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      一種氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料及制備方法

      文檔序號(hào):1023181閱讀:354來源:國知局
      專利名稱:一種氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料及制備方法
      一種氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料及制備方法技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明屬于生物醫(yī)用材料領(lǐng)域,特別是一種氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料及制備方法。
      背景技術(shù)
      目前臨床應(yīng)用的醫(yī)用金屬材料主要有不銹鋼、鈷基合金、鈦合金等幾大類。但其彈性模量遠(yuǎn)高于人骨,在使用過程中會(huì)產(chǎn)生“應(yīng)力屏蔽”,且有害離子溶出現(xiàn)象往往導(dǎo)致嚴(yán)重炎癥反應(yīng)及引起組織損傷從而導(dǎo)致植入失敗。特別是植入合金在體內(nèi)不能被吸收、降解,當(dāng)傷骨愈合后必需通過二次手術(shù)取出,大大增加了病人經(jīng)濟(jì)及心理負(fù)擔(dān)和肉體上的痛苦。因此,在骨損傷手術(shù)中,用可降解材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)醫(yī)用金屬材料越來越受到重視,已成為當(dāng)前生物材料領(lǐng)域的國際研究前沿與熱點(diǎn)。
      生物醫(yī)用可降解高分子材料如PLLA、PGA已用于臨床,但是由于其彈性模量較小,只能用于不承力的部位,且降解產(chǎn)物呈酸性易造成無菌性炎癥,因而限制了其廣泛應(yīng)用。
      鎂或鎂合金是一種可在體內(nèi)環(huán)境降解的金屬材料,與上述金屬植入材料如鈦合金、不銹鋼相比,其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在:1)鎂的密度為1.74g/cm3,并且與人骨的密質(zhì)骨密度(1.80g/cm3)極為接近,其機(jī)械性能更接近天然骨,其適中的彈性模量能夠有效緩解應(yīng)力遮擋效應(yīng),對(duì)骨折愈合、種植體的穩(wěn)定具有重要作用;2)鎂是人體必需的元素,具有生物活性、介導(dǎo)成骨作用、生物相容性。鎂在人體中總量約20多克,在生命過程中可以促進(jìn)骨及細(xì)胞的形成、催化或激活機(jī)體300多種酶系、參與體內(nèi)能量代謝,并且在能量的輸送、貯存和利用中起關(guān)鍵作用;3)鎂的標(biāo)準(zhǔn)平衡電位為-2.34V,低于其他合金,呈示出較高的化學(xué)和電化學(xué)活性,作為可降解材料具有其天然優(yōu)勢;4,資源豐富價(jià)格低廉。
      綜上所述,鎂或鎂合金具有良好的醫(yī)學(xué)安全性、力學(xué)性能、可控腐蝕性能和降解產(chǎn)物的最小副作用等優(yōu)點(diǎn),有望發(fā)展成新一代生物可降解材料。但是,在人體充滿Cl—的腐蝕環(huán)境中,鎂及鎂合金會(huì)因?yàn)榻到馑俾瘦^快而提前失效。通常臨時(shí)植入器件要求3個(gè)月到I年的服役時(shí)間,可推算出鎂及鎂合金作為植入材料降解速率應(yīng)控制在0.lmm/a內(nèi),但研究發(fā)現(xiàn)純鎂在模擬體液內(nèi)的降解速率為0.2-1.0mm/a,在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)純鎂在的腐蝕速率過快,產(chǎn)生大量的氫氣,從而導(dǎo)致材料過早失效,限制了其臨床應(yīng)用。
      因此,要使鎂或其合金真正用于臨床,必須提高其耐腐蝕性,而通過表面涂層處理是有效提高鎂及鎂合金耐蝕性能的方法之一。采用生物相容性良好的氮化硅材料對(duì)鎂合金進(jìn)行表面處理是一種有效控制鎂基材料降解速率重要途徑。發(fā)明內(nèi)容
      本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述存在問題,提供一種氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料及制備方法,該材料與涂層結(jié)合牢固且涂層致密,具有良好的熱穩(wěn)定性和生物穩(wěn)定性,降解周期可通過涂層厚度及氫含量調(diào)控, 適合作為中長期植入材料使用,尤其符合骨外科的臨床需要。
      本發(fā)明的技術(shù)方案:
      一種氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料,由鎂合金基材和在其表面附有的氮化硅涂層構(gòu)成。
      一種所述氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料是制備方法,步驟如下:
