复合涂层及其制备方法、植入材料和医疗器械技术

本发明专利技术涉及涂层的制备技术领域，公开了复合涂层及其制备方法、植入材料和医疗器械。公开的复合涂层，包括：在基体表面依次设置的Ti过渡层、第一陶瓷层和第二陶瓷层，第一陶瓷层的主要成分为Ti3SiC2，第二陶瓷层主要成分为Ti3(Si,Ag)C2。公开的制备方法，包括在基体表面依次沉积Ti过渡层和主要成分为Ti3SiC2的第一陶瓷层以及主要成分为Ti3(Si,Ag)C2的第二陶瓷层。公开的植入材料，包括在基体表面沉积上述复合涂层。公开的医疗器械，包括上述的植入材料。本发明专利技术的复合涂层能增强钛合金的耐磨性和耐蚀性，并且植入初期还具有抗细菌感染的能力。能力。能力。

【技术实现步骤摘要】
复合涂层及其制备方法、植入材料和医疗器械


[0001]本专利技术涉及涂层的制备
，具体而言，涉及复合涂层及其制备方法、植入材料和医疗器械。

技术介绍

[0002]钛合金由于其良好的生物相容性、较低的弹性模量和良好的耐腐蚀性能，在植入性医疗器械领域具有广泛应用，涵盖牙种植体、部分正畸手术用材料、髋关节、膝、肩、脊柱、肘部和腕骨等修复材料，以及固定用的骨钉、螺丝、螺母和骨板等。但是，作为植入性医疗器械材料，钛合金在体液环境下的离子溶出直接影响其作为植入器械在植入初期的细胞粘附增殖，增加骨整合周期，耐腐蚀性有待提高；而且钛合金摩擦磨损后产生的磨损微粒容易引发炎症，耐磨性有待提高；此外，钛合金表面无抗菌性能，针对细菌等病原微生物的感染容易导致植入器械的失效。针对这些问题，有必要对其进行表面改性。然而，单一的涂层难以实现钛合金表面的复合功能化，多种异质涂层的组合会引入的较高的残余应力，易引起薄膜开裂、剥落和失效，造成膜基结合力下降。因此如何通过复合表面改性增强基体与涂层之间的膜基结合力，并增强其在植入环境下的耐磨性、耐蚀性和抗菌性能是促进钛合金材料在植入器械应用的重要课题。
[0003]Ti3SiC2是三元层状化合物MAX相中的一种，因其独特的晶体结构而兼具金属和陶瓷的优良特性，既有陶瓷的高熔点、高硬度、耐磨损性和抗氧化性，又有金属的低摩擦系数和自润滑性能，可加工性好，综合性能优异，因此在多个领域具有广泛的应用前景。其中，Ti3SiC2的摩擦系数低，具有良好的自润滑性，可与石墨相媲美；Ti3SiC2的耐腐蚀能力优于金属；而且其元素成分Ti
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Si
‑
C与钛合金相比，并未引入对人体有害的元素，因此有望作为钛合金表面的耐磨耐蚀涂层。但是目前Ti3SiC2作为涂层发展的最大障碍是制备方法较为严苛，已报道采用化学气相沉积或磁控溅射方法可以制备Ti3SiC2涂层，但是该类方法合成温度高，一般需要800～1300℃的高温，成本太高。
[0004]为提高抗菌性能，常规方法为在材料表面进行Ag离子注入，以期通过Ag离子的缓释实现抗菌性能。但是离子注入设备复杂费用昂贵，且生产效率比较低，工艺成本非常高。为获取抗菌耐磨综合性能优异的涂层，还需在注入之前对材料进行其他镀层操作，进一步增加了工艺难度和工艺总成本。因此为实现钛合金表面优异的抗菌耐磨耐蚀综合性能，且控制工艺的复杂度，需进行复合涂层的优化设计与制备。
[0005]鉴于此，特提出本专利技术。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供复合涂层及其制备方法、植入材料和医疗器械。
[0007]本专利技术是这样实现的：
[0008]第一方面，本专利技术提供一种适用于植入材料的复合涂层，包括：
[0009]在基体表面依次设置的Ti过渡层、第一陶瓷层和第二陶瓷层，第一陶瓷层的主要
成分为Ti3SiC2，第二陶瓷层主要成分为Ti3(Si,Ag)C2。
[0010]在可选的实施方式中，Ti过渡层的厚度为0.3～1μm，第一陶瓷层的厚度为5～10μm，第二陶瓷层的厚度为0.5～1μm；
[0011]第二方面，本专利技术提供一种复合涂层的制备方法，包括：
[0012]在基体表面依次沉积Ti过渡层、主要成分为Ti3SiC2的第一陶瓷层和主要成分为Ti3(Si,Ag)C2的第二陶瓷层。
[0013]在可选的实施方式中，采用高功率脉冲磁控溅射法沉积Ti过渡层、第一陶瓷层以及第二陶瓷层，沉积Ti过渡层用到的靶材为Ti靶材，沉积第一陶瓷层所用到的靶材为Ti3SiC2靶材，沉积第二陶瓷层用到的靶材为Ti
‑
Si
‑
C
‑
Ag靶材。
