長期臨床發現種植體涂層容易從鈦及其合金表面脫落，最終導致植入失敗。
經對現有技術的文獻檢索發現，2000年Journal of Thermal Spray Tech-nology《熱噴涂技術雜志》第9期520-525頁刊登了題為“Characterizationof Plasma-Sprayed Hydroxyapatite/TiO2composite coatings”《表征等離子體噴涂HA/TiO2復合涂層》一文，介紹了利用等離子體噴涂技術制備HA/TiO2復合涂層，從而提高涂層和鈦基體材料間的結合強度的方法。但是，引起涂層脫落的主要原因即等離子噴涂制備的羥基磷灰石涂層較厚(大于50μm)結晶程度低、多孔、顆粒尺度大，仍未得到解決。
發明內容
本發明針對現有技術的不足，提供一種TiO2-HA生物醫用納米結構薄膜的制備方法。利用反應磁控濺射技術并通過在薄膜中引入TiO2陶瓷成分，增強薄膜和基體Ti基材料的黏附力，提高薄膜的生物活性和在生理環境條件下的穩定性。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明所述的TiO2-HA生物醫用納米結構薄膜中TiO2∶HA在1∶9-9∶1之間，Ca∶P在1.6∶1-1.7∶1之間，薄膜表面顆粒平均尺度在20-80nm之間，薄膜厚度在20-200nm之間。采用反應磁控濺射技術，并通過在薄膜中引入TiO2陶瓷成分，提高薄膜和鈦及其合金材料的結合強度；通過調整濺射參量和在薄膜中添加TiO2陶瓷成分，控制薄膜成分和顆粒尺度，提高薄膜在典型生理環境下的生物活性和穩定性，具體步驟如下(1)清洗、烘干、固定待處理的醫用植入物基材；(2)固定濺射靶材；(3)烘烤真空室，濺射清洗靶材表面；(4)待濺射清洗穩定后，通入氧氣，調節氬氣流量、氧氣流量、氬氣與氧氣的流量比、總氣壓以及Ti/HA靶濺射功率、Ti靶功率、襯底溫度，移開檔板，轉動襯底，輪流反應射頻濺射Ti/HA靶和反應直流濺射Ti靶，共反應濺射在待處理的醫用植入物基材上沉積TiO2-HA復合薄膜；(5)濺射沉積結束后，將樣品從真空室取出。
所述的步驟(1)，具體是將待處理的醫用植入物基材先后置入丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗15分鐘，然后用去離子水沖洗，烘干后，固定于磁控濺射系統真空室的樣品基座上。
所述的步驟(2)，具體是兩塊鈦靶分別固定在真空室中的兩個磁控陰極上，將HA靶放在其中一個鈦靶上，將清洗烘干后待處理的醫用植入物基材固定在磁控濺射系統真空室的樣品基座上，Ti/HA靶和Ti靶表面濺射區域的磁場強度分別在2500高斯至3000高斯和2300高斯至2500高斯之間，Ti/HA靶表面至襯底的距離為60mm至110mm，Ti靶靶面至襯底的距離為60mm至90mm。
所述的步驟(3)，具體是烘烤真空室，待本底真空抽至2×10-3Pa時，通入氬氣，對Ti/HA靶進行射頻濺射清洗，對Ti靶進行直流濺射清洗，濺射清洗過程中用檔板擋住襯底，保證濺射清洗過程中從靶材表面濺射出的成分不沉積到襯底上。
所述的步驟(4)，調節氬氣流量在10-45sccm之間，調節氧氣流量在5-30nm之間，調節總氣壓在1-5Pa之間，調節氬氣和氧氣的流量比在1∶3至8∶1之間，調節Ti/HA靶濺射功率在50-150W之間，調節Ti靶功率在20-80W。調節襯底溫度至100-400℃之間。
所述的步驟(5)，具體是濺射沉積結束后，或將樣品置于退火爐中，在400攝氏度空氣氛圍或者水蒸汽氛圍中保持5-10小時，待退火處理結束后，將樣品從退火爐中取出。
