一种表面耐磨及高生物相容的碳基材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种表面耐磨及高生物相容的碳基材料及其制备方法，通过在碳基材料表面镀制掺钛类金刚石复合涂层，能够有效降低碳基材料表面的摩擦系数，提高其耐磨性，改善碳基材料在植入人体后由于摩擦掉粉导致的人体不良反应，且掺钛类金刚石涂层还赋予了碳基材料良好的表面生物相容性和硬度，特别是掺钛类金刚石复合涂层与碳基材料表面结合力高，稳定性好，能够延长其使用寿命。能够延长其使用寿命。能够延长其使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种表面耐磨及高生物相容的碳基材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种表面改性碳基材料，具体涉及一种表面耐磨及高生物相容的碳基材料，还涉及其制备方法，属于生物医用材料制备


技术介绍

[0002]碳材料具有很好的生物相容性，其中，碳纤维、热解碳、碳纳米管及其复合材料等在心脏瓣膜、骨骼、生长支架、肿瘤药物、生物传感器等方面得到应用。特别是以碳纤维及其织物等为增强体的碳基材料具有质量轻、化学稳定性好、机械性能与人体骨相近、抗疲劳性好、可设计性强、具有一定的塑性等特点，被视为制备人工植入物的理想材料。然而，碳基材料在临床应用中也存在着一些不足。该材料表面因磨损脱落的颗粒会被周围巨噬细胞或淋巴细胞所吸收，虽然不会损害周边组织的功能，但还是会引起组织的炎症反应，且一些较大的剥落颗粒会随体液流动，在体表沉积，形成“黑肤效应”，影响美观。碳基材料虽为惰性材料，但其多孔的特性，容易在使用过程携带细菌进入人体组织导致炎症的风险。因此，提高碳基材料的表面耐磨性能力，有利于其在生物医用领域进一步推广应用。