[0014]在可选的实施方式中，高功率脉冲磁控溅射法沉积Ti过渡层，和/或主要成分为Ti3SiC2的第一陶瓷层，和/或主要成分为Ti3(Si,Ag)C2的第二陶瓷层时，操作参数为：
[0015]工作脉冲电压为100～400V，脉宽为30～300μs，频率为400～600Hz，基体偏压
‑
30～
‑
100V，氩气的工作气压为0.2～0.9Pa；
[0016]沉积之前将基体加热至200～300℃。
[0017]在可选的实施方式中，在沉积Ti过渡层之前还包括采用空心阴极等离子体源对基体进行清洗，清洗时高纯氩气的工作气压为0.5～1.5Pa，空心阴极放电电流为30～60A，基体偏压
‑
200～
‑
600V。
[0018]在可选的实施方式中，在沉积Ti过渡层、第一陶瓷层和/或第二陶瓷层之前，还包括采用可移动挡板挡住基体，进行靶材空溅自清洁。
[0019]在可选的实施方式中，在沉积第二陶瓷层时，所采用Ti
‑
Si
‑
C
‑
Ag靶材是采用热压烧结或者热等静压烧结方法制备，靶材中主要成分的摩尔配比为Ti:Si:C:Ag＝6:1.0～1.2:1.0～1.2:3.6～4.1。
[0020]第三方面，本专利技术提供一种植入材料，包括基体以及沉积在基体表面的如前述实施方式的复合涂层，或者，包括基体以及采用如前述实施方式任一项的制备方法在基体表面沉积的复合涂层。
[0021]第四方面，本专利技术提供一种医疗器械，包括如前述实施方式的植入材料。
[0022]本专利技术具有以下有益效果：
[0023]本专利技术实现了Ti3SiC2的低温沉积，并创新性的制备了Ti3(Si,Ag)C2，实现了Ag在Ti3SiC2中的固溶，并且占据Si位置，Ti
‑
Ag之间为弱结合键，在腐蚀等条件下易于断裂，实现Ag离子的溶出。通过上述设计得到的适用于植入材料的复合涂层，不仅可以提高钛合金在植入初期的抗菌性能，避免植入初期的细菌感染，同时可以增强植入材料服役时的耐磨性和耐蚀性，可以增强钛合金植入材料在不同阶段的特定化功能需求的发挥，综合性能优异。而由于在沉积Ti3SiC2层之前先沉积Ti过渡层，因此该复合涂层与基体之间具有较强的结合力。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本专利技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这
些附图获得其他相关的附图。
[0025]图1为本专利技术实施例1制得的复合涂层界面形貌图；
[0026]图2为本专利技术实施例1制得的复合涂层表面微观形貌图；
[0027]图3为本专利技术实施例2中制得的复合涂层中Ti3SiC2层的TEM图像；
[0028]图4为本专利技术实施例2中制得的复合涂层表面(右)大肠杆菌与对照样(左)比较存活。
具体实施方式
[0029]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于植入材料的复合涂层，其特征在于，包括：在基体表面依次设置的Ti过渡层、第一陶瓷层和第二陶瓷层，所述第一陶瓷层的主要成分为Ti3SiC2，所述第二陶瓷层主要成分为Ti3(Si,Ag)C2。2.根据权利要求1所述的复合涂层，其特征在于，所述Ti过渡层的厚度为0.3～1μm，所述第一陶瓷层的厚度为5～10μm，所述第二陶瓷层的厚度为0.5～1μm。3.如权利要求1或2所述的复合涂层的制备方法，其特征在于，包括：在基体表面依次沉积Ti过渡层、主要成分为Ti3SiC2的所述第一陶瓷层和主要成分为Ti3(Si,Ag)C2的所述第二陶瓷层。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，采用高功率脉冲磁控溅射法沉积所述Ti过渡层、所述第一陶瓷层以及所述第二陶瓷层，沉积所述Ti过渡层用到的靶材为Ti靶材，沉积所述第一陶瓷层所用到的靶材为Ti3SiC2靶材；沉积所述第二陶瓷层用到的靶材为Ti
‑
Si
‑
C
‑
Ag靶材。5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，高功率脉冲磁控溅射法沉积所述Ti过渡层，和/或所述主要成分为Ti3SiC2的第一陶瓷层，和/或所述主要成分为Ti3(Si,Ag)C2的第二陶瓷层时，操作参数为：工作脉冲电压为100～400V，脉宽为30～300μs，频率为400～600...

【专利技术属性】
技术研发人员：李月明，赵国瑞，王彪，李润霞，
申请(专利权)人：东莞理工学院，
类型：发明
国别省市：