本發明根據物理氣相沉積成膜理論，選擇合適的工藝參數以及成膜后處理手段，在普通的醫用純鈦或鈦鋁合金植入材料表面制備納米結構TiO2-HA生物醫用功能復合薄膜。對薄膜表面成分，表面顆粒尺度和晶粒大小的控制可通過調節兩個磁控陰極靶的濺射功率、氣壓、襯底溫度以及對后續退火溫度的控制來實現。薄膜模擬體液(Simulated Body Fluid)浸泡實驗觀察薄膜沒有脫落剝落，模擬體液PH值沒有明顯變化，表明樣品生物穩定性良好，成骨細胞培養實驗觀察薄膜具有促進成骨細胞粘附、鋪展、增殖的特性，表明樣品具有良好的生物活性。
本發明具有明顯進步，針對現有技術的不足之處，通過在薄膜中引入TiO2提高薄膜和基體材料的結合強度，通過調整濺射參量控制薄膜表面HA顆粒和TiO2顆粒的尺度，提高薄膜在典型生理環境下的生物活性和穩定性，具有很大的應用潛力。
具體實施例方式
下面結合實施例對本發明作進一步的描述。
實施例1將拋光醫用植入物Ti基材先后置入丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗10分鐘，然后用去離子水沖洗，烘干備用。兩塊鈦靶分別固定在真空室中的兩個磁控陰極上，將HA靶放在其中一個鈦靶上。將清洗烘干后待處理的醫用植入物基材固定在磁控濺射系統真空室的樣品基座上。Ti/HA靶和Ti靶表面濺射區域的磁場強度分別為2800高斯和2400高斯，Ti/HA靶表面至襯底的距離為60mm，Ti靶靶面至襯底的距離為60mm。制備前先烘烤真空室，待本底真空抽至2×10-3Pa以下后，通入氬氣，分別對Ti/HA和Ti靶進行射頻濺射和直流濺射清洗，濺射清洗過程中用檔板擋住襯底，保證濺射清洗過程中從靶材表面濺射出的成分不沉積到襯底上。待濺射清洗穩定后，通入氧氣，調節氬氣流量至45sccm、氧氣流量至10sccm、總氣壓至4Pa、Ti/HA靶的反應射頻濺射功率至150W、Ti靶的反應直流濺射功率至50W，襯底溫度至400℃，濺射沉積TiO2-HA復合薄膜。濺射過程中，轉動襯底，輪流反應濺射Ti/HA靶和Ti靶，每次對Ti/HA靶和Ti靶的濺射為5秒鐘，共分別對Ti/HA靶和Ti靶濺射60分鐘。濺射沉積結束后，從真空室中取出樣品。
AFM結果顯示薄膜表面顆粒平均尺度為45nm左右。AES結果顯示薄膜厚度55nm，薄膜中TiO2∶HA約為2∶5，Ca∶P約為1.65∶1。將樣品在模擬體液(SBF)浸泡一周后觀察薄膜沒有脫落剝落，模擬體液PH值沒有明顯變化，表明樣品生物穩定性良好。成骨細胞培養實驗表明樣品具有良好的生物活性。
實施例2將拋光醫用植入物Ti基材先后置入丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗10分鐘，然后用去離子水沖洗，烘干備用。兩塊鈦靶分別固定在真空中的兩個磁控陰極上，將HA靶放在其中一個鈦靶上。將清洗烘干后待處理的醫用植入物基材固定在磁控濺射系統真空室的樣品基座上。Ti/HA靶和Ti靶表面濺射區域的磁場強度分別為2800高斯和2400高斯，Ti/HA靶表面至襯底的距離為60mm，Ti靶靶面至襯底的距離為60mm。制備前先烘烤真空室，待本底真空抽至2×10-3Pa以下后，通入氬氣，分別對Ti/HA和Ti靶進行射頻濺射和直流濺射清洗，濺射清洗過程中用檔板擋住襯底，保證濺射清洗過程中從靶材表面濺射出的成分不沉積到襯底上。待濺射清洗穩定后，通入氧氣，調節氬氣流量至10sccm、氧氣流量至30sccm、總氣壓至2Pa、Ti/HA靶的反應射頻濺射功率至100W、Ti靶的反應直流濺射功率至40W，襯底溫度至300℃，濺射沉積TiO2-HA復合薄膜。濺射過程中，轉動襯底，輪流反應濺射Ti/HA靶和Ti靶，每次對Ti/HA靶和Ti靶的濺射為5秒鐘，共分別對Ti/HA靶和Ti靶濺射60分鐘。濺射沉積結束后，從真空室中取出樣品。
