專利名稱：一種兼具成骨及抗菌性能的鈦表面改性方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種在醫(yī)療器械表面制備成骨和抗菌性兼具表面的方法，更確切地說(shuō)涉及的是一種可用于人工骨、人工關(guān)節(jié)和牙種植體表面的銀及鈣共注入工藝，賦予其兼具成骨和抗菌性能的表面改性方法。屬于醫(yī)用材料表面改性領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著材料表面涂層制備理論及技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，Ti植入體表面改性技術(shù)有了快速發(fā)展，這使Ti植入體生物相容性得到了進(jìn)一步提高。然而，如前所述，長(zhǎng)期臨床跟蹤及研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段致使植入體失效的主要原因有2個(gè)方面[BiomaCTomolecules,2009, 10:1603-1611 ;Tissue Engineering:Part A, 2 009，15:417-426.]:①植入體表面生物活性不夠理想，致使硬組織植入體骨整合能力差，與周圍組織結(jié)合不佳植入體表面無(wú)抗菌性，致使植入體相關(guān)細(xì)菌感染發(fā)生率高。因此，欲改善Ti植入效果，最佳方案是同時(shí)提高鈦植入體表面細(xì)胞相容性及抗菌性能。一方面，銀作為抑菌藥物使用早已被人們所熟知。早在公元前4000年人們就已開(kāi)始使用銀來(lái)預(yù)防感染[Surg Infect 2009，10:289-292]。硝酸銀被用以治療傷口慢性局部潰爛，可以追溯至17世紀(jì)[Burns 2000, 26:117-130] 隨著20世紀(jì)40年代青霉素的發(fā)明，銀作為抗感染藥物使用的頻率才有所減少[J Antimicrob Chemother2007, 59:587-590]。但近年，隨著抗生素耐藥性問(wèn)題日趨嚴(yán)重，銀的抗菌效用又開(kāi)始得到人們重視[J Antimicrob Chemother 2006, 57:589-608] 基于納米材料特殊物理化學(xué)性質(zhì)，銀納米顆粒作為新一代的抗菌材料，在繃帶、醫(yī)療器械、洗液等方面的應(yīng)用也有較多報(bào)道[Biotechnol Adv 2009，27:76_83]。雖然銀顆粒的抗菌或抑菌效果明顯，但其作用機(jī)理還沒(méi)有完全搞清楚，研究顯示銀可阻礙細(xì)菌膜電子轉(zhuǎn)移過(guò)程，破壞細(xì)菌膜結(jié)構(gòu)[Nat Mater2008，7:236-241]，但具體控制方法仍有待開(kāi)發(fā)。此外，游離態(tài)的銀納米顆粒容易被正常細(xì)胞吞噬并引起生物毒性[Biomaterials 2011, 32:9810-9817]，故銀納米顆粒生物毒性的控制也是其抗菌性能利用過(guò)程中應(yīng)該兼顧的方面。另一方面，鈣是成骨必需的營(yíng)養(yǎng)元素[J. Am. Coll. Nutr. ,2000，19:715-737.Crit. Rev. Food Sc1. Nutr. , 2006, 46:621-628.]。大量研究表明適當(dāng)?shù)?I丐可促進(jìn)成骨細(xì)胞分化、增殖及鈣化[Biomaterials 2005, 26:4847-4855]。細(xì)胞外鈣離子通過(guò)影響成骨細(xì)胞鈣敏感受體并進(jìn)一步控制其谷氨酸分泌，因此在骨重建起著關(guān)鍵作用[Bone 2010,46:571-576;Biomaterials 2011,32:2757-2774],雖然鈦表面鈣離子注入改性已有報(bào)道，并且也證實(shí)鈣注入可顯著改善鈦的成骨性能[Biomaterials 2001,22:2139-2151;Biomaterials 2005,26:4717-4727;Biomaterials2007，28:38-44;Biomaterials 2007, 28:3306-3313]。