CN106637121B - 一种医用钛基金属材料及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种医用钛基金属材料及其制造方法。所述方法采用等离子体浸没离子注入法直接将锰注入钛基金属材料基底的表面及亚表面中。本发明的医用钛基金属材料经过等离子体浸没离子注入法进行锰注入改性而包括锰掺杂改性层。本发明材料能够持续缓慢释放锰离子，对革兰氏阴性大肠杆菌及绿脓杆菌的生长有一定的抑制作用，并能够促进骨髓间充质干细胞的成骨分化能力，从而解决了现有医用钛材料存在的抗菌性和成骨性能较差等问题。

Description

一种医用钛基金属材料及其制造方法
技术领域
本发明属于医用金属材料领域，涉及一种掺锰医用钛金属材料及其制造方法。
背景技术
钛及其合金因其良好的力学性能和生物相容性，因此已经成为整形外科的首选硬组织替换材料[Progress in Materials Science 2009,54:397-425.]。但长期临床研究发现，现今导致钛材料植入手术失效的主要因素包括如下两方面：①植入体表面生物活性不够理想，致使硬组织植入体骨再生能力差(或再生缓慢)，与周围组织结合不佳；②植入体表面无抗菌性，致使植入体相关细菌感染频频发生。在生物环境与植入体材料的反应中，材料的表面起着非常重要的作用。因此，通过一定表面改性技术，控制植入体材料表面的结构和成分特性可有效改善材料的植入效果[Materials Science&Engineering R-Reports2004,47:49-121.]。
锰是一种对骨生长和发育具有重要作用的微量元素[Journal of traceelements in medicine and biology:organ of the Society for Minerals and TraceElements 2012,26:149-52.]，是体内碳水化合物的新陈代谢及骨内粘多糖的合成过程中的重要辅因子[Biological trace element research 2008,124:28-34.]，在某些关乎新陈代谢的信号通路及细胞内部的稳态平衡中起着重要作用[Trends in biotechnology2013,31:594-605.]。但是，研究表明过量锰元素掺杂会引发细胞毒性或者对细胞成骨分化产生不利影响[Applied Surface Science 2011,258:977-985；Journal of MaterialsChemistry B 2014,2:5397-5408.]。另一方面，有研究表明，氧化锰材料还是一种无机抗菌剂，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等多种细菌有较为显著的抑菌杀菌效果[Appliedmicrobiology and biotechnology 2012,95:213-22；Ceramics International 2013,39:2239-46.]。因此，本发明拟寻求一种方法在钛表面进行锰元素微量掺杂并对掺杂量加以精确控制，以期平衡锰元素诱导产生的成骨分化效应及细胞毒性，获得可应用于临床的钛基骨组织修复与替换材料。
发明内容
本发明为了解决现有医用钛基金属材料抗菌性及成骨愈合性能不足的问题，提供一种制造医用钛基金属材料的方法，以满足可供临床使用医用钛基金属材料对抗菌及快速成骨性能的需求。
本发明在第一方面提供了一种制造医用钛基金属材料的方法，所述方法采用等离子体浸没离子注入法直接将锰注入钛基金属材料基底的表面。
本发明在第二方面提供了一种医用钛基金属材料，所述医用钛基金属材料经过等离子体浸没离子注入法进行锰注入改性而包括锰掺杂改性层。
本发明所述的医用钛基金属材料或者由本发明方法制得的医用钛基金属材料掺杂有锰元素，改性层与基体之间无明显界限，锰离子以金属态形式存在于改性层内部，以氧化态形式存在于改性层表面。通过调整锰离子注入脉宽及注入时间，改性层表面锰元素在0～20at％范围内可控；在浸泡在生理盐水中，锰离子能够在较长时间内从涂层中连续缓慢释放。这一效应使得改性层与纯钛相比，具有良好的细胞相容性和抗菌性能。骨髓间充质干细胞在改性层表面能够快速粘附和增殖并向成骨细胞方向分化，对革兰氏阴性的大肠杆菌及绿脓杆菌有轻微的抑菌效果，能够降低上述两种细菌的增殖率。采用本发明改性得到的钛或钛合金，可直接用作承载骨组织替换与修复材料。
