專利名稱：一種表面改性處理的人工器官及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無機(jī)材料表面改性技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及人工器官材料的改性技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著人們生活水平的提高和醫(yī)療技術(shù)的進(jìn)步，內(nèi)植人造器官和矯形植入體已被廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)療中，如人工關(guān)節(jié)、人造骨、人工心臟瓣膜、血管胃管支架等。這些植入體大多數(shù)由鈦合金(Ti6A14V)、熱解碳或高聚合物等制成。由于該類材料生物相容性能的欠缺，當(dāng)它們與血液或體液接觸時(shí)將產(chǎn)生一系列生化反應(yīng)，導(dǎo)致血小板粘附形成血栓，或引發(fā)致敏、毒性、炎癥等生物反應(yīng)，在體內(nèi)產(chǎn)生某些生理負(fù)作用。因此，生物相容性材料的合成以及內(nèi)植人造器官或矯形植入體的表面改性是生物醫(yī)用材料研究的重要領(lǐng)域之一，新型抗凝血生物涂層材料的研制始終是國際性的研究熱點(diǎn)。
近年來，TiO2良好的血液相容性(優(yōu)于臨床上使用的熱解碳)引起科研工作者的廣泛關(guān)注。中國專利ZL95111386.0給出了用離子束增強(qiáng)沉積方法在心血管系人工器官上制備TiO2-x/TiN復(fù)合膜的方法，該法可實(shí)現(xiàn)對平面的、簡單的人工心血管器官(如人工心臟瓣膜的葉片)覆膜，對曲面的、復(fù)雜的人工心血管器官(如人工心臟瓣膜的瓣架表面)則無法進(jìn)行全方位覆膜，因此由該種方法制得的人工器官的性能及安全性難以得到保證。
在TiO2基礎(chǔ)上摻雜制得復(fù)合功能薄膜材料是當(dāng)前改進(jìn)材料抗凝血性能的有效途徑。中國專利ZL99117468.2和ZL03154172.0提供了利用濺射在形狀復(fù)雜的人工器官表面合成鉭、鈮摻雜的鈦-氧表面改性層的方法。由這種方法處理的人工器官，其耐久性能得到較好改善，但抗凝血性能仍需進(jìn)一步提高，而且這兩個(gè)專利所采用的方法是復(fù)雜而不實(shí)用的。ZL99117468.2是在人工器官的表層有二氧化鈦薄膜利用等離子體浸沒離子注入機(jī)摻雜氫、鉭或鈮，這就意味著人工器官的基體上必須首先覆蓋二氧化鈦薄膜；ZL03154172.0雖然利用鈦-鈮合金靶或鈦-鉭合金靶可以將鈦和摻雜元素一步覆蓋到人工器官的基體上，但隨后還要進(jìn)行氧化處理，將其氧化為氧化物。
現(xiàn)有技術(shù)中尚沒有抗凝血性優(yōu)異、而且可以進(jìn)行全方位均勻覆膜的技術(shù)。
因此，有必要提供涂覆有均勻抗凝血材料、而且該抗凝血材料具有優(yōu)異的抗凝血性能的人工器官，以解決當(dāng)前臨床上對抗凝血材料的緊迫要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種具有優(yōu)異的抗凝血性能的人工器官及其制備方法。
為實(shí)現(xiàn)上述方面目的，一方面，本發(fā)明提供了一種經(jīng)過表面改性處理的人工器官，該人工器官的表面均勻涂覆有經(jīng)輕稀土元素鑭和/或鈰摻雜的二氧化鈦復(fù)合膜，該二氧化鈦復(fù)合膜的厚度為20-600納米，優(yōu)選為60-300納米；其中，稀土元素鑭和/或鈰在二氧化鈦復(fù)合膜中的摩爾含量為0.1％～20％，優(yōu)選為0.2％～10％。
本發(fā)明采用輕稀土元素?fù)诫s的TiO2基復(fù)合抗凝血材料，并使用它作為人工器官的涂層，從而使得經(jīng)過如此表面改性處理的人工器官具有良好的抗凝血性能。稀土化合物具有多種藥效作用，例如其具有較優(yōu)異的抗凝血性能以及抗炎、抑菌和抗腫瘤等作用。長期稀土毒理學(xué)的研究表明稀土屬低毒性物質(zhì)，其毒性與鐵差不多，適量攝入有助于提高機(jī)體的免疫能力。因而，本發(fā)明采用輕稀土元素?fù)诫s的二氧化鈦復(fù)合膜來改性人工器官，收到了意想不到的效果。