這種單獨(dú)鈣注入工藝，雖然促進(jìn)了成骨細(xì)胞的粘附、分化、增殖等行為，但是也同樣會(huì)促進(jìn)細(xì)菌在材料表面的粘附、增殖，不能實(shí)現(xiàn)兼具成骨與抗菌的目的。但是，一方面，這種單獨(dú)鈣注入工藝，雖然促進(jìn)了成骨細(xì)胞的粘附、分化、增殖等行為，但是也同樣會(huì)促進(jìn)細(xì)菌在材料表面的粘附、增殖，不能實(shí)現(xiàn)兼具成骨與抗菌的目的。另一方面，由于I丐的標(biāo)準(zhǔn)電極電位為 _2· 868V[ Vanysek P. Electrochemical series. CRCPress LLC，2000.]，化學(xué)活潑，易與水，與空氣中的氧反應(yīng)，致使純金屬鈣的加工、保存較難，因此現(xiàn)階段所報(bào)道的鈣注入工藝均采用束線式離子注入系統(tǒng)，以鈣粉末蒸發(fā)的方式作為離子源進(jìn)行，這種工藝不宜施行二元共注入，獲得具有多種生物效應(yīng)的改性表面?，F(xiàn)階段并沒(méi)有采用金屬鈣陰極脈沖弧作為等離子體浸沒(méi)離子注入弧源的報(bào)道。為此，本發(fā)明提出銀、鈣注入均采用陰極脈沖弧作為等離子體浸沒(méi)離子注入弧源，將銀和鈣同時(shí)引入鈦表面，以同時(shí)改善鈦表面的成骨及抗菌性能，具有顯著實(shí)用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明基于游離態(tài)的銀納米顆粒容易被正常細(xì)胞吞噬并引起生物毒性以及單獨(dú)鈣注入工藝，雖然促進(jìn)了成骨細(xì)胞的粘附、分化、增殖等行為，但是也同樣 會(huì)促進(jìn)細(xì)菌在材料表面的粘附、增殖，不能實(shí)現(xiàn)兼具成骨與抗菌的問(wèn)題，提出利用等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)，同時(shí)將銀和鈣注入到基材表面，提出了一種兼具成骨和抗菌性能表面的制備方法。在此，本發(fā)明提供一種兼具成骨及抗菌性能的鈦表面改性方法，其特征在于，采用等離子體浸沒(méi)離子注入處理工藝將銀離子和鈣離子共注入鈦基材表面，其中所述共注入為同時(shí)激發(fā)分別以純銀和純鈣為陰極的兩個(gè)陰極脈沖弧源進(jìn)行等離子體浸沒(méi)離子注入。本發(fā)明的方法采用等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)同時(shí)(同一爐處理)將銀和鈣離子都引入基材表面。本發(fā)明所述銀、鈣共注入改性方法可用于改善可植入醫(yī)療器械(如人工骨、人工關(guān)節(jié)和牙種植體)表面的成骨和抗菌性能。這樣所制備的改性后的材料其對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均具有顯著抑制效果。其對(duì)成骨相關(guān)細(xì)胞(BMSCs、MG63細(xì)胞)粘附和增殖具有顯著促進(jìn)作用。優(yōu)選地，本發(fā)明的方法所述等離子體浸沒(méi)離子注入處理的工藝參數(shù)為真空室溫度為20 60°C，真空度為3XE-3 4XE_3Pa ;注入電壓為15 40kV，脈寬為300 600 μ s，頻率為5 9Hz ;處理時(shí)間為O. 5 2. Oh。本發(fā)明的方法中還可以進(jìn)一步包括在剛加工好的鈣陰極表面涂覆碳覆蓋層。這樣可以延緩鈣在空氣中的氧化變質(zhì)過(guò)程并利于所述鈣陰極在空氣中的保存。碳覆蓋層須完整覆蓋所述陰極。覆蓋層厚度優(yōu)選為大于200納米。在本發(fā)明中，所述鈦基材可以為純鈦或鈦合金。本發(fā)明所述離子注入技術(shù)為等離子體浸沒(méi)離子注入(PIII)，該技術(shù)可對(duì)三維實(shí)體進(jìn)行表面處理，具有實(shí)用性。本發(fā)明制備工藝可控性好，易于推廣應(yīng)用。本發(fā)明的方法所制備的兼具成骨及抗菌性能的鈦表面改性材料，所述銀以單質(zhì)銀的形式“鑲嵌”在基材表面，不易游離被細(xì)胞吞噬而引起細(xì)胞毒性。而所述鈣則可以離子形式游離在液體(如生理體液)中，并影響細(xì)胞、細(xì)菌行為。本發(fā)明所制備銀、鈣共注入鈦表面，對(duì)金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽(yáng)性)和大腸桿菌(革蘭氏陰性)均有抗菌效果，具有廣譜抗菌特點(diǎn)；對(duì)成骨相關(guān)細(xì)胞的粘附、增殖、分化有顯著促進(jìn)作用，具有促進(jìn)成骨效果。