      I)將鎂合金試樣打磨、拋光、除油后,進(jìn)行噴砂處理以去除表面氧化皮、增加表面粗糙度和涂層和增強(qiáng)鎂合金基體與涂層接合的牢固度;
      2)將經(jīng)上述處理后的鎂合金試樣采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法或粒子束沉積法,在鎂合金試樣表面制備氮化硅陶瓷涂層。
      所述射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法的工藝參數(shù)為:將鎂合金試樣放入射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備的內(nèi)腔沉積室中,系統(tǒng)抽至真空度為lX10_4-lX10_5Pa,以SiH4和NH3或N2混合氣為反應(yīng)氣源,沉積溫度為150-450°C、射頻功率為80-400W的條件下,沉積時(shí)間為10s-60min,冷卻后在合金表面制得氮化硅陶瓷涂層。
      所述SiH4和NH3或N2混合氣中SiH4的流量為IO-1OOsccm ;SiH4和NH3或N2流量比 1:0.2-1。
      所述粒子束沉積法的工藝參數(shù)為:將鎂合金試樣放入粒子束沉積設(shè)備中,以塊狀氮化硅作為靶材,在真空度為I X 10_4-1 X IO-5Pa下,用氬離子轟擊后再高溫?zé)崽幚?,氬離子轟擊電壓為IO-1OOKeV,氬離子的密度為(1-5) X 1016ions/cm3,熱處理溫度為200-450°C,熱處理時(shí)間為2-12h。
      本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
      I)在鎂合金表面制備的氮化硅陶瓷涂層致密,與基體結(jié)合強(qiáng)度大,提高了鎂合金的耐腐蝕性;·
      2)通過改變SiH4比例及沉積時(shí)間可調(diào)節(jié)涂層的耐腐蝕性能及降解時(shí)間;
      3)在制備鎂合金涂層的過程中無有害物質(zhì)的使用,具有工藝簡單、涂層可控、無需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)制膜處理等優(yōu)點(diǎn)。


      附圖為在AZ31鎂合金表面采用不同方式氮化硅涂層與未涂層的AZ31鎂合金在模擬體液中的極化曲線。
      具體實(shí)施方式
      下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
      實(shí)施例1:
      一種氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料是制備方法,步驟如下:
      I)將AZ91D鎂合金基體打磨、在PG-1型拋光機(jī)上拋光后切割為長10mm、寬10mm、厚2mm的試樣,在丙酮溶液中超聲清洗除油IOmin,再在乙醇中超聲清洗IOmin,最后在去離子水中超聲清洗lOmin,干燥后進(jìn)行噴砂處理3min ;
      2)把上述鎂合金片放入RF-PECVD等離子體化學(xué)氣相淀積臺(tái),沉積面朝上,系統(tǒng)抽空至真空度為I X10_5Pa,設(shè)定溫度為250°C,頻率13.56MHz,打開加熱器,待沉積室溫度穩(wěn)定在250°C時(shí)開始沉積。選用的射頻功率為200w,通過調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計(jì)(MFC)使硅烷和氨氣的流量分別為SiH4和N2流量分別為50SCCm和lOsccm,淀積5min后,關(guān)閉反應(yīng)氣源、射頻源和加熱器,停止沉積,待試樣冷卻后取出,得到均勻致密的氮化硅涂層。
      該氮化硅涂層與未涂層的模擬體液中的極化曲線如附圖所示,圖中表明:采用該方法的氮化硅涂層,試樣的極化電位升高,耐蝕性增強(qiáng),證明氮化硅涂層增加鎂合金基體耐蝕性的有效性。
      實(shí)施例2:
      一種氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料是制備方法,步驟如下:
      I)將AZ31鎂合金基體打磨、在PG-1型拋光機(jī)上拋光后切割為長10mm、寬10mm、厚2mm的試樣,在丙酮中超聲清洗除油IOmin,再在乙醇中超聲清洗IOmin,最后在去離子水中超聲清洗lOmin,干燥后進(jìn)行噴砂處理3min ;
      2)將上述鎂合金片放入RF-PECVD設(shè)備的內(nèi)腔沉積室,系統(tǒng)抽至真空度為I X 10_4,設(shè)定溫度為300°C,打開加熱器,待沉積室溫度穩(wěn)定在300°C時(shí)開始沉積。選用的射頻功率為80W,通過調(diào)節(jié)質(zhì)量流量計(jì)(MFC)使硅烷和氨氣的流量分別為30sCCm和lOsccm。沉積時(shí)間達(dá)到5min后,關(guān)閉反應(yīng)氣源、射頻源和加熱器,停止沉積,待合金片冷卻后取出,得到均勻致密的氮化硅涂層。
      該氮化硅涂層與未涂層的模擬體液中的極化曲線如附圖所示,圖中表明:采用該方法的氮化硅涂層,試樣的極化電位升高,耐蝕性增強(qiáng),證明氮化硅涂層增加鎂合金基體耐蝕性的有效性。
      實(shí)施例3:
