一种镁及镁合金表面制备抗菌涂层的方法技术

本发明专利技术公开了一种镁及镁合金表面制备抗菌涂层的方法，其特征在于，包括以下制备步骤：将铜靶安装在双层辉光等离子渗镀设备的靶位，将镁/镁合金基体固定于双层辉光等离子渗镀设备的试样台上，铜靶相对于镁/镁合金基体平行设置，然后进行渗镀得到渗镀层；具体渗镀参数控制为：铜靶的源极电压为600～700V，镁/镁合金基体的工作电压为400～450V，铜靶与镁/镁合金基体之间的间距为8～15mm，氩气气压为20～45Pa，渗镀时间为3～5h。本发明专利技术渗镀层利用各层Cu离子浓度不同，实现Cu离子的梯度释放，针对术后感染程度较强的早期感染先进行高浓度Cu离子释放，进行强抗菌治疗；针对感染程度不断减弱的迟发型感染进行浓度不断降低的Cu离子释放，进行弱抗菌治疗，使得Cu离子的释放与抗菌功能实现动态匹配。菌功能实现动态匹配。

【技术实现步骤摘要】
一种镁及镁合金表面制备抗菌涂层的方法


[0001]本专利技术属于金属材料表面涂层
，具体涉及一种镁及镁合金表面制备抗菌涂层的方法。

技术介绍

[0002]骨科术后感染是骨科手术中最严重和复杂的并发症之一，对患者的创口愈合甚至生命造成极大威胁，一直受到临床医生及相关医护人员的高度重视。其中，由于骨科内植入材料在植入过程中造成病原菌侵入骨组织导致感染的发生是造成骨科术后感染的主要原因之一。骨科人工植入手术的感染分成早期感染和迟发性感染。早期感染主要是手术切口在暴露手术视野的同时，切割、牵拉、分离、植入等操作导致外部细菌侵入切口，造成术后感染风险增高，一般从手术结束开始，一直延续到术后一个月左右，此时感染风险最大，感染程度较强。而迟发性感染，则是由于病患术后个人体质下降造成，一般在术后2
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3个月出现，此时感染程度较弱。
[0003]目前临床上为了避免骨科手术感染的发生，主要采取术前预防和术后治疗两种方法。术前预防感染的方法主要包括保持手术过程中周围环境清洁、对手术器具和植入物进行严格消毒以及缩短手术时间等，而术后治疗主要是采用抗生素疗法和清创术等外科手术。但是，这些常规疗法效率不高，术前预防无法完全避免细菌的侵入，而术后治疗会给患者带来痛苦，细菌还会对抗生素产生耐药性，使细菌对抗生素不敏感，清创手术也无法对细菌进行彻底清除。因此，避免感染的理想方法是通过对植入物材料进行优化设计，使其自身具有抗细菌感染能力，并且能够在植入周期的不同阶段，针对感染程度的不同对细菌起到动态杀灭作用，无需后续术后抗感染治疗。
[0004]镁合金以其良好的生物相容性、与骨组织匹配的力学性能以及可以在人体内降解吸收等特点，成为一类极具临床应用前景的新型生物可降解(吸收)骨植入材料。尽管镁合金作为生物材料在骨科植入领域具有良好的应用前景，但在降解过程中同样容易引发感染。因此希望在可降解镁合金作为骨科植入材料进行功能化设计时，将抗菌功能作为考虑因素之一，期待镁合金具有抵抗细菌感染的能力，能够对骨科常见细菌起到杀灭作用，避免骨科术后感染的发生，为镁合金植入物后续发挥成骨和成血管化功能提供良好的作用环境。研究表明，镁合金在体液中降解产生的高碱性环境能够破坏细菌的生存条件，抑制细菌生长繁殖，从而起到杀灭细菌的作用。然而，在复杂的人体内环境中，体液缓冲作用会削弱镁合金降解产生的碱性环境，导致单独依靠碱性环境抗菌的作用减弱或消失。因此针对此问题，还需进行更多的研究，通过更为有效的方法来提供长效的抗菌性能。
[0005]根据上述镁合金的设计思路，希望在镁中添加一种合金元素，使设计出的新型镁合金既能通过降解产生的碱性环境起到抗菌作用，又能通过降解过程中释放抗菌金属离子杀灭细菌。这样既能增强镁合金的杀菌效果，又能在碱性抗菌作用减弱甚至消失后仍然能够依靠释放抗菌金属离子继续发挥抗菌作用。通过文献查阅和调研，将目标锁定在铜元素上。迄今为止，铜是唯一获得美国环保署(EPA)抑菌性注册的固体材料。铜能够长效抑制致
病细菌的生长，无论是铜离子还是铜的化合物对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、产气肠杆菌、白色念珠菌、绿脓假单胞菌等多种细菌均具有高效的杀灭作用。由此可见，如果将铜元素和镁合金结合，并在植入过程中释放一定量的铜离子，就有可能有效地防治植入物造成的细菌感染。
[0006]目前，铜和镁的结合主要通过合金化实现。实验结果表明，镁铜合金在体内降解时能够持续释放铜离子产生抗菌作用，弥补了碱性环境抗菌作用的不足，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等具有显著的杀灭作用。然而，由于Mg基体与Mg2Cu第二相之间强烈的电偶腐蚀作用，镁铜合金降解速率过快，极大地限制了其临床应用。因此，合金化手段实现镁、铜结合并非最佳方法，难以满足临床对植入物降解速率和抗菌性能相匹配的要求。
[0007]在镁合金表面制备含铜抗菌涂层，可有效避免铜和镁基体间的电偶腐蚀问题，涂层在降低镁合金降解速率的同时，还可通过Cu离子的释放，赋予合金优异的抗菌性能，解决镁合金植入过程中引发的感染问题。目前，有关在镁合金表面制备含铜抗菌涂层的研究较少，查询到的主要有旋涂法、涂膜和化学镀、水热处理等方法，但上述方法制备的涂层铜离子释放速率单一，无法针对术后早期感染和迟发性感染等不同阶段的感染程度不同实现铜离子的梯度释放，且上述方法均是在大气环境下、通过溶液介质进行制备，易造成镁基体与涂层材料的污染和氧化，在镁基体表面引入其他不需要元素，且随着绿色环保要求的不断提升，废液的处理成本高。
[0008]因此，需要研发一种环保无污染、简单易行且可针对术后不同阶段感染程度而改变铜离子释放量的镁合金表面铜抗菌涂层。