与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：
1、本发明方法是在钛或钛合金基底表面直接原位改性得到锰掺杂改性层，在保留钛基材料原有力学及生物学性能的前提下，通过调整钛表面锰元素的含量，提高了基底材料的抗菌和成骨性能；
2、本发明制备工艺稳定可控，操作简单，全方位注入，不受工件形状限制；
3、经本发明制备的锰掺杂改性层和金属钛基体之间无明显界限和间隙，具有相近的物化性能，不会引起明显内应力；
4、本发明制备的锰掺杂改性层可长时间缓慢释放锰离子。
5、本发明制备的锰掺杂改性层对革兰氏阴性的大肠杆菌和绿脓杆菌有一定的抗菌效应，有望有效预防和治疗植入体术后感染。
6、本发明制备的锰掺杂改性层有较优异的生物相容性，骨髓间充质干细胞在该涂层有更为显著的成骨表达，可用作股骨、髋关节等承受大负荷部位的替换材料；
附图说明
图1是经实施例1改性处理得到的锰掺杂改性材料与纯钛表面扫描电镜形貌对照图。(a/c)为纯钛，(b/d)为改性处理钛材料。
图2是经实施例1改性处理得到的锰掺杂改性层的锰元素深度XPS分布图。
图3是经实施例2改性处理得到的锰掺杂改性层的锰元素XPS深度分布图。
图4是经实施例2改性处理得到的锰掺杂改性层表面高分辨XPS图谱。
图5是经实施例2改性处理得到的锰掺杂改性层内层高分辨XPS图谱。
图6是经实施例2改性处理得到的锰掺杂改性层在生理盐水中浸泡不同周期的锰离子释放规律。
图7是经实施例5改性处理前后的钛金属材料抗绿脓杆菌实验结果，(a)纯钛；(b)改性得到的锰掺杂改性层。
图8是经本发明改性处理前后的钛金属材料骨髓间充质干细胞粘附图，(a/d)纯钛；(b/e)实施例1改性得到的锰掺杂改性层；(c/f)实施例2改性得到的锰掺杂改性层。
具体实施方式
如上所述，本发明在第一方面提供了一种制造医用钛基金属材料的方法，所述方法采用等离子体浸没离子注入法直接将锰注入钛基金属材料基底的表面。
在一些实施方式中，所述等离子体浸没离子注入法采用钛或者钛合金作为基底，使用纯锰作为阴极进行。
在一些优选的实施方式中，所述等离子体浸没离子注入法采用如下工艺参数进行：本底真空度为3×10-3～5×10-3Pa(例如3、4或5×10-3Pa)，注入电压为10～40kV(例如10、20、30或40kV)，脉宽为500～800μs(例如500、600、700或800μs)，频率为5～10Hz(例如5、6、7、8、9或10Hz)，注入时间为0.5～3小时(例如为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5或3.0小时)。
在一些更优选的实施方式中，所述等离子体浸没离子注入法采用如下工艺参数进行：本底真空度为5×10-3，注入电压为30kV，脉宽为500～800μs(例如500、600、700或800μs)，频率为5Hz，注入时间为1～1.5h(例如为0.5、1.0或1.5小时)。
在一些优选的实施方式中，所述方法还包括在进行等离子体浸没离子注入之前使用酸对基底进行处理然后洗涤的步骤。优选的是，所述酸为硝酸和氢氟酸的混酸；另外优选的是，所述洗涤步骤通过依次用使用丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗来进行。
在一些优选的实施方式中，锰注入深度为80nm至120nm(例如80、90、100、110或120nm)，优选为100nm。
本发明方法本身具有稳定可控、操作简单、能够全方位注入而不受工件形状限制等优点。
本发明在第二方面提供了一种医用钛基金属材料，所述医用钛基金属材料经过等离子体浸没离子注入法进行锰注入改性而包括锰掺杂改性层。
在一些优选的实施方式中，所述材料在生理盐水中可释放锰离子。
在一些优选的实施方式中，所述材料含有注入深度为80nm至120nm，优选为100nm的锰。
在一些优选的实施方式中，所述医用钛基金属材料在材料中含有以单质形式存在的锰，并且在材料的表面含有以氧化锰的形式存在的锰。
在一些优选的实施方式中，所述锰在所述材料的深度方向的分布呈现高斯分布。
在一些优选的实施方式中，所述材料的表面的锰离子原子百分比为大于0～13.4at％(例如为1、2、3、5、6、6.2、7、8、9、10、11、12、13、13.4at％)，例如可以为大于0～6.2at％、大于0～10at％、6.2at％～10at％、6.2at％～13.4at％、或者10at％～13.4at％。
