[发明专利]一种钛离子注入沉积对生物降解镁和镁合金进行表面改性的方法

说明书

技术领域

本发明属于一种生物降解镁和镁合金Mg-X(X＝Zn、Ca、Sr、Zr等生物相容性元素中的一种或两种以上)的表面改性技术，采用离子注入方法将钛离子注入到镁合金浅层表面以形成过渡层，随后利用离子束增强沉积方法将钛元素沉积到过渡层上，最终在镁合金表面制备具有过渡层的钛金属薄膜。

背景技术

目前医学临床广泛应用的金属材料主要包括316L不锈钢、NiTi合金和钴铬合金等，它们被用来制造骨科固定物(如骨钉、接骨板等)以及心脑血管支架等。这些材料具有优异的耐腐蚀性能，在体内生理环境可以长时间保持稳定。然而，长期存在植入部位的金属材料可能会造成组织炎症和血管再狭窄等不良反应，因此植入体在完成功能后需要进行二次手术取出，这不仅增大了患者痛苦，而且增加了手术费用。

镁和镁合金用于生物医用领域具有很多优势：机械性能方面，镁合金密度小、比强度高、弹性模量接近人骨，可以有效减小应力屏蔽效应；生物相容性方面，镁是人体细胞内主要的阳离子以及某些生物活性酶的重要组成成分，参与人体正常生命活动和新陈代谢过程；降解性方面，镁和镁合金在人体生理环境中化学性质十分活泼，其结构会逐渐发生破坏，降解产物可以随新陈代谢过程排出体外。通过在镁基体中加入适量的生物相容性元素，如Zn、Ca、Sr、Zr等，可以进一步提高其机械性能、生物相容性和耐腐蚀性能。综上所述，镁和镁合金是重要的骨科固定物和心血管植入物用可降解金属材料。

然而，镁和镁合金过快的腐蚀速率是限制其临床应用的首要问题。一般来说，理想的可降解骨科固定物和心血管植入物材料需要在六个月内保持其结构完整性，但是镁和镁合金的降解速率过快，往往在三个月内即发生严重腐蚀而丧失力学支撑功能，所以需要进一步降低其降解速率。钛是一种生物相容性良好的金属，具有强度高、延展性好、耐腐蚀性优异的特点。钛和钛合金在骨科、整形外科等领域已经成功临床应用多年。如果能在镁和镁合金表面制备一种结合力良好、厚度适中的钛薄膜就可以解决其降解速率过快的问题，同时保证材料的良好生物相容性和力学性能。

文献(Fei Chen,Hai Zhou,Suo Cai,Fanxiu Lv,Chengming Li,Corrosion resistance properties of AZ31 magnesium alloy after Ti ion implantation,Rare Metals 26(2)2007 142-146.)报道了一种离子注入表面改性AZ31镁合金的方法，以提高镁合金基体的耐腐蚀性能。但是，金属离子注入方法改性镁合金的自身技术特点限制了改性层的厚度，并且最外层表面通常是金属钛和金属镁的混合物形式，这样在腐蚀介质中会形成电偶，镁作为阳极而加速腐蚀。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提出了一种钛离子注入沉积对生物降解镁和镁合金进行表面改性的方法，首先采用离子注入方法在镁和镁合金表面制备了一层3-6μm厚的过渡层，该过渡层由钛氧化物和氧化镁组成；然后采用离子束增强沉积方法在过渡层表面制备一层金属钛薄膜。过渡层的存在保证了表面钛薄膜与基体之间具有良好的结合力，在受到外力的作用时不易剥落。在体液环境下，表面钛薄膜先被腐蚀，由于过渡层的存在，钛薄膜与基体具有很好的结合力，不易在腐蚀过程中剥落；当钛薄膜和过渡层完全腐蚀后，镁和镁合金基体才开始逐渐腐蚀，因此腐蚀过程中力学强度在腐蚀初期变化缓慢，这有利于对受损骨组织或心血管病变组织提供力学支撑。此外，钛薄膜可以提高镁和镁合金植入物的整体机械强度，从而达到减小植入物尺寸的目的。可以作为钛离子注入沉积基底的镁和镁合金包括常规熔炼工艺制备的平衡态镁合金、粉末冶金和快速凝固等技术制备的非平衡态镁合金以及镁基复合材料等。

本发明的目的是提出一种使用钛离子注入沉积对镁和镁合金Mg-X(X＝Zn、Ca、Sr、Zr等生物相容性元素中的一种或两种以上)进行表面改性的方法。通过离子注入方法在镁和镁合金表面形成了掺杂钛离子的复合过渡层，该过渡层由钛氧化物和氧化镁构成，厚度在3～6μm。然后利用离子束增强沉积技术在该过渡层上制备了2～4μm钛薄膜。混合氧化物过渡层提高了钛薄膜与基体间的结合力，致密的钛薄膜提高了基体耐腐蚀性能。此外，钛薄膜具有良好的生物相容性。因此制备得到的钛离子注入沉积镁和镁合金是一种生物相容性好，耐腐蚀性能介于钛与镁和镁合金之间的材料，其综合性能明显优于金属离子注入方法制备的样品。因此，采用离子注入沉积技术制备的钛薄膜主要可以解决如下两方面问题：(1)钛薄膜与镁和镁合金基体结合力良好；(2)钛薄膜提高了镁和镁合金的耐腐蚀性能。