技术实现思路

[0009]本专利技术提供一种镁及镁合金表面制备抗菌涂层的方法，该方法获得的涂层成分稳定可控、与基体结合力良好、针对术后早期感染和迟发性感染等不同阶段的感染程度不同实现铜离子的梯度释放。
[0010]本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种镁及镁合金表面制备抗菌涂层的方法，其特征在于，包括以下制备步骤：将铜靶安装在双层辉光等离子渗镀设备的靶位，将镁/镁合金基体固定于双层辉光等离子渗镀设备的试样台上，铜靶相对于镁/镁合金基体平行设置，然后进行渗镀得到渗镀层；具体渗镀参数控制为：铜靶的源极电压为600～700V，镁/镁合金基体的工作电压为400～450V，铜靶与镁/镁合金基体之间的间距为8～15mm，氩气气压为20～45Pa，渗镀时间为3～5h。
[0011]源极电压的主要作用在于控制源极表面的离子轰击能量和密度，进而控制源极的合金元素供给量。源极电压越高，源极表面的离子轰击能量和离子轰击密度越大，合金元素供给量越大。源极电压也有一最佳范围，太高或太低都不利于渗金属。随源极电压Vs的提高，源极表面的离子轰击密度增加(源极电流Is增大)，合金元素供给量M I增加，导致工件表面合金浓度C增加，合金层变厚。但Vs也不能太高，否则由于合金元素供给量太大，工件表面形成太厚的沉积层，削弱离子对工件表面的轰击作用，合金元素的扩散速度减慢，扩散层厚度Ld减小。根据所需沉积层、扩散层将铜靶的最佳源极电压控制在600～700V，此时C和Ld均达到最优。
[0012]工件电压的主要作用在于通过离子对工件表面的轰击作用，加热工件使其达到渗
金属温度。工件电压越高，离子对工件表面的轰击能量越高，工件表面温度越高。工件电压太高或太低，都不利于得到最佳的表面合金渗层。通过研究镁/镁合金表面渗铜时工件电压的影响规律，最佳工件电压为400～450V。工件电压Vc低于400V时，虽然表面沉积层铜元素浓度高一些，但由于工件表面的离子轰击能量及轰击密度小,对扩散的促进作用小，不利于铜元素的吸收与扩散；Vc高于450V时，工件表面的离子轰击增强，有利于铜元素的吸收与扩散，但由于反溅射增强，使工件表面难以保持高浓度铜元素，扩散层厚度Ld也因此减小；并且由于镁/镁合金熔点较低，过高的工作电压会使镁/镁合金工件表面温度过高，造成镁基体组织粗大或材料软化。
[0013]工件与源极本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种镁及镁合金表面制备抗菌涂层的方法，其特征在于，包括以下制备步骤：将铜靶安装在双层辉光等离子渗镀设备的靶位，将镁/镁合金基体固定于双层辉光等离子渗镀设备的试样台上，铜靶相对于镁/镁合金基体平行设置，然后进行渗镀得到渗镀层；具体渗镀参数控制为：铜靶的源极电压为600～700V，镁/镁合金基体的工作电压为400～450V，铜靶与镁/镁合金基体之间的间距为8～15mm，氩气气压为20～45Pa，渗镀时间为3～5h。2.根据权利要求1所述的镁及镁合金表面制备抗菌涂层的方法，其特征在于：所述渗镀层包括位于镁/镁合金基体表面的沉积层以及从镁/镁合金基体表面渗入到内部的扩散层；所述沉积层的厚度为10～15μm，成分为铜及不可避免的杂质，微观组织为α相；所...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘辰，陈小虎，韩俊刚，曹召勋，赵枢明，付玉，王荫洋，邵志文，徐永东，朱秀荣，
申请(专利权)人：中国兵器科学研究院宁波分院，
类型：发明
国别省市：