本發(fā)明屬于醫(yī)用金屬材料領域，涉及一種摻錳醫(yī)用鈦金屬材料及其制造方法。
背景技術：
：鈦及其合金因其良好的力學性能和生物相容性，因此已經(jīng)成為整形外科的首選硬組織替換材料[ProgressinMaterialsScience2009,54:397-425.]。但長期臨床研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今導致鈦材料植入手術失效的主要因素包括如下兩方面：①植入體表面生物活性不夠理想，致使硬組織植入體骨再生能力差(或再生緩慢)，與周圍組織結(jié)合不佳；②植入體表面無抗菌性，致使植入體相關細菌感染頻頻發(fā)生。在生物環(huán)境與植入體材料的反應中，材料的表面起著非常重要的作用。因此，通過一定表面改性技術，控制植入體材料表面的結(jié)構和成分特性可有效改善材料的植入效果[MaterialsScience&EngineeringR-Reports2004,47:49-121.]。錳是一種對骨生長和發(fā)育具有重要作用的微量元素[Journaloftraceelementsinmedicineandbiology:organoftheSocietyforMineralsandTraceElements2012,26:149-52.]，是體內(nèi)碳水化合物的新陳代謝及骨內(nèi)粘多糖的合成過程中的重要輔因子[Biologicaltraceelementresearch2008,124:28-34.]，在某些關乎新陳代謝的信號通路及細胞內(nèi)部的穩(wěn)態(tài)平衡中起著重要作用[Trendsinbiotechnology2013,31:594-605.]。但是，研究表明過量錳元素摻雜會引發(fā)細胞毒性或者對細胞成骨分化產(chǎn)生不利影響[AppliedSurfaceScience2011,258:977-985；JournalofMaterialsChemistryB2014,2:5397-5408.]。另一方面，有研究表明，氧化錳材料還是一種無機抗菌劑，對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等多種細菌有較為顯著的抑菌殺菌效果[Appliedmicrobiologyandbiotechnology2012,95:213-22；CeramicsInternational2013,39:2239-46.]。因此，本發(fā)明擬尋求一種方法在鈦表面進行錳元素微量摻雜并對摻雜量加以精確控制，以期平衡錳元素誘導產(chǎn)生的成骨分化效應及細胞毒性，獲得可應用于臨床的鈦基骨組織修復與替換材料。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明為了解決現(xiàn)有醫(yī)用鈦基金屬材料抗菌性及成骨愈合性能不足的問題，提供一種制造醫(yī)用鈦基金屬材料的方法，以滿足可供臨床使用醫(yī)用鈦基金屬材料對抗菌及快速成骨性能的需求。本發(fā)明在第一方面提供了一種制造醫(yī)用鈦基金屬材料的方法，所述方法采用等離子體浸沒離子注入法直接將錳注入鈦基金屬材料基底的表面。本發(fā)明在第二方面提供了一種醫(yī)用鈦基金屬材料，所述醫(yī)用鈦基金屬材料經(jīng)過等離子體浸沒離子注入法進行錳注入改性而包括錳摻雜改性層。本發(fā)明所述的醫(yī)用鈦基金屬材料或者由本發(fā)明方法制得的醫(yī)用鈦基金屬材料摻雜有錳元素，改性層與基體之間無明顯界限，錳離子以金屬態(tài)形式存在于改性層內(nèi)部，以氧化態(tài)形式存在于改性層表面。通過調(diào)整錳離子注入脈寬及注入時間，改性層表面錳元素在0～20at％范圍內(nèi)可控；在浸泡在生理鹽水中，錳離子能夠在較長時間內(nèi)從涂層中連續(xù)緩慢釋放。