圖1為實(shí)施例1經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料表面銀、鈣X光電子能譜(XPS)深度分布曲線，可見(jiàn)經(jīng)本發(fā)明的方法改性后，銀、鈣均分布在改性后材料的表面；
圖2(a)為實(shí)施例1經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料表面XPS鈣2p的高分辨譜，可見(jiàn)改性后材料最外層表面只有鈣氧化物的峰；
圖2 (b)為實(shí)施例1經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料10納米深處XPS鈣2p的高分辨譜，可見(jiàn)改性后材料10納米深處有單質(zhì)鈣的峰；
圖3為實(shí)施例1經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示銀、鈣等離子體浸沒(méi)離子共注入材料可顯著促進(jìn)成骨相關(guān)MG63細(xì)胞增殖； 圖4為實(shí)施例1經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料可顯著抑制大腸桿菌增殖；
圖5為實(shí)施例2經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料掃描電鏡觀察，顯示經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料表面有銀納米顆粒形成；
圖6為實(shí)施例2經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示成骨相關(guān)MG63細(xì)胞可經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料的表面正常粘附、鋪展；
圖7為實(shí)施例2經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示本發(fā)明的方法改性后的材料可顯著抑制金黃色葡萄球菌增殖；
圖8為實(shí)施例3經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料表面X光電子能譜，結(jié)果顯示離子注入處理后，銀、鈣均分布在改性后材料的表面；
圖9為實(shí)施例3經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)可迅速在本發(fā)明的方法改性后的材料表面粘附、鋪展、增殖；
圖10為實(shí)施例3經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示本發(fā)明的方法改性后的材料可顯著抑制金黃色葡萄球菌增殖；
圖11為實(shí)施例4經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料表面X光電子能譜，結(jié)果顯示經(jīng)本發(fā)明的方法改性后，銀、鈣均分布在改性后材料的表面；
圖12為實(shí)施例4經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示本發(fā)明的方法改性后的材料可顯著促進(jìn)成骨相關(guān)MG63細(xì)胞增殖；
圖13為實(shí)施例4經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料可顯著抑制金黃色葡萄球菌增殖；
圖14為實(shí)施例5制備的改性材料的材料抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示經(jīng)本實(shí)施例的方法改性后的材料不具有顯著抑菌效果；