在一些优选的实施方式中，所述材料表面的锰元素的峰值原子百分比大于0～17.5at％(例如为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17或17.5at％)，例如为大于0～10at％或者10at％～17.5at％。
在一些更为优选的实施方式中，所述材料由本发明第一方面所述的方法制得。
由于本发明材料或者由本发明方法制得的材料在生理盐水中能够持续缓慢释放锰离子，因而对革兰氏阴性大肠杆菌及绿脓杆菌等都有一定抑菌效果，例如具有60％的抑菌效果。另外，本发明的材料使得例如大鼠骨髓间充质细胞(rBMMSC)能够在材料的改性层表面上迅速粘附增殖，并加速向成骨方向分化。
实施例
下面结合实施例对本发明做进一步详细、完整地说明，但并不限制本发明的内容。
实施例1
将10mm×10mm×1mm的纯钛片经过混酸(氢氟酸：硝酸：去离子水＝1：5：34)超声处理两遍(每遍5分钟)后，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声各清洗两次，每次5分钟。采用等离子体浸没离子注入技术，将锰元素注入钛基体，其具体的工艺参数见表1所示：
表1锰离子注入参数
注入电压(kV) 30 脉宽(μs) 500
注入时间(h) 1h 本底真空度(Pa) 5×10<sup>-3</sup>
频率(Hz) 5
图1是经本实施例改性处理得到的钛金属材料与纯钛表面的扫描电镜形貌对照图，图中：a/c为纯钛，b/d为改性处理得到的钛金属材料。由图1可见：经本实施例改性处理，纯钛表面因混酸处理得到的纳米颗粒消失，涂层变得更加平整。
图2是经本实施例改性处理得到的锰掺杂改性层的锰元素XPS深度分布图。由图2可见，经本实施实例改性处理得到的钛材料锰离子注入深度约100nm，呈现高斯分布，表面锰离子原子百分比约为6.2at％，峰值锰离子原子百分比约为10.0at％。
实施例2
将10mm×10mm×1mm的纯钛片经过混酸(氢氟酸：硝酸：去离子水＝1：5：34)超声处理两遍(每遍5分钟)后，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声各清洗两次，每次5分钟。采用等离子体浸没离子注入技术，将锰元素注入钛基体，其具体的工艺参数见表2所示：
表2锰离子注入参数
注入电压(kV) 30 脉宽(μs) 800
注入时间(h) 1h 本底真空(Pa) 5×10<sup>-3</sup>
频率(Hz) 5
图3是经本实施例改性处理得到的锰掺杂改性层的锰元素XPS深度分布图。由图3可见，经本实施实例改性处理得到的钛材料锰离子注入深度约100nm，呈现高斯分布，表面锰离子原子百分比约为13.4at％，峰值锰离子原子百分比约为17.5at％。
图4是经本实施例改性处理得到的锰掺杂改性层表面高分辨XPS图谱。图5是经本实施例改性处理得到的锰掺杂改性层内层高分辨XPS图谱。由图4和图5可知：锰在改性处理得到的钛材料基体中以单质形式存在，而在钛材料表面以氧化锰的形式存在。
图6是经本实施例改性处理得到的锰掺杂改性层在生理盐水中浸泡不同周期的锰离子释放规律。由图6可见，锰离子能够在生理盐水中持续缓慢释放。
实施例3
将10mm×10mm×1mm的纯钛片经过混酸(氢氟酸：硝酸：去离子水＝1：5：34)超声处理两遍(每遍5分钟)后，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声各清洗两次，每次5分钟。采用等离子体浸没离子注入技术，将锰元素注入钛基体，其具体的工艺参数见表3所示：
表3锰离子注入参数
注入电压(kV) 30 脉宽(μs) 500
注入时间(h) 0.5h 本底真空(Pa) 5×10<sup>-3</sup>
频率(Hz) 5
实施例4
将10mm×10mm×1mm的纯钛片经过混酸(氢氟酸：硝酸：去离子水＝1：5：34)超声处理两遍(每遍5分钟)后，依次用丙酮、乙醇和去离子水超声各清洗两次，每次5分钟。采用等离子体浸没离子注入技术，将锰元素注入钛基体，其具体的工艺参数见表4所示：
表4锰离子注入参数
注入电压(kV) 30 脉宽(μs) 500
注入时间(h) 1.5h 本底真空(Pa) 5×10<sup>-3</sup>
频率(Hz) 5
实施例5