這一效應使得改性層與純鈦相比，具有良好的細胞相容性和抗菌性能。骨髓間充質(zhì)干細胞在改性層表面能夠快速粘附和增殖并向成骨細胞方向分化，對革蘭氏陰性的大腸桿菌及綠膿桿菌有輕微的抑菌效果，能夠降低上述兩種細菌的增殖率。采用本發(fā)明改性得到的鈦或鈦合金，可直接用作承載骨組織替換與修復材料。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點：1、本發(fā)明方法是在鈦或鈦合金基底表面直接原位改性得到錳摻雜改性層，在保留鈦基材料原有力學及生物學性能的前提下，通過調(diào)整鈦表面錳元素的含量，提高了基底材料的抗菌和成骨性能；2、本發(fā)明制備工藝穩(wěn)定可控，操作簡單，全方位注入，不受工件形狀限制；3、經(jīng)本發(fā)明制備的錳摻雜改性層和金屬鈦基體之間無明顯界限和間隙，具有相近的物化性能，不會引起明顯內(nèi)應力；4、本發(fā)明制備的錳摻雜改性層可長時間緩慢釋放錳離子。5、本發(fā)明制備的錳摻雜改性層對革蘭氏陰性的大腸桿菌和綠膿桿菌有一定的抗菌效應，有望有效預防和治療植入體術后感染。6、本發(fā)明制備的錳摻雜改性層有較優(yōu)異的生物相容性，骨髓間充質(zhì)干細胞在該涂層有更為顯著的成骨表達，可用作股骨、髖關節(jié)等承受大負荷部位的替換材料；附圖說明圖1是經(jīng)實施例1改性處理得到的錳摻雜改性材料與純鈦表面掃描電鏡形貌對照圖。(a/c)為純鈦，(b/d)為改性處理鈦材料。圖2是經(jīng)實施例1改性處理得到的錳摻雜改性層的錳元素深度XPS分布圖。圖3是經(jīng)實施例2改性處理得到的錳摻雜改性層的錳元素XPS深度分布圖。圖4是經(jīng)實施例2改性處理得到的錳摻雜改性層表面高分辨XPS圖譜。圖5是經(jīng)實施例2改性處理得到的錳摻雜改性層內(nèi)層高分辨XPS圖譜。圖6是經(jīng)實施例2改性處理得到的錳摻雜改性層在生理鹽水中浸泡不同周期的錳離子釋放規(guī)律。圖7是經(jīng)實施例5改性處理前后的鈦金屬材料抗綠膿桿菌實驗結(jié)果，(a)純鈦；(b)改性得到的錳摻雜改性層。圖8是經(jīng)本發(fā)明改性處理前后的鈦金屬材料骨髓間充質(zhì)干細胞粘附圖，(a/d)純鈦；(b/e)實施例1改性得到的錳摻雜改性層；(c/f)實施例2改性得到的錳摻雜改性層。具體實施方式如上所述，本發(fā)明在第一方面提供了一種制造醫(yī)用鈦基金屬材料的方法，所述方法采用等離子體浸沒離子注入法直接將錳注入鈦基金屬材料基底的表面。在一些實施方式中，所述等離子體浸沒離子注入法采用鈦或者鈦合金作為基底，使用純錳作為陰極進行。在一些優(yōu)選的實施方式中，所述等離子體浸沒離子注入法采用如下工藝參數(shù)進行：本底真空度為3×10-3～5×10-3Pa(例如3、4或5×10-3Pa)，注入電壓為10～40kV(例如10、20、30或40kV)，脈寬為500～800μs(例如500、600、700或800μs)，頻率為5～10Hz(例如5、6、7、8、9或10Hz)，注入時間為0.5～3小時(例如為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5或3.0小時)。在一些更優(yōu)選的實施方式中，所述等離子體浸沒離子注入法采用如下工藝參數(shù)進行：本底真空度為5×10-3，注入電壓為30kV，脈寬為500～800μs(例如500、600、700或800μs)，頻率為5Hz，注入時間為1～1.5h(例如為0.5、1.0或1.5小時)。在一些優(yōu)選的實施方式中，所述方法還包括在進行等離子體浸沒離子注入之前使用酸對基底進行處理然后洗滌的步驟。優(yōu)選的是，所述酸為硝酸和氫氟酸的混酸；另外優(yōu)選的是，所述洗滌步驟通過依次用使用丙酮、乙醇和去離子水進行超聲清洗來進行。