本發(fā)明的人工器官中，二氧化鈦復(fù)合膜的厚度應(yīng)控制在20-600納米范圍內(nèi)；因?yàn)楫?dāng)該復(fù)合膜的厚度小于20納米，則很難在人工器官的表面上形成均勻、連續(xù)的抗凝血膜，而當(dāng)該復(fù)合膜的厚度大于600納米時(shí)，其與人工器官基體的結(jié)合須經(jīng)更為嚴(yán)格的處理或特殊的處理，否則，該復(fù)合膜易從基體上脫落。優(yōu)選地，二氧化鈦復(fù)合膜的厚度為60-300納米。
本發(fā)明的人工器官的基體可以為鈦合金和/或不銹鋼，當(dāng)然也可以是其它材質(zhì)的基體，只要其適合濺射即可。
優(yōu)選地，稀土元素鑭和/或鈰在二氧化鈦復(fù)合膜中的摩爾含量為0.5％～5％。
本發(fā)明的人工器官中，經(jīng)輕稀土元素鑭和/或鈰摻雜的二氧化鈦復(fù)合膜可以是通過磁控濺射技術(shù)濺射沉積人工器官基體的表面上；濺射沉積采用的靶體優(yōu)選為輕稀土元素鑭和/或鈰摻雜的TiO2納米粉體。采用納米粉體的優(yōu)點(diǎn)是容易獲得均勻的復(fù)合膜，而該復(fù)合膜的厚度優(yōu)選只有60-300納米。采用磁控濺射技術(shù)進(jìn)行濺射沉積具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如可以對形狀復(fù)雜的、曲面的人工器官進(jìn)行均勻的全方位覆膜；又例如采用多弧磁過濾真空濺射離子沉積技術(shù)時(shí)，磁過濾器可以把濺射產(chǎn)生的中性粒子和大粒子過濾掉，而將幾乎100％離子化的離子引到基體上形成復(fù)合膜，大大改善了復(fù)合膜的性能，如粘合性、均勻性等。
本發(fā)明的濺射沉積也可以是在復(fù)合靶上施加射頻電壓的射頻磁控濺射，其中，射頻功率控制在200～500瓦，射頻電壓控制在800～1000伏，工作氣壓控制在10-2～101帕。
另一方面，本發(fā)明提供了一種在人工器官上形成抗凝血復(fù)合膜的方法，該方法包括(1)形成輕稀土元素鑭和/或鈰摻雜的二氧化鈦復(fù)合靶；(2)將該二氧化鈦復(fù)合靶的靶材料濺射沉積到人工器官基體的表面上。
其中，步驟(1)中所形成的輕稀土元素鑭和/或鈰摻雜的二氧化鈦復(fù)合靶可以為輕稀土元素鑭和/或鈰摩爾含量為0.1％～2 0％的TiO2復(fù)合納米粉體；步驟(2)中的濺射沉積可以為磁控濺射沉積，優(yōu)選為多弧磁過濾真空濺射離子沉積；步驟(2)中的濺射沉積也可以是在復(fù)合靶上施加射頻電壓的射頻磁控濺射，其中，射頻功率200～500瓦，射頻電壓800～1000伏，工作氣壓10-2～101帕。
為了形成輕稀土元素鑭和/或鈰原子摻雜的TiO2納米粉體復(fù)合靶，可以采用以下組分組成(按凈值摩爾份配比)按如下的方法進(jìn)行制備鈦酸丁酯(Ti(OC4H9)4)1
冰乙酸(CH3COOH)0.5～1乙醇(C2H5OH) 12～20硝酸(HNO3) 0.2～0.3硝酸鑭(La(NO3)3·6H2O) 0.001～0.2硝酸鈰(Ce(NO3)3·6H2O) 0.001～0.2A)按上述比例稱取鈦酸丁酯和無水乙醇，在劇烈攪拌鈦酸丁酯的過程中滴加無水乙醇；B)按上述比例稱取冰乙酸，滴加在鈦酸丁酯和無水乙醇的混合液中，繼續(xù)攪拌15～20分鐘，得到溶液(1)；C)按上述比例稱取硝酸、無水乙醇和蒸餾水(三者體積比為1∶20∶2)；無水乙醇與蒸餾水混合后，在劇烈攪拌下，緩慢滴加硝酸，得到溶液(2)；D)在劇烈攪拌下將溶液(2)以約1～2滴/s的速率緩慢滴加到溶液(1)中，得到均勻透明的淡黃色溶膠，繼續(xù)攪拌1小時(shí)，放置陳化12小時(shí)待用。
E)按上述比例稱取硝酸鑭或硝酸鈰，添加適量無水乙醇，得到均勻透明無色溶液(3)；F)在劇烈攪拌下，將溶液(3)緩慢滴加到由D)得到的溶膠中，繼續(xù)攪拌1小時(shí)，得到了輕稀土元素鑭或鈰摻雜的TiO2溶膠。
G)將上述過程制得的輕稀土元素?fù)诫s的TiO2溶膠烘干，再將干燥后的顆粒研磨，然后在600℃～800℃中退火1小時(shí)，得到了輕稀土元素?fù)诫s的TiO2納米粉體。