对经上述实施例2改性处理得到的钛金属材料进行抗菌实验：采用75％乙醇将所有样品灭菌两小时，将浓度为107CFU/ml的绿脓杆菌菌液滴在灭菌过的样品表面(0.06ml/cm2)，然后将滴有菌液的样品放入37℃恒温培养箱培养24h。取出24h培养的样品，将菌液倍比稀释后接种在含有培养基的琼脂板上。接种后的琼脂板放入37℃恒温培养箱培养24h，经过24h的培养后取出琼脂板计算活的细菌数(参照国家标准GB/T 4789.2)。抗菌率的计算根据以下公式：
K:样品抗菌率
A:空白样品上的细菌平均数
B:测试样品上的细菌平均数
图7是经上述实施例改性处理得到的钛金属材料抗绿脓杆菌的实验结果。图中：(a)为纯钛；(b)为改性得到的锰掺杂改性层。由图7可知：经上述实施例改性处理得到的钛材料具有较明显的抗菌能力，其抗菌率到了60％。
实施例6
对经上述实施例1及实施实例2改性处理得到的钛金属材料进行细胞粘附实验：采用75％乙醇将所有样品灭菌两小时，将浓度为2×104细胞/ml的骨髓间充质干细胞种植在灭菌过的样品上培养七天，每隔三天更换新培养液。采用2.5％戊二醛溶液固定细胞，并采用梯度浓度的乙醇及六甲基二硅胺烷对细胞进行脱水和干燥。采用SEM对细胞在材料表面的粘附情况进行观察。
图8是经本发明改性处理前后的钛金属材料骨髓间充质干细胞粘附图，(a/d)纯钛；(b/e)实施例1改性得到的锰掺杂改性层；(c/f)实施例2改性得到的锰掺杂改性层。由图8可见：骨髓间充质干细胞在经上述实施例改性处理得到的钛金属材料表面粘附良好。

Claims (15)

1.一种医用钛基金属材料，其特征在于，所述医用钛基金属材料经过等离子体浸没离子注入法进行锰注入改性而包括锰掺杂改性层，所述材料含有注入深度为80nm至120nm的锰；
所述材料的表面的锰离子原子百分比为m1，0﹤m1≤13.4at％；和/或
所述材料表面的锰元素的峰值原子百分比为m2，0﹤m2≤17.5at％。
2.根据权利要求1 所述的材料，其特征在于，所述材料在生理盐水中可释放锰离子。
3.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料含有注入深度为100nm的锰。
4.根据权利要求1所述的材料，其特征在于：
所述医用钛基金属材料在材料中含有以单质形式存在的锰，并且在材料的表面含有以氧化锰的形式存在的锰；或者
所述锰在所述材料的深度方向的分布呈现高斯分布。
5.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料的表面的锰离子原子百分比为m1′，0﹤m1′≤10at％。
6.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料的表面的锰离子原子百分比为6.2at％～13.4at％。
7.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料表面的锰元素的峰值原子百分比为m2′，0﹤m2′≤10at％。
8.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料表面的锰元素的峰值原子百分比为10at％～17.5at％。
9.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，所述材料由如下方法制得：所述方法采用等离子体浸没离子注入法直接将锰注入钛基金属材料基底的表面；所述等离子体浸没离子注入法采用钛或者钛合金作为基底。
10.根据权利要求9所述的材料，其特征在于，所述等离子体浸没离子注入法使用纯锰作为阴极进行。
11.根据权利要求10所述的材料，其特征在于，所述等离子体浸没离子注入法采用如下工艺参数进行：本底真空度为3×10-3～5×10-3Pa，注入电压为10～40kV，脉宽为500～800μs，频率为5～10Hz，注入时间为0.5～3h。
12.根据权利要求11所述的材料，其特征在于，所述等离子体浸没离子注入法采用如下工艺参数进行：本底真空度为5×10-3Pa，注入电压为30kV，脉宽为500～800μs，频率为5Hz，注入时间为1～1.5h。
13.根据权利要求9至12任一项所述的材料，其特征在于，所述方法还包括在进行等离子体浸没离子注入之前使用酸对基底进行处理然后洗涤的步骤。
14.根据权利要求13所述的材料，其特征在于，所述酸为硝酸和氢氟酸的混酸。
15.根据权利要求13所述的材料，其特征在于，所述洗涤步骤通过依次用使用丙酮、乙醇和去离子水进行超声清洗来进行。
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