用离子束增强沉积在人工器官表面合成TiO2-x/TiN复合膜 本发明涉及一种在人工器官上覆膜以改善人工器官血液相容性和耐久性的方法,尤其使用于人工心血管系统器官的覆膜。
人工器官的生物相容性和耐久性是人工器官用于临床的根本保证,尤其是人工心脏,人工心脏瓣膜和左心室辅助泵等重要的心血管系统人工器官对耐久性和血液相容性有更高的要求。用天然材料(猪,牛心胞),高分子材料制成的人工心脏及人工心脏瓣膜尚不能完全满足上述要求,见对比文件1(德永皓一等,繁用人工脏器の现状と将来-人工弁-,人工脏器,1990,19(3),100-102,等)。而以热解碳,钛合金,钴合金和不锈钢等无机材料为主体的心脏瓣膜目前还存在两方面的问题:一是血液相容性尚不够好,二是该类材料制成的瓣膜在植人人体后仍可能发生疲劳,腐蚀,磨损及脆性断裂。具有最好血液相容性的热解碳代表了以机械瓣为主体的已应用于临床的人工心脏瓣膜的最高水平,但对临床要求来说,其血液相容性仍不是足够高,且其韧性仅为金属的1/100。本领域的多年研究表明,在以金属等无机材料为主体的心血管系人工器官表面覆以血液相容性极好的材料,可以综合其金属材料机械强度高,耐久性好和覆膜材料血液相容性好的优点,从而成为有相当应用前景的人工器官材料发展的重要趋势。对比文献2(Mitamura Y.et al,Development of a ceramic valve,Journal of BiomaterialsApplications,Appl 1989,4(11),33-55)论述了在钛人工心脏瓣膜表面用物理气相沉积方法覆膜TiN的现有技术。对比文件3(中国专利申请号90102976.9)给出了用离子束增强沉积法制备TiN薄膜的方法。目前在心血管系人工器官上采用如物理气相沉积,等离子体化学气相沉积等方法在心脏瓣膜材料表面沉积TiN。类金刚石膜等现有覆膜技术存在两方面的问题:一是经覆膜处理后的材料地血液相容性的改善程度有限,二是由于沉积方法的物理本质局限性,薄膜与基体的结合强度较低,容易发生薄膜破裂剥落,危及病人生命安全。就现有技术来说,尚未见采用离子束增强沉积方法在以金属等无机材料为主体的人工器官表面,尤其在人工心脏及人工心脏瓣膜表面制备血液相容性极好的TiO2-x/TiN复合膜的有关报道。
本发明的目的就是要公开一种利用特殊离子束增强沉积的方法,在人工器官表面尤其是在人工心脏及人工心脏瓣膜表面合成结合力强,抗疲劳,耐磨损和血液相容性极好的TiO2-x/TiN复合膜的方法。
本发明采用特定的离子束增强沉积方法,在人工器官表面覆以TiO2-x/TiN复合膜,复合膜的合成可以通过:
A:分别在一定压力的氮及氧气氛中,通过Ti蒸发沉积于人工器官材料表面,并辅以惰性气体离子或氮,氧离子轰击人工器官材料表面而形成复合膜TiO2-x/TiN。控制复合膜性能的参数是钛的蒸发速率,工作室工作气体压力,惰性气体离子或氮,氧离子轰击的能量和剂量。
B:在一定压力的氮或氧气氛中,通过惰性气体离子直接轰击钛靶,使其溅射出钛原子并沉积于人工器官材料表面,并分别以氮和氧离子轰击沉积于人工器官材料表面的薄膜,使其形成TiO2-x/TiN复合膜。控制复合膜性能的参数是钛的溅射速率,工作室气体压力,氮,氧离子轰击的能量和剂量。
通过该方法所合成的TiO2-x/TiN氧含量低于标准化学计量,x的范围为0.01-0.15。
由本发明所公开的在人工器官表面合成TiO2-x/TiN复合薄膜的方法所制备的复合膜在以下几方面比现有技术有明显进步:其血液相容性明显优于热解碳及其它人工心脏瓣膜材料;覆膜与基体的结合强度远远高于现已用于人工心脏瓣膜材料表面覆膜的方法(如物理气相沉积,等离子化学气相沉积等)形成的薄膜,具有数倍或一个数量级以上的结合强度的优势;覆膜的硬度为现有瓣膜材料的5-10倍。经本发明所述方法处理所获得的人工器官的血液相容性,抗疲劳,抗腐蚀和耐磨损的性能得到全面提高。
附图1是离子束增强沉积方法在人工器官表面覆以TiO2-x/TiN复合膜的方法A。
附图2是离子束增强沉积方法在人工器官表面覆以TiO2-x/TiN复合膜的方法B。
以下结合附图对本发明作进一步说明。
参见附图1,首先利用对比文件3所述方法在人工心脏瓣膜材料如钛合金表面沉积TiN,即先在真空度为5*10-7torr的靶室〔2〕中充入压力为6.8*10-6torr氮气,由蒸发坩锅〔4〕向样品台〔3〕上的样品蒸发钛,蒸发速率为10A/s,同时由离子源〔1〕引出山离子轰击样品表面,山离子的能量为40keV,密度为40μA/cm2。进而在靶室〔2〕重新获得真空(真空度为5*10-7torr),充入压力为5.8*10-6torr的氧气,再由坩锅〔4〕以3A/s的蒸发速率向样品台〔3〕上的样品蒸发钛,同时由离子源〔1〕引出能量为40keV,密度为13μA/cm2的山离子轰击样品表面。
参见附图2,在真空度为1*10-6torr靶室〔1〕中充入压力为5.0*10-5torr的氮气,由离子源〔2〕引出惰性气体轰击溅射靶〔4〕,使溅射靶〔4〕的钛原子沉积到样品台〔5〕上的样品上,其沉积速率为1A/s,同时由离子源〔3〕引出能量为20keV,密度为60μA/cm2的氮离子注入样品,实现TiN的合成。然后在靶室中重新获得真空(真空度为1*10-6torr),再充入压力为9.7*10-5torr的氧气,使离子源〔2〕引出的惰性气体离子轰击靶〔4〕的钛,使钛原子溅射沉积到样品上,沉积速率为1.0A/s,同时从离子源〔3〕引出能量为30keV,密度为90μA/cm2的氧离子注入样品,实现TiO2-x的合成。
用本发明所述方法处理所形成的复合膜厚度为0.1-10μm。