在一些優(yōu)選的實施方式中，錳注入深度為80nm至120nm(例如80、90、100、110或120nm)，優(yōu)選為100nm。本發(fā)明方法本身具有穩(wěn)定可控、操作簡單、能夠全方位注入而不受工件形狀限制等優(yōu)點。本發(fā)明在第二方面提供了一種醫(yī)用鈦基金屬材料，所述醫(yī)用鈦基金屬材料經(jīng)過等離子體浸沒離子注入法進行錳注入改性而包括錳摻雜改性層。在一些優(yōu)選的實施方式中，所述材料在生理鹽水中可釋放錳離子。在一些優(yōu)選的實施方式中，所述材料含有注入深度為80nm至120nm，優(yōu)選為100nm的錳。在一些優(yōu)選的實施方式中，所述醫(yī)用鈦基金屬材料在材料中含有以單質(zhì)形式存在的錳，并且在材料的表面含有以氧化錳的形式存在的錳。在一些優(yōu)選的實施方式中，所述錳在所述材料的深度方向的分布呈現(xiàn)高斯分布。在一些優(yōu)選的實施方式中，所述材料的表面的錳離子原子百分比為大于0～13.4at％(例如為1、2、3、5、6、6.2、7、8、9、10、11、12、13、13.4at％)，例如可以為大于0～6.2at％、大于0～10at％、6.2at％～10at％、6.2at％～13.4at％、或者10at％～13.4at％。在一些優(yōu)選的實施方式中，所述材料表面的錳元素的峰值原子百分比大于0～17.5at％(例如為1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17或17.5at％)，例如為大于0～10at％或者10at％～17.5at％。在一些更為優(yōu)選的實施方式中，所述材料由本發(fā)明第一方面所述的方法制得。由于本發(fā)明材料或者由本發(fā)明方法制得的材料在生理鹽水中能夠持續(xù)緩慢釋放錳離子，因而對革蘭氏陰性大腸桿菌及綠膿桿菌等都有一定抑菌效果，例如具有60％的抑菌效果。另外，本發(fā)明的材料使得例如大鼠骨髓間充質(zhì)細胞(rBMMSC)能夠在材料的改性層表面上迅速粘附增殖，并加速向成骨方向分化。實施例下面結(jié)合實施例對本發(fā)明做進一步詳細、完整地說明，但并不限制本發(fā)明的內(nèi)容。實施例1將10mm×10mm×1mm的純鈦片經(jīng)過混酸(氫氟酸：硝酸：去離子水＝1：5：34)超聲處理兩遍(每遍5分鐘)后，依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲各清洗兩次，每次5分鐘。采用等離子體浸沒離子注入技術，將錳元素注入鈦基體，其具體的工藝參數(shù)見表1所示：表1錳離子注入?yún)?shù)注入電壓(kV)30脈寬(μs)500注入時間(h)1h本底真空度(Pa)5×10-3頻率(Hz)5圖1是經(jīng)本實施例改性處理得到的鈦金屬材料與純鈦表面的掃描電鏡形貌對照圖，圖中：a/c為純鈦，b/d為改性處理得到的鈦金屬材料。由圖1可見：經(jīng)本實施例改性處理，純鈦表面因混酸處理得到的納米顆粒消失，涂層變得更加平整。圖2是經(jīng)本實施例改性處理得到的錳摻雜改性層的錳元素XPS深度分布圖。由圖2可見，經(jīng)本實施實例改性處理得到的鈦材料錳離子注入深度約100nm，呈現(xiàn)高斯分布，表面錳離子原子百分比約為6.2at％，峰值錳離子原子百分比約為10.0at％。實施例2將10mm×10mm×1mm的純鈦片經(jīng)過混酸(氫氟酸：硝酸：去離子水＝1：5：34)超聲處理兩遍(每遍5分鐘)后，依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲各清洗兩次，每次5分鐘。