圖15為實(shí)施例6制備的改性材料的體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯示銀/鈣共注入改性材料比單獨(dú)鈣及單獨(dú)銀注入材料對(duì)BMSCs細(xì)胞粘附的促進(jìn)效果更顯著。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖及下述實(shí)施方式進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，應(yīng)理解，下述實(shí)施方式和/或附圖僅用于說(shuō)明本發(fā)明，而非限制本發(fā)明。本發(fā)明基于游離態(tài)的銀納米顆粒容易被正常細(xì)胞吞噬并引起生物毒性以及單獨(dú)鈣注入工藝，雖然促進(jìn)了成骨細(xì)胞的粘附、分化、增殖等行為，但是也同樣會(huì)促進(jìn)細(xì)菌在材料表面的粘附、增殖，不能實(shí)現(xiàn)兼具成骨與抗菌的問(wèn)題，提出利用等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)，同時(shí)將銀和鈣注入到基材表面，提出了一種兼具成骨和抗菌性能表面的制備方法。為此，本發(fā)明提供一種兼具成骨及抗菌性能的鈦表面改性方法，其特征在于，采用等離子體浸沒(méi)離子注入處理工藝將銀離子和鈣離子共注入鈦基材表面，其中所述共注入為同時(shí)激發(fā)分別以純銀和純鈣為陰極的兩個(gè)陰極脈沖弧源進(jìn)行等離子體浸沒(méi)離子注入。本發(fā)明所述銀、鈣共注入改性方法可用于改善可植入醫(yī)療器械(如人工骨、人工關(guān)節(jié)和牙種植體)表面的成骨和抗菌性能。更具體地，作為示例，本發(fā)明可以包括以下步驟
a)先對(duì)基材表面油污去除；
b)然后采用等離子體浸沒(méi)離子注入技術(shù)(PIII)對(duì)基材進(jìn)行銀、鈣離子共注入。
在步驟b)中，PIII處理，采用脈沖弧源，以純銀和純鈣為陰極。PIII處理工藝參數(shù)為真空室溫度為20 60°C，真空度為3XE-3 4XE_3Pa，注入電壓為15 40kV，脈寬為300 600 μ s，頻率為5 9Hz，處理時(shí)間為O. 5 2h。上述銀、鈣等離子體浸沒(méi)離子注入為同時(shí)、同爐進(jìn)行。又，所述基材可為醫(yī)用純鈦或鈦合金。在步驟b)中，所述“共注入”為同時(shí)激發(fā)兩個(gè)陰極脈沖弧源(分別為銀、鈣)進(jìn)行等離子體浸沒(méi)離子注入。這不同于先激發(fā)其中一個(gè)陰極脈沖弧源注入一種元素后再激發(fā)另一個(gè)陰極脈沖弧源注入另一種元素的情況(此情況本發(fā)明稱為先后注入)。本發(fā)明所述鈣陰極在空氣中保存時(shí)，應(yīng)在剛加工好的鈣陰極表面涂覆碳覆蓋層，以延緩其在空氣中的氧化變質(zhì)過(guò)程。涂覆碳覆蓋層例如可用普通鉛筆(如2B)實(shí)施，碳覆蓋層須完整覆蓋陰極，厚度例如可大于200納米。本發(fā)明將銀和鈣同時(shí)引入鈦表面，以同時(shí)改善鈦表面的成骨及抗菌性能，具有顯著實(shí)用性。下面進(jìn)一步例舉實(shí)施例以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。同樣應(yīng)理解，以下實(shí)施例只用于對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的上述內(nèi)容作出的一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。下述示例具體的溫度、時(shí)間、工藝參數(shù)等也僅是合適范圍中的一個(gè)示例，即、本領(lǐng)域技術(shù)人員可以通過(guò)本文的說(shuō)明做合適的范圍內(nèi)選擇，而并非要限定于下文示例的具體數(shù)值。實(shí)施例1