AFM結果顯示薄膜表面顆粒平均尺度為40nm左右。AES結果顯示薄膜厚度為40nm，薄膜中TiO2∶HA約為1∶2，Ca∶P約為1.7∶1。將樣品在模擬體液(SBF)浸泡一周后觀察薄膜沒有脫落剝落，模擬體液PH值沒有明顯變化，表明樣品生物穩定性良好。成骨細胞培養實驗表明樣品具有良好的生物活性。
實施例3將拋光醫用植入物Ti基材先后置入丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗10分鐘，然后用去離子水沖洗，烘干備用。兩塊鈦靶分別固定在真空室中的兩個磁控陰極上，將HA靶放在其中一個鈦靶上。將清洗烘干后待處理的醫用植入物基材固定在磁控濺射系統真空室的樣品基座上。Ti/HA靶和Ti靶表面濺射區域的磁場強度分別為2800高斯和2400高斯，Ti/HA靶表面至襯底的距離為110mm，Ti靶靶面至襯底的距離為60mm。制備前先烘烤真空室，待本底真空抽至2×10-3Pa以下后，通入氬氣，分別對Ti/HA和Ti靶進行射頻濺射和直流濺射清洗，濺射清洗過程中用檔板擋住襯底，保證濺射清洗過程中從靶材表面濺射出的成分不沉積到襯底上。待濺射清洗穩定后，通入氧氣，調節氬氣流量至40sccm、氧氣流量至5sccm、總氣壓至3Pa、Ti/HA靶的反應射頻濺射功率至50W、Ti靶的反應直流濺射功率至80W，襯底溫度至400℃，濺射沉積TiO2-HA復合薄膜。濺射過程中，轉動襯底，輪流反應濺射Ti/HA靶和Ti靶，每次對Ti/HA靶和Ti靶的濺射為5秒鐘，共分別對Ti/HA靶和Ti靶濺射180鐘。濺射沉積結束后，將樣品從真空室中取出，置于退火爐中，在溫度為400℃，水蒸汽氛圍下退火8小時。
AFM結果顯示薄膜表面顆粒平均尺度為50nm左右。AES結果顯示薄膜厚度為200nm，薄膜中TiO2∶HA約為9∶1，Ca∶P約為1.67∶1。將樣品在模擬體液(SBF)浸泡一周后觀察薄膜沒有脫落剝落，模擬體液PH值沒有明顯變化，表明樣品生物穩定性良好。成骨細胞培養實驗表明樣品具有良好的生物活性。
實施例4將拋光醫用植入物Ti基材先后置入丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗10分鐘，然后用去離子水沖洗，烘干備用。兩塊鈦靶分別固定在真空室中的兩個磁控陰極上，將HA靶放在其中一個鈦靶上。將清洗烘干后待處理的醫用植入物基材固定在磁控濺射系統真空室的樣品基座上。Ti/HA靶和Ti靶表面濺射區域的磁場強度分別為2800高斯和2400高斯，Ti/HA靶表面至襯底的距離為80mm，Ti靶靶面至襯底的距離為60mm。制備前先烘烤真空室，待本底真空抽至2×10-3Pa以下后，通入氬氣，分別對Ti/HA和Ti靶進行射頻濺射和直流濺射清洗，濺射清洗過程中用檔板擋住襯底，保證濺射清洗過程中從靶材表面濺射出的成分不沉積到襯底上。待濺射清洗穩定后，通入氧氣，調節氬氣流量至30sccm、氧氣流量至5sccm、總氣壓至2Pa、Ti/HA靶的反應射頻濺射功率至150W、Ti靶的反應直流濺射功率至60W，襯底溫度至200℃，濺射沉積TiO2-HA復合薄膜。濺射過程中，轉動襯底，輪流反應濺射Ti/HA靶和Ti靶，每次對Ti/HA靶和Ti靶的濺射為5秒鐘，共分別對Ti/HA靶和Ti靶濺射60分鐘。濺射沉積結束后，將樣品從真空室中取出，置于退火爐中，在溫度為400℃，水蒸汽氛圍下退火10小時。