采用等離子體浸沒離子注入技術，將錳元素注入鈦基體，其具體的工藝參數(shù)見表2所示：表2錳離子注入?yún)?shù)注入電壓(kV)30脈寬(μs)800注入時間(h)1h本底真空(Pa)5×10-3頻率(Hz)5圖3是經(jīng)本實施例改性處理得到的錳摻雜改性層的錳元素XPS深度分布圖。由圖3可見，經(jīng)本實施實例改性處理得到的鈦材料錳離子注入深度約100nm，呈現(xiàn)高斯分布，表面錳離子原子百分比約為13.4at％，峰值錳離子原子百分比約為17.5at％。圖4是經(jīng)本實施例改性處理得到的錳摻雜改性層表面高分辨XPS圖譜。圖5是經(jīng)本實施例改性處理得到的錳摻雜改性層內(nèi)層高分辨XPS圖譜。由圖4和圖5可知：錳在改性處理得到的鈦材料基體中以單質(zhì)形式存在，而在鈦材料表面以氧化錳的形式存在。圖6是經(jīng)本實施例改性處理得到的錳摻雜改性層在生理鹽水中浸泡不同周期的錳離子釋放規(guī)律。由圖6可見，錳離子能夠在生理鹽水中持續(xù)緩慢釋放。實施例3將10mm×10mm×1mm的純鈦片經(jīng)過混酸(氫氟酸：硝酸：去離子水＝1：5：34)超聲處理兩遍(每遍5分鐘)后，依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲各清洗兩次，每次5分鐘。采用等離子體浸沒離子注入技術，將錳元素注入鈦基體，其具體的工藝參數(shù)見表3所示：表3錳離子注入?yún)?shù)注入電壓(kV)30脈寬(μs)500注入時間(h)0.5h本底真空(Pa)5×10-3頻率(Hz)5實施例4將10mm×10mm×1mm的純鈦片經(jīng)過混酸(氫氟酸：硝酸：去離子水＝1：5：34)超聲處理兩遍(每遍5分鐘)后，依次用丙酮、乙醇和去離子水超聲各清洗兩次，每次5分鐘。采用等離子體浸沒離子注入技術，將錳元素注入鈦基體，其具體的工藝參數(shù)見表4所示：表4錳離子注入?yún)?shù)注入電壓(kV)30脈寬(μs)500注入時間(h)1.5h本底真空(Pa)5×10-3頻率(Hz)5實施例5對經(jīng)上述實施例2改性處理得到的鈦金屬材料進行抗菌實驗：采用75％乙醇將所有樣品滅菌兩小時，將濃度為107CFU/ml的綠膿桿菌菌液滴在滅菌過的樣品表面(0.06ml/cm2)，然后將滴有菌液的樣品放入37℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)24h。取出24h培養(yǎng)的樣品，將菌液倍比稀釋后接種在含有培養(yǎng)基的瓊脂板上。接種后的瓊脂板放入37℃恒溫培養(yǎng)箱培養(yǎng)24h，經(jīng)過24h的培養(yǎng)后取出瓊脂板計算活的細菌數(shù)(參照國家標準GB/T4789.2)?？咕实挠嬎愀鶕?jù)以下公式：K:樣品抗菌率A:空白樣品上的細菌平均數(shù)B:測試樣品上的細菌平均數(shù)圖7是經(jīng)上述實施例改性處理得到的鈦金屬材料抗綠膿桿菌的實驗結(jié)果。圖中：(a)為純鈦；(b)為改性得到的錳摻雜改性層。由圖7可知：經(jīng)上述實施例改性處理得到的鈦材料具有較明顯的抗菌能力，其抗菌率到了60％。實施例6對經(jīng)上述實施例1及實施實例2改性處理得到的鈦金屬材料進行細胞粘附實驗：采用75％乙醇將所有樣品滅菌兩小時，將濃度為2×104細胞/ml的骨髓間充質(zhì)干細胞種植在滅菌過的樣品上培養(yǎng)七天，每隔三天更換新培養(yǎng)液。采用2.5％戊二醛溶液固定細胞，并采用梯度濃度的乙醇及六甲基二硅胺烷對細胞進行脫水和干燥。采用SEM對細胞在材料表面的粘附情況進行觀察。圖8是經(jīng)本發(fā)明改性處理前后的鈦金屬材料骨髓間充質(zhì)干細胞粘附圖，(a/d)純鈦；(b/e)實施例1改性得到的錳摻雜改性層；(c/f)實施例2改性得到的錳摻雜改性層。由圖8可見：骨髓間充質(zhì)干細胞在經(jīng)上述實施例改性處理得到的鈦金屬材料表面粘附良好。當前第1頁1 2 3