(a)以醫(yī)用純鈦為基材，表面丙酮去油處理后裝爐，采用脈沖弧源，以純銀、純鈣為陰極，用普通鉛筆(如2B)在鈣陰極上涂覆一層完整的碳覆蓋層，厚度大于200納米，然后進(jìn)行銀、鈣等離子體浸沒(méi)離子共注入處理。離子注入采用具兩個(gè)脈沖弧源的離子注入機(jī)，兩個(gè)脈沖弧源聯(lián)動(dòng)控制。離子注入工藝參數(shù)為真空室溫度為50 60°C，真空度為3XE-3 4XE-3Pa，注入電壓為30 40kV，脈寬為 300 450μs，頻率為5 7Hz，處理時(shí)間為 l.Oh ；
(b)X光電子能譜分析(使用儀器為美國(guó)PE-PHI公司PHI5802)，顯示離子注入處理后，銀、鈣均分布在材料的表面(圖1)，材料的最外層表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)鈣單質(zhì)所對(duì)應(yīng)的結(jié)合能峰(圖2a)，僅有氧化鈣(2ρ3/2=347·423)、碳酸鈣(2ρ3/2=347. 035)以及額外的2ρ3/2=348. 183 (可能與銀形成合金)峰；但是在材料的表面IOnm深處(圖2b),卻可找到單質(zhì)鈣的結(jié)合能峰(2p3/2=344. 502)，除此之外，還有氧化鈣(2p3/2=347. 220)及額外的2p3/2=348.079(可能與銀形成合金)峰。氧化鈣和碳酸鈣的形成與鈣元素的高反應(yīng)活性，材料在空氣中較長(zhǎng)時(shí)間暴露有關(guān)；(C)體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)(采用alamarBlue assay,阿爾瑪藍(lán)還原方法)，顯示經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料可顯著促進(jìn)成骨相關(guān)MG63細(xì)胞增殖(圖3);
(d)抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果(將細(xì)菌種在樣品表面，在37°C下培養(yǎng)一定時(shí)間后，脫水干燥在掃描電鏡下觀察)，顯示經(jīng)本發(fā)明的方法改性后的材料可顯著抑制大腸桿菌增殖(圖4)。實(shí)施例2
(a)以醫(yī)用純鈦為基材，表面丙酮去油處理后裝爐，采用脈沖弧源，以純銀、純鈣為陰極，用普通鉛筆(如2B)在鈣陰極上涂覆一層完整的碳覆蓋層，厚度大于200納米，然后進(jìn)行銀、鈣等離子體浸沒(méi)離子共注入處理。離子注入采用具兩個(gè)脈沖弧源的離子注入機(jī)，兩個(gè)脈沖弧源聯(lián)動(dòng)控制。離子注入工藝參數(shù)為真空室溫度為20 40°C，真空度為3XE-3 4XE-3Pa，注入電壓為15 25kV，脈寬為500 600 μ S，頻 率為7 9Hz，處理時(shí)間為O. 5h ；
(b)掃描電鏡觀察，顯示離子注入處理后，材料表面有銀納米顆粒形成(圖5);
(c)體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)(將細(xì)胞種在樣品表面，在CO2培養(yǎng)箱中37°C下培養(yǎng)一定時(shí)間后，脫水干燥在掃描電鏡下觀察)，顯示成骨相關(guān)MG63細(xì)胞可在銀、鈣等離子體浸沒(méi)離子共注入材料的表面正常粘附、鋪展(圖6);
(d)抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果(將細(xì)菌種在樣品表面，在37°C下培養(yǎng)一定時(shí)間后，脫水干燥在掃描電鏡下觀察)，顯示銀、鈣等離子體浸沒(méi)離子共注入材料可顯著抑制金黃色葡萄球菌增殖(圖 7)。實(shí)施例3
(a)以醫(yī)用純鈦為基材，表面丙酮去油處理后裝爐，采用脈沖弧源，以純銀、純鈣為陰極，用普通鉛筆(如2B)在鈣陰極上涂覆一層完整的碳覆蓋層，厚度大于200納米，然后進(jìn)行銀、鈣等離子體浸沒(méi)離子共注入處理。離子注入采用具兩個(gè)脈沖弧源的離子注入機(jī)，兩個(gè)脈沖弧源聯(lián)動(dòng)控制。離子注入工藝參數(shù)為真空室溫度為30 50°C，真空度為3XE-3 4XE-3Pa,注入電壓為25 30kV，脈寬為400 550 μ S，頻率為6 8Hz，處理時(shí)間為2. Oh ；
(b)X光電子能譜分析(使用儀器為美國(guó)PE-PHI公司PHI5802)，顯示離子注入處理后，銀、鈣均分布在材料表面(圖8);