AFM結果顯示薄膜表面顆粒平均尺度為40nm左右。AES結果顯示薄膜厚度為60nm，薄膜中TiO2∶HA約為3∶2，Ca∶P約為1.67∶1。將樣品在模擬體液(SBF)浸泡一周后觀察薄膜沒有脫落剝落，模擬體液PH值沒有明顯變化，表明樣品生物穩定性良好。細胞培養實驗表明樣品具有良好的生物活性。
實施例5將拋光醫用植入物Ti基材先后置入丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗10分鐘，然后用去離子水沖洗，烘干備用。兩塊鈦靶分別固定在真空室中的兩個磁控陰極上，將HA靶放在其中一個鈦靶上。將清洗烘干后待處理的醫用植入物基材固定在磁控濺射系統真空室的樣品基座上。Ti/HA靶和Ti靶表面濺射區域的磁場強度分別為2800高斯和2400高斯，Ti/HA靶表面至襯底的距離為60mm，Ti靶靶面至襯底的距離為60mm。制備前先烘烤真空室，待本底真空抽至2×10-3Pa以下后，通入氬氣，分別對Ti/HA和Ti靶進行射頻濺射和直流濺射清洗，濺射清洗過程中用檔板擋住襯底，保證濺射清洗過程中從靶材表面濺射出的成分不沉積到襯底上。待濺射清洗穩定后，通入氧氣，調節氬氣流量至20sccm、氧氣流量至30sccm、總氣壓至5Pa、Ti/HA靶的反應射頻濺射功率至80W、Ti靶的反應直流濺射功率至60W，襯底溫度至100℃，濺射沉積TiO2-HA復合薄膜。濺射過程中，轉動襯底，輪流反應濺射Ti/HA靶和Ti靶，每次對Ti/HA靶和Ti靶的濺射為5秒鐘，共分別對Ti/HA靶和Ti靶濺射60分鐘。濺射沉積結束后，將樣品從真空室中取出，置于退火爐中，在溫度為400℃，空氣氛圍下退火5小時。
AFM結果顯示薄膜表面顆粒平均尺度為80nm左右。AES結果顯示薄膜厚度為60nm，薄膜中TiO2∶HA約為5∶2，Ca∶P約為1.6∶1。將樣品在模擬體液(SBF)浸泡一周后觀察薄膜沒有脫落剝落，模擬體液PH值沒有明顯變化，表明樣品生物穩定性良好。成骨細胞培養實驗表明樣品具有良好的生物活性。
實施例6將拋光醫用植入物Ti基材先后置入丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗10分鐘，然后用去離子水沖洗，烘干備用。兩塊鈦靶分別固定在真空中的兩個磁控陰極上，將HA靶放在其中一個鈦靶上。將清洗烘干后待處理的醫用植入物基材固定在磁控濺射系統真空室的樣品基座上。Ti/HA靶和Ti靶表面濺射區域的磁場強度分別為2800高斯和2400高斯，Ti/HA靶表面至襯底的距離為60mm，Ti靶靶面至襯底的距離為90mm。制備前先烘烤真空室，待本底真空抽至2×10-3Pa以下后，通入氬氣，分別對Ti/HA和Ti靶進行射頻濺射和直流濺射清洗，濺射清洗過程中用檔板擋住襯底，保證濺射清洗過程中從靶材表面濺射出的成分不沉積到襯底上。待濺射清洗穩定后，通入氧氣，調節氬氣流量至15sccm、氧氣流量至15sccm、總氣壓至1Pa、Ti/HA靶的反應射頻濺射功率至150W、Ti靶的反應直流濺射功率至20W，襯底溫度至400℃，濺射沉積TiO2-HA復合薄膜。濺射過程中，轉動襯底，輪流反應濺射Ti/HA靶和Ti靶，每次對Ti/HA靶和Ti靶的濺射為5秒鐘，共分別對Ti/HA靶和Ti靶濺射40分鐘。濺射沉積結束后，從真空室中取出樣品。
AFM結果顯示薄膜表面顆粒平均尺度為20nm左右。AES結果顯示薄膜厚度為20nm，薄膜中TiO2∶HA約為1∶9，Ca∶P約為1.7∶1。將樣品在模擬體液(SBF)浸泡一周后觀察薄膜沒有脫落剝落，模擬體液PH值沒有明顯變化，表明樣品生物穩定性良好。成骨細胞培養實驗表明樣品具有良好的生物活性。
權利要求