采用磁控濺射技術(shù)制備輕稀土元素?fù)诫s的TiO2抗凝血生物涂層薄膜材料的具體過程可以是將輕稀土元素?fù)诫s的TiO2納米粉體壓制成磁控濺射設(shè)備所需的靶，然后，采用射頻濺射方式制備輕稀土元素?fù)诫s的TiO2抗凝血生物涂層薄膜材料?？刂票∧ば阅艿膮?shù)量射頻功率200～500W，工作氣體壓力10-2～101帕，射頻電壓800～1000伏，樣品加熱溫度為100～500℃，濺射時(shí)間0.1～3小時(shí)，輕稀土元素?fù)诫s的二氧化鈦復(fù)合靶中，鑭的摩爾含量為0.1％～20％或鈰的摩爾含量為0.1％～20％。
由于本發(fā)明在原料中添加了輕稀土元素鑭或鈰，并在600℃～800℃中退火1小時(shí)，這些稀土元素的摻入不僅能細(xì)化TiO2晶粒大小，還可進(jìn)一步提高材料表面的親水性及表面張力極性色散比，因此摻雜樣品具有良好的血液相容性；另外，摻雜樣品優(yōu)良的抗凝血性能可能與稀土離子和Ca2+之間的拮抗作用有關(guān)，在凝血因子X活化成為Xa，凝血酶原形成凝血酶，纖維蛋白原轉(zhuǎn)化為纖維蛋白的過程中Ca2+參與了作用，由于稀土離子半徑與Ca2+近似且多一個(gè)正電荷，對含氧配位體的結(jié)合能力大于Ca2+并取代Ca2+使凝血過程受到抑制。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，采用上述方法所合成的輕稀土元素?fù)诫s的TiO2抗凝血生物涂層薄膜材料，其優(yōu)點(diǎn)在于所合成的輕稀土元素?fù)诫s的TiO2抗凝血生物涂層薄膜血液相容性極好，對形狀復(fù)雜的人工器官可實(shí)現(xiàn)全方位改性，均勻可靠，可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用；由這些摻雜氧化物制得的表面改性層的抗凝血性能顯著優(yōu)于目前臨床使用的國際公認(rèn)的人工心臟瓣膜材料(熱解碳)，改性涂層成分容易控制，重復(fù)性好，可靠度高。總之，采用本發(fā)明所述的方法處理所獲得的人工器官的血液相容性，抗腐蝕和耐磨性能得到全面提高。
以下結(jié)合實(shí)施例，來進(jìn)一步說明本發(fā)明，但本發(fā)明不局限于這些實(shí)施例，任何在本發(fā)明基本精神上的改進(jìn)或替代，仍屬于本發(fā)明權(quán)利要求書中所要求保護(hù)的范圍。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1制備不同輕稀土元素鑭或鈰摻雜的TiO2復(fù)合納米材料制備方法如下按凈值摩爾(份)比稱取鈦酸丁酯1份；冰乙酸0.5～1份；乙醇12～20份；硝酸0.2～0.3份；硝酸鑭或硝酸鈰0.001～0.2份后按下述步驟制備A)按上述比例，在劇烈攪拌鈦酸丁酯的過程中滴加無水乙醇；B)將冰乙酸滴加在鈦酸丁酯和無水乙醇的混合液中，繼續(xù)攪拌15～20分鐘，得到溶液(1)；C)按上述比例稱取硝酸、無水乙醇和蒸餾水(三者體積比為1∶2 0∶2)；無水乙醇與蒸餾水混合后，在劇烈攪拌下，緩慢滴加硝酸，得到溶液(2)；D)在劇烈攪拌下將溶液(2)以約1～2滴/s的速率緩慢滴加到溶液(1)中，得到均勻透明的淡黃色溶膠，繼續(xù)攪拌1小時(shí)，放置陳化12小時(shí)待用。
E)按上述比例稱取硝酸鑭或硝酸鈰，添加適量無水乙醇，得到均勻透明無色溶液(3)；F)在劇烈攪拌下，將溶液(3)緩慢滴加到由D)得到的溶膠中，繼續(xù)攪拌1小時(shí)，得到了輕稀土元素鑭或鈰摻雜的TiO2溶膠。
G)將上述過程制得的輕稀土元素?fù)诫s的TiO2溶膠烘干，將干燥后的顆粒研磨后，在600℃～800℃中退火1小時(shí)，得到了輕稀土元素鑭或鈰摩爾含量為0.1％～20％的TiO2復(fù)合納米粉體。