(c)體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)(將細(xì)胞種在樣品表面，在CO2培養(yǎng)箱中37°C下培養(yǎng)一定時(shí)間后，染色后在光學(xué)顯微鏡下觀察)，顯示大鼠骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(BMSCs)可迅速在銀、鈣等離子體浸沒(méi)離子共注入材料表面粘附、鋪展、增殖(圖9);
(d)抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果(將細(xì)菌種在樣品表面，在37°C下培養(yǎng)一定時(shí)間后，脫水干燥在掃描電鏡下觀察)，顯示銀、鈣等離子體浸沒(méi)離子共注入材料可顯著抑制金黃色葡萄球菌增殖(圖 10)。實(shí)施例4
(a)以醫(yī)用純鈦為基材，表面丙酮去油處理后裝爐，采用脈沖弧源，以純銀、純鈣為陰極，用普通鉛筆(如2B)在鈣陰極上涂覆一層完整的碳覆蓋層，厚度大于200納米，然后進(jìn)行銀、鈣等離子體浸沒(méi)離子共注入處理。離子注入采用具兩個(gè)脈沖弧源的離子注入機(jī)，兩個(gè)脈沖弧源聯(lián)動(dòng)控制。離子注入工藝參數(shù)為真空室溫度為45 55°C，真空度為3XE-3 4XE-3Pa，注入電壓為28 38kV，脈寬為400 550μs，頻率為7 8Hz，處理時(shí)間為1. 5h ；
(b)X光電子能譜分析(使用儀器為美國(guó)PE-PHI公司PHI 5802)，顯示離子注入處理后，銀、鈣均分布在材料表面(圖11);(C)體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)(采用alamarBlue assay,阿爾瑪藍(lán)還原方法)，顯示銀、韓等離子體浸沒(méi)離子共注入材料可顯著促進(jìn)成骨相關(guān)MG63細(xì)胞增殖(圖12);
(d)抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果(采用菌落數(shù)實(shí)驗(yàn)方法)，顯示銀、鈣等離子體浸沒(méi)離子共注入材料可顯著抑制金黃色葡萄球菌增殖(圖13)。實(shí)施例5
(a)以醫(yī)用純鈦為基材，表面丙酮去油處理后裝爐，采用脈沖弧源，先以純鈣為陰極，用普通鉛筆(如2B)在鈣陰極上涂覆一層完整的碳覆蓋層，厚度大于200納米，然后進(jìn)行鈣等離子體浸沒(méi)離子注入處理。離子注入采用具兩個(gè)脈沖弧源的離子注入機(jī)，兩個(gè)脈沖弧源聯(lián)動(dòng)控制。離子注入工藝參數(shù)為真空室溫度為45 55°C，真空度為3XE-3 4XE-3Pa，注入電壓為28 38kV，脈寬為400 550 μ S，頻率 為7 8Hz，處理時(shí)間為1. Oh ；
(b)對(duì)進(jìn)行過(guò)(a)步驟處理的材料，以純銀為陰極，再進(jìn)行銀等離子體浸沒(méi)離子共注入處理。離子注入工藝參數(shù)為真空室溫度為45 55°C，真空度為3XE-3 4XE_3Pa，注入電壓為28 38kV，脈寬為400 550 μ S，頻率為7 8Hz，處理時(shí)間為1. Oh ；
(c)抗菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果(將細(xì)菌種在樣品表面，在37°C下培養(yǎng)一定時(shí)間后，脫水干燥在掃描電鏡下觀察)，顯示鈣、銀先后等離子體浸沒(méi)離子注入的材料對(duì)金黃色葡萄球菌增殖不具有顯著抑制效果(圖14)。實(shí)施例6
(a)以醫(yī)用純鈦為基材，表面丙酮去油處理后裝爐，采用脈沖弧源，以純銀、純鈣為陰極，用普通鉛筆(如2B)在鈣陰極上涂覆一層完整的碳覆蓋層，厚度大于200納米，然后進(jìn)行銀/鈣等離子體浸沒(méi)離子共注入及鈣、銀單獨(dú)等離子體浸沒(méi)離子注入處理。離子注入采用具兩個(gè)脈沖弧源的離子注入機(jī)，兩個(gè)脈沖弧源聯(lián)動(dòng)控制。離子注入工藝參數(shù)均為真空室溫度為45 55°C，真空度為3XE-3 4XE_3Pa，注入電壓為25 35kV，脈寬為400 550 μ S，頻率為7 8Hz，處理時(shí)間為1. 5h ；