1.一種TiO2-HA生物醫用納米結構薄膜的制備方法，其特征在于，所述的薄膜中TiO2∶HA在1∶9-9∶1之間，Ca∶P在1.6∶1-1.7∶1之間，采用反應磁控濺射技術，并通過在薄膜中引入TiO2陶瓷成分，提高薄膜和鈦及其合金材料的結合強度；通過調整濺射參量和在薄膜中添加TiO2陶瓷成分，控制薄膜成分和顆粒尺度，提高薄膜在典型生理環境下的生物活性和穩定性，具體步驟如下(1)清洗、烘干、固定待處理的醫用植入物基材；(2)固定濺射靶材；(3)烘烤真空室，濺射清洗靶材表面；(4)待濺射清洗穩定后，通入氧氣，調節氬氣流量、氧氣流量、氬氣與氧氣的流量比、總氣壓以及Ti/HA靶濺射功率、Ti靶功率、襯底溫度，移開檔板，轉動襯底，輪流反應射頻濺射Ti/HA靶和反應直流濺射Ti靶，共反應濺射在待處理的醫用植入物基材上沉積TiO2-HA復合薄膜；(5)濺射沉積結束后，將樣品從真空室取出。
2.根據權利要求1所述的TiO2-HA生物醫用納米結構薄膜的制備方法，其特征是，所述的步驟(1)，具體是將待處理的醫用植入物基材先后置入丙酮和無水乙醇溶液中超聲清洗15分鐘，然后用去離子水沖洗，烘干后，固定于磁控濺射系統真空室的樣品基座上。
3.根據權利要求1所述的TiO2-HA生物醫用納米結構薄膜的制備方法，其特征是，所述的步驟(2)，具體是兩塊鈦靶分別固定在真空室中的兩個磁控陰極上，將HA靶放在其中一個鈦靶上，將清洗烘干后待處理的醫用植入物基材固定在磁控濺射系統真空室的樣品基座上，測量Ti/HA靶和Ti靶表面濺射區域的磁場強度，調節Ti/HA靶表面、Ti靶靶面至襯底的距離。
4.根據權利要求3所述的TiO2-HA生物醫用納米結構薄膜的制備方法，其特征是，Ti/HA靶和Ti靶表面濺射區域的磁場強度分別在2500高斯至3000高斯和2300高斯至2500高斯之間。
5.根據權利要求3所述的TiO2-HA生物醫用納米結構薄膜的制備方法，其特征是，Ti/HA靶表面至襯底的距離為60mm至110mm，Ti靶靶面至襯底的距離為60mm至90mm。
6.根據權利要求1所述的TiO2-HA生物醫用納米結構薄膜的制備方法，其特征是，所述的步驟(3)，具體是烘烤真空室，待本底真空抽至2×10-3Pa時，通入氬氣，對Ti/HA靶進行射頻濺射清洗，對Ti靶進行直流濺射清洗，濺射清洗過程中用檔板擋住襯底，保證濺射清洗過程中從靶材表面濺射出的成分不沉積到襯底上。
7.根據權利要求1所述的TiO2-HA生物醫用納米結構薄膜的制備方法，其特征是，所述的步驟(4)，調節氬氣流量在10-45sccm之間，調節氧氣流量在5-30sccm之間，氬氣與氧氣的流量比在1∶3至8∶1之間，總氣壓在1-5Pa之間。
8.根據權利要求1或者7所述的TiO2-HA生物醫用納米結構薄膜的制備方法，其特征是，所述的步驟(4)，Ti/HA靶濺射功率在50-150W之間，Ti靶功率在20-80W，調節襯底溫度至100-400℃之間。
9.根據權利要求1所述的TiO2-HA生物醫用納米結構薄膜的制備方法，其特征是，濺射沉積結束后，或將樣品置于退火爐中，在400攝氏度空氣氛圍或者水蒸汽氛圍中保持5-10小時，待退火處理結束后，將樣品從退火爐中取出。
10.根據權利要求1所述的TiO2-HA生物醫用納米結構薄膜的制備方法，其特征是，薄膜表面顆粒平均尺度在20-80nm之間，薄膜厚度在20-200nm之間。
全文摘要
一種生物材料技術領域的TiO
文檔編號A61L27/40GK1736493SQ200510028679
公開日2006年2月22日 申請日期2005年8月11日 優先權日2005年8月11日
發明者鐘曉霞, 吳曉晨, 周威, 夏宇興 申請人:上海交通大學