      一種氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料是制備方法,步驟如下:
      I)將AZ31鎂合金基體打磨、在PG-1型拋光機(jī)上拋光后切割為長10mm、寬10mm、厚2mm的試樣,在丙酮中超聲清洗除油IOmin,再在乙醇中超聲清洗IOmin,最后在去離子水中超聲清洗lOmin,干燥后進(jìn)行噴砂處理3min ;
      2)將鎂合金試樣放入粒子束沉積設(shè)備中,以塊狀氮化硅作為靶材,在真空度為I X KT5Pa下,用氬離子轟擊后再高溫?zé)崽幚?,氬離子轟擊電壓為在60KeV,氬離子的密度為3X1016ions/cm3,將經(jīng)氬離子轟擊處理后的鎂合金試樣放入高溫爐中,加熱到300°C,保溫2h,冷卻后得到均勻致密的氮化硅涂層。
      該氮化 硅涂層與未涂層的模擬體液中的極化曲線如附圖所示,圖中表明:采用該方法的氮化硅涂層,試樣的極化電位升高,耐蝕性增強(qiáng),證明氮化硅涂層增加鎂合金基體耐蝕性的有效性。
      權(quán)利要求
      1.一種氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料,其特征在于:由鎂合金基材和在其表面附有的氮化娃涂層構(gòu)成。
      2.一種如權(quán)利要求1所述氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料是制備方法,其特征在于步驟如下: 1)將鎂合金試樣打磨、拋光、除油后,進(jìn)行噴砂處理以去除表面氧化皮、增加表面粗糙度和涂層和增強(qiáng)鎂合金基體與涂層接合的牢固度; 2)將經(jīng)上述處理后的鎂合金試樣采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法或粒子束沉積法,在鎂合金試樣表面制備氮化硅陶瓷涂層。
      3.根據(jù)權(quán)利要求2所述氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料是制備方法,其特征在于:所述射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法的工藝參數(shù)為:將鎂合金試樣放入射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積設(shè)備的內(nèi)腔沉積室中,系統(tǒng)抽至真空度為I X 10_4-1 X W5Pa,以SiH4和NH3或N2混合氣為反應(yīng)氣源,沉積溫度為150-450°C、射頻功率為80-400W的條件下,沉積時(shí)間為10s-60min,冷卻后在合金表面制得氮化娃陶瓷涂層。
      4.根據(jù)權(quán)利要求2所述氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料是制備方法,其特征在于:所述SiH4和NH3或N2混合氣中SiH4的流量為IO-1OOsccm ;SiH4和NH3或N2流量比I:0.2-1。
      5.根據(jù)權(quán)利要求2所述氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料是制備方法,其特征在于:所述粒子束沉積法的工藝參數(shù)為:將鎂合金試樣放入粒子束沉積設(shè)備中,以塊狀氮化硅作為靶材,在真空度為I X 10_5Pa下,用氬離子轟擊后再高溫?zé)崽幚?,氬離子轟擊電壓為IO-1OOKeV,氬離子的密度為(1-5) X1016ions/cm3,熱處理溫度為200_450°C,熱處理時(shí)間為2_12h。
      全文摘要
      一種氮化硅涂層醫(yī)用鎂合金材料,由鎂合金基材和在其表面附有的氮化硅涂層構(gòu)成;其制備方法是1)將鎂合金試樣打磨、拋光、除油后,進(jìn)行噴砂處理以去除表面氧化皮、增加表面粗糙度和涂層和增強(qiáng)鎂合金基體與涂層接合的牢固度;2)將經(jīng)上述處理后的鎂合金試樣采用射頻等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法或粒子束沉積法,在鎂合金試樣表面制備氮化硅陶瓷涂層。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在鎂合金表面制備的氮化硅陶瓷涂層致密,與基體結(jié)合強(qiáng)度大,提高了鎂合金的耐腐蝕性;通過改變SiH4比例及沉積時(shí)間可調(diào)節(jié)涂層的耐腐蝕性能及降解時(shí)間;在制備鎂合金涂層的過程中無有害物質(zhì)的使用,具有工藝簡單、涂層可控、無需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)制膜處理等優(yōu)點(diǎn)。
      文檔編號(hào)A61L31/08GK103239761SQ201310186028
      公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月17日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月17日
      發(fā)明者劉德寶, 唐懷超, 宋融 申請(qǐng)人:天津理工大學(xué)
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