(b)體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)(將細(xì)胞種在樣品表面，在CO2培養(yǎng)箱中37°C下培養(yǎng)一定時(shí)間后，染色后在光學(xué)顯微鏡下觀察)，顯示銀/鈣共注入改性材料比單獨(dú)鈣及單獨(dú)銀注入改性材料對(duì)BMSCs細(xì)胞粘附的促進(jìn)效果更顯著(圖15)。實(shí)施例5對(duì)比了金黃色葡萄在鈣、銀先后注入及不注入鈦表面的粘附情況，雖然材料表面同時(shí)注入有鈣、銀兩種元素，但其對(duì)金黃色葡萄球菌并不具有顯著抑制效果，這說(shuō)明在某些情況鈣的存在可削弱銀的抗菌性表現(xiàn)。實(shí)施例6對(duì)比了干細(xì)胞(BMSC)在銀/鈣共注入，單注鈣，單注銀及純鈦表面培養(yǎng)I小時(shí)后的粘附情況，可見(jiàn)銀/鈣共注入表面對(duì)細(xì)胞粘附的促進(jìn)效果顯著優(yōu)于單注入鈣離子，單注入銀離子的情況，這說(shuō)明銀/鈣共注入表面不但對(duì)細(xì)菌具有協(xié)同效應(yīng)(實(shí)施例1)，銀/鈣共注入的協(xié)同效果不是簡(jiǎn)單的兩種元素分別注入效果的簡(jiǎn)單疊加，對(duì)正常細(xì)胞也有協(xié)同效應(yīng)。產(chǎn)業(yè)應(yīng)用性根據(jù)本發(fā)明所述銀/鈣共注入表面具有抑制細(xì)菌粘附、增殖，而促進(jìn)正常細(xì)胞增殖的特征。本發(fā)明所述工藝簡(jiǎn)單易行，可應(yīng)用于植入器械(如牙種植體、人工關(guān)節(jié)等)表面改性。
權(quán)利要求
1.一種兼具成骨及抗菌性能的鈦表面改性方法，其特征在于，采用等離子體浸沒(méi)離子注入處理工藝將銀離子和鈣離子共注入鈦基材表面，其中所述共注入為同時(shí)激發(fā)分別以純銀和純鈣為陰極的兩個(gè)陰極脈沖弧源進(jìn)行等離子體浸沒(méi)離子注入。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的改性方法，其特征在于，所述等離子體浸沒(méi)離子注入處理的工藝參數(shù)為真空室溫度為20 60°C，真空度為3XE-3 4XE_3Pa ;注入電壓為15 40kV,脈寬為300 600 u s,頻率為5 9Hz ;處理時(shí)間為0. 5 2. Oh。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的改性方法，其特征在于，所述鈦基材為醫(yī)用純鈦或鈦合 金。
4.一種兼具成骨及抗菌性能的鈦表面改性材料,其特征在于,所述材料由權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的改性方法制備。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種兼具成骨及抗菌性能的鈦表面改性方法，采用等離子體浸沒(méi)離子注入處理工藝將銀離子和鈣離子共注入鈦基材表面，其中所述共注入為同時(shí)激發(fā)分別以純銀和純鈣為陰極的兩個(gè)陰極脈沖弧源進(jìn)行等離子體浸沒(méi)離子注入。本發(fā)明所述銀、鈣共注入改性方法可用于改善可植入醫(yī)療器械(如人工骨、人工關(guān)節(jié)和牙種植體)表面的成骨和抗菌性能。這樣所制備的改性后的材料對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均具有顯著抑制效果。其對(duì)成骨相關(guān)細(xì)胞(BMSCs、MG63細(xì)胞)粘附和增殖具有顯著促進(jìn)作用。
文檔編號(hào)A61L27/54GK103014646SQ201210537119
公開(kāi)日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月12日
發(fā)明者曹輝亮, 劉宣勇 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所