技术实现思路

[0003]针对现有技术存在的不足，本专利技术的第一个目的是在于提供一种表面耐磨及高生物相容的碳基材料，该碳基材料通过在其表面镀制掺钛类金刚石复合涂层，能够有效降低碳基材料表面摩擦系数，提高其耐磨性，改善碳基材料在植入人体后由于摩擦掉粉导致的人体不良反应，且掺钛类金刚石涂层还赋予了碳基材料良好的表面生物相容性和硬度，特别是掺钛类金刚石复合涂层与碳基材料表面结合力高，稳定性好，能够延长其使用寿命。
[0004]本专利技术的另一个目的是在于提供表面耐磨及高生物相容的碳基材料的制备方法，该方法通过非平衡中频磁控溅射法和直流弧光PECVD相结合的方法来制备掺钛类金刚石复合涂层，且方法操作简单，容易精确控制，有利于工业化生产。
[0005]为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种表面耐磨及高生物相容的碳基材料，其由碳基材料及其表面的掺钛类金刚石复合涂层构成；所述掺钛类金刚石复合涂层由N层硅过渡膜层和N层掺钛类金刚石膜层交替叠加构成；其中，N为大于或等于1的整数。
[0006]本专利技术的碳基材料表面镀制掺钛类金刚石复合涂层，相对于现有的类金刚石涂层通过引入金属钛可以有效改善类金刚石膜层的综合性能，如改善类金刚石膜层的表面生物相容性、摩擦性能和硬度，而通过硅过渡层与掺钛类金刚石膜层进行交叠镀制，在类金刚石膜层中掺入的钛元素与硅过渡层中的原子结合更加紧密，降低了整个复合涂层的内应力，极大地提高了整个复合涂层与碳材料基体之间的结合力。同时在碳基材料表面镀制掺钛类金刚石复合涂层能够避免碳基材料在植入人体后由于摩擦掉粉导致的人体不良反应。
[0007]作为一个优选方案，所述掺钛类金刚石复合涂层由2～10层硅过渡膜层和2～10层掺钛类金刚石膜层交替叠加构成。所述掺钛类金刚石复合涂层进一步优选由2～5层硅过渡膜层和2～5层掺钛类金刚石膜层交替叠加构成。如果膜层太少则难以达到提高碳基材料表
面耐磨性能和硬度的目的，如果膜层过多则会降低复合涂层与碳基材料基体之间的结合能力，造成涂层更易剥落。
[0008]作为一个优选方案，所述掺钛类金刚石复合涂层中各层硅过渡层的厚度均在0.1～1.5μm范围内，各层掺钛类金刚石膜层的厚度均在0.3～3.5μm范围内。硅过渡膜层厚度过低或掺钛类金刚石膜层厚度过厚会降低掺钛类金刚石膜层与碳基材料的结合能力，而硅过渡膜层厚度过厚或掺钛类金刚石膜层的厚度过低会降低硬度和耐磨性能等。
[0009]本专利技术通过对各膜层的厚度以及叠加膜层的层数进行优化调控，可以有效增强整个复合涂层的抗磨损性能、硬度以及其在碳基材料表面的附着力。
[0010]作为一个优选方案，所述掺钛类金刚石复合涂层中各掺钛类金刚石膜层的钛掺杂量由内层至外层梯度递减。对各层掺钛类金刚石膜层中的钛掺杂量进行由内层至外层的递减，可以在有效提高整个复合涂层与碳基材料基体之间结合力的同时更好地提高最外层的掺钛类金刚石膜层的生物相容性。
[0011]作为一个优选方案，所述掺钛类金刚石复合涂层中钛的质量百分比含量为5～50％，掺钛类金刚石复合涂层中最外层掺钛类金刚石膜层中钛质量百分含量不高于10％。钛掺杂量在适当的范围内增加可以有效提高复合涂层与碳基材料之间的结合力，而最外层掺钛类金刚石膜层中钛质量百分含量高于10％时，其生物相容性会有所下降，因此，整个掺钛类金刚石复合涂层及表面掺钛类金刚石膜层的钛含量应当控制在适当范围内。
[0012]本专利技术还提供了一种表面耐磨及高生物相容的碳基材料的制备方法，该方法是对碳基材料进行表面清洁处理后，在其表面交替镀制硅过渡膜层和掺钛类金刚石膜层。
[0013]作为一个优选方案，所述表面清洁处理过程为：依次采用水和乙醇对碳基材料进行超声洗涤，超声洗涤的温度均为20～32℃，时间均为10～30min。经过有超声辅助溶剂洗涤，能够有效去除碳基材料表面的污渍，有利于提高后续镀制的膜层与基体之间的结合能力。水优选为纯化水，如去离子水，乙醇优选为无水乙醇。
[0014]作为一个优选方案，所述硅过渡膜层通过非平衡中频磁控溅射法镀制，镀制硅过渡膜层的条件为：Ar气流量为60～100sccm，硅靶功率为0.5～3kW，真空度为1.0
×
10
‑1～4.0
×
10
‑1Pa，离子源功率为0.5～2kW，工件负偏压电压为50～400V，镀膜时间为10～80min。非平衡磁控溅射制备硅膜层过程中能够控制温度低于200℃，形成的镀膜层更为致密有利于提高镀制的膜层与基体之间的结合。
[0015]作为一个优选方案，所述掺钛类金刚石膜层通过非平衡中频磁控溅射与直流弧光PECVD相结合方法镀制；镀制掺钛类金刚石膜层的条件为：Ar气流量为20～100sccm，气体碳源流量为10～100sccm，真空度为1.0
×
10
‑1～4.0
×
10
‑1Pa，离子源功率为0.5～3kW，钛靶功率为0.3～1.5kW，钛靶纯度不低于99.9wt％，工件负偏压电压为50～800V，镀膜时间为30～540min，且在镀制任意相邻两层掺钛类金刚石膜层过程中，镀制外层掺钛类金刚石膜层时的钛靶功率比镀制内层掺钛类金刚石膜层时的钛靶功率下降0.1～0.3kW。优选的气体碳源为乙炔等常见的气体碳源。本专利技术通过采用非平衡中频磁控溅射与直流弧光PECVD相结合方法镀制掺钛类金刚石膜层，可以在不改变类金刚石膜层制备工艺参数的条件下更好地控制掺入钛元素的含量，稳定地将整个复合涂层中钛元素的质量百分比含量控制在提升膜层性能最有效的区间5～50％。
[0016]本专利技术表面耐磨及高生物相容的碳基材料的具体方法包括以下步骤：
[0017]A.对碳基材料进行清洗：先后采用纯化水和乙醇对碳基材料进行超声清洗，清洗温度均为20～32℃，清洗时间均为10～30min，清洗完后进行烘干待用。
[0018]B.镀膜设备抽真本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种表面耐磨及高生物相容的碳基材料，其特征在于：由碳基材料及其表面的掺钛类金刚石复合涂层构成；所述掺钛类金刚石复合涂层由N层硅过渡膜层和N层掺钛类金刚石膜层交替叠加构成；其中，N为大于或等于1的整数。2.根据权利要求1所述的一种表面耐磨及高生物相容的碳基材料，其特征在于：所述掺钛类金刚石复合涂层由2～10层硅过渡膜层和2～10层掺钛类金刚石膜层交替叠加构成。3.根据权利要求2所述的一种表面耐磨及高生物相容的碳基材料，其特征在于：所述掺钛类金刚石复合涂层中各层硅过渡层的厚度均在0.1～1.5μm范围内，各层掺钛类金刚石膜层的厚度均在0.3～3.5μm范围内。4.根据权利要求1所述的一种表面耐磨及高生物相容的碳基材料，其特征在于：所述掺钛类金刚石复合涂层中各掺钛类金刚石膜层的钛掺杂量由内层至外层梯度递减。5.根据权利要求1～4任一项所述的一种表面耐磨及高生物相容的碳基材料，其特征在于：所述掺钛类金刚石复合涂层中钛的质量百分比含量为5～50％，且掺钛类金刚石复合涂层中最外层掺钛类金刚石膜层中钛质量百分含量不高于10％。6.权利要求1～5任一项所述的一种表面耐磨及高生物相容的碳基材料的制备方法，其特征在于：对碳基材料进行表面清洁处理后，在其表面交替镀制硅过渡膜层和掺钛类金刚石膜层。7.根据权利要求6所述的一种表面耐磨及高生物相容的碳基材料的制备方法，其特征在于：所述表面清洁处理过程为：依次采用水和...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翔，谭周建，王玲，刘波，蔡志霞，
申请(专利权)人：湖南碳康生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：