[发明专利]一种生物医用NiTi合金表面制备类金刚石涂层的方法

说明书

技术领域：

本发明属于涂层材料制备领域，涉及一种生物医用NiTi合金表面制备力学和生物学性能优良的类金刚石涂层的方法。

背景技术：

近等原子比的NiTi(50.8at.％Ni)合金(以下简称NiTi合金)具有独特的形状记忆效应和超弹性行为，因此，在微创介入医疗、矫形外科等医学领域有广阔的应用前景。但是裸露的NiTi合金植入人体后，存在与人体组织摩擦系数高、血液相容性及腐蚀性能差等问题。

为了解决上述问题，目前国内外常用的方法是对NiTi合金进行表面改性处理。表面改性常用的方法有离子注入、高温氧化及沉积涂层等。离子注入碳、氮及氧可以抑制Ni离子的析出并大幅改善NiTi合金的抗腐蚀和抗磨损性能。研究表明，NiTi合金经过碳、氮、氧离子注入处理90-240分钟及450-600℃的真空退火后，注入原子的深度在200nm以内，其中，氮离子注入表层的生物学性能最佳。但这种工艺反应层厚度(＜200nm)有限，因此抑制Ni离子析出能力有限，并且诸多实验证实，其生物相容性不及涂层材料。高温氧化是将NiTi合金在空气中加热到某一温度(一般为300-600℃)并且保温一定时间，由于NiTi合金中Ti的选择性氧化而在表面形成一层TiO₂保护层，通过调控加热温度和保温时间，从而使TiO₂保护层具有不同的厚度(0.1-10μm)。TiO₂保护层越厚，其抑制Ni离子析出和抗腐蚀性越好，但是同时也会使Ni在TiO₂层下方富集，形成富Ni层，并且TiO₂层越厚，富Ni层越明显。当在外力作用下脆性的TiO₂层破裂时，富Ni层就会暴露从而使Ni离子加速析出，并形成电偶腐蚀而加速NiTi合金植入器件的破坏。

NiTi合金表面沉积涂层可显著改善其力学与生物学性能。目前，硬质涂层的制备方法主要有物理气相沉积技术和化学气相沉积技术。其中，物理气相沉积包括电弧离子镀、磁控溅射离子镀和电弧增强磁控溅射离子镀等方法；化学气相沉积包括高温化学气相沉积、脉冲直流等离子体增强化学气相沉积、微波等离子体增强化学气相沉积和射频等离子体增强化学气相沉积等。但化学气相沉积普遍温度较高(≥500℃)，高的沉积温度会对NiTi合金的超弹性行为造成影响。当前，物理气相沉积是在生物医用NiTi合金表面制备涂层的理想方法，特别是电弧增强磁控溅射离子镀具有涂层生长速度快、膜基结合力好等优点，并且集成了磁控溅射和电弧离子镀的优点，所制备的涂层结合力强，表面光洁度高，组织致密，因此其应用潜力大。

类金刚石涂层具有高的硬度、低的摩擦系数，以及良好的生物相容性和抗腐蚀性等优点。因此，在生物医用NiTi合金表面沉积类金刚石涂层将有望显著改善NiTi合金的磨损性能、血液相容性和抗腐蚀性。此前虽然有报道采用电弧离子镀在生物医用NiTi合金表面沉积类金刚石涂层，但是由于电弧离子镀膜的机理是使材料蒸发电离并沉积，因此不可避免地使膜层中存在粗大熔滴，从而增大了涂层的表面粗糙度，并且粗大的熔滴在外力作用下容易产生应力集中而导致涂层破裂而失效。

发明内容：

基于上述各种表面改性和涂层制备方法的不足，本发明的目的在于，提供一种在生物医用NiTi合金表面形成结合力强，而且力学和生物学性能优良的类金刚石涂层制备的新方法，该方法制备的类金刚石涂层，有望从根本上解决生物医用NiTi合金表面力学和生物学性能不足的难题。

为了实现上述任务，本发明采取如下的解决方案：

一种生物医用NiTi合金表面制备类金刚石涂层的方法，该方法包括下列步骤：

(a)基体预处理：将基体表面除油、抛光、浸入丙酮中超声波清洗和采用酒精脱水；

(b)将预处理好的基体放入电弧增强磁控溅射离子镀膜设备的转架杆上面，转架杆固定在台架上，转架杆随台架转动的同时自转，柱弧Ti靶作为Ti源，平面C靶作为碳元素的来源，采用平面对靶的方式将平面C靶安置在炉体内壁上；

(c)通入氩气到真空室，对真空室和预处理好的基体进行清洗；