實(shí)施例2制備帶有輕稀土元素鑭或鈰摻雜的TiO2復(fù)合涂層的人工器官將上述輕稀土元素鑭或鈰摻雜的TiO2納米粉體按照磁控濺射設(shè)備的規(guī)格要求壓制成靶，放置在磁控濺射設(shè)備的靶臺上，需改性的人工器官放置在樣品臺上，抽真空至1×10-4帕，通人一定壓力的氬氣，打開濺射電源，由于靶臺上加有射頻電壓，形成氬等離子體，氬離子轟擊輕稀土元素鑭或鈰摻雜的TiO2復(fù)合靶，產(chǎn)生的鈦、鑭、氧原子或鈦、鈰、氧原子沉積在人工器官表面，合成了輕稀土元素鑭或鈰摻雜的TiO2薄膜。可按表1所示八種工藝?yán)蒙漕l濺射在人工器官表面合成鑭或鈰摻雜的TiO2薄膜。濺射過程中控制薄膜性能的參數(shù)是射頻功率200～500瓦，射頻電壓800～1000伏，工作氣壓10-2～101帕，樣品加熱溫度為室溫～500℃，濺射時(shí)間是0.1～3小時(shí)。經(jīng)測量，所得到的TiO2復(fù)合涂層的厚度在20-600納米之間。
表1

權(quán)利要求
1.一種經(jīng)過表面改性處理的人工器官，其特征在于，該人工器官的表面均勻涂覆有經(jīng)輕稀土元素鑭和/或鈰摻雜的二氧化鈦復(fù)合膜，該二氧化鈦復(fù)合膜的厚度為20-600納米，優(yōu)選為60-300納米，所述稀土元素鑭和/或鈰在所述二氧化鈦復(fù)合膜中的摩爾含量為0.1％～20％，優(yōu)選為0.2％～10％。
2.如權(quán)利要求1所述的人工器官，其特征在于，該人工器官的基體為鈦合金和/或不銹鋼。
3.如權(quán)利要求1所述的人工器官，其特征在于，所述稀土元素鑭和/或鈰在所述二氧化鈦復(fù)合膜中的摩爾含量為0.5％～5％。
4.如權(quán)利要求1-3之一所述的人工器官，其特征在于，所述的經(jīng)輕稀土元素鑭和/或鈰摻雜的二氧化鈦復(fù)合膜是通過磁控濺射技術(shù)濺射沉積所述人工器官之基體的表面上。
5.如權(quán)利要求4所述的人工器官，其特征在于，所述的濺射沉積采用的靶體為輕稀土元素鑭和/或鈰摻雜的TiO2納米粉體。
6.如權(quán)利要求4所述的人工器官，其特征在于，所述的濺射沉積是在所述復(fù)合靶上施加射頻電壓的射頻磁控濺射，其中，射頻功率200～500瓦，射頻電壓800～1000伏，工作氣壓10-2～101帕。
7.一種在人工器官上形成抗凝血復(fù)合膜的方法，該方法包括(1)形成輕稀土元素鑭和/或鈰摻雜的二氧化鈦復(fù)合靶；(2)將所述二氧化鈦復(fù)合靶的靶材料濺射沉積到人工器官基體的表面上。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，步驟(1)中所形成的輕稀土元素鑭和/或鈰摻雜的二氧化鈦復(fù)合靶為輕稀土元素鑭和/或鈰摩爾含量為0.1％～20％的TiO2復(fù)合納米粉體。
9.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，步驟(2)中所述的濺射沉積為磁控濺射沉積，優(yōu)選為多弧磁過濾真空濺射離子沉積。
10.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于，步驟(2)中所述的濺射沉積是在所述復(fù)合靶上施加射頻電壓的射頻磁控濺射，其中，射頻功率200～500瓦，射頻電壓800～1000伏，工作氣壓10-2～101帕。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種經(jīng)過表面改性處理的人工器官，該人工器官的表面均勻涂覆有經(jīng)輕稀土元素鑭和/或鈰摻雜的二氧化鈦復(fù)合膜，該二氧化鈦復(fù)合膜的厚度為20－600納米，優(yōu)選為60－300納米，稀土元素鑭和/或鈰在二氧化鈦復(fù)合膜中的摩爾含量為0.1％～20％，優(yōu)選為0.2％～10％。其中，經(jīng)輕稀土元素鑭和/或鈰摻雜的二氧化鈦復(fù)合膜可以通過磁控濺射技術(shù)如射頻濺射濺射沉積人工器官之基體的表面上，從而可以在形狀復(fù)雜的人工器官表面合成鑭或鈰摻雜的TiO
文檔編號A61L33/00GK101024096SQ200710026880
公開日2007年8月29日 申請日期2007年2月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月12日
發(fā)明者陳弟虎, 何振輝, 張麟, 潘仕榮 申請人:中山大學(xué)