專利名稱：：經表面處理的形狀記憶材料及其制造方法經表面處理的形狀記憶材料及其制造方法5本申請要求在2005年1月13日遞交的美國臨時申請第60/643,744號的優(yōu)先權，該臨時申請的內容通過引用合并到此文中。
背景技術：
：形狀記憶材料例如鎳鈦(NiTi)合金由于其具有其他普通整形外科10用材料如不銹鋼和鈦合金所不具備的獨特的形狀記憶效應(SME)和超彈性(SE)，所以是整形外科中外科植入物的有前景的材料。相比較于不銹鋼和鈦合金，它們的機械性能也更接近于骨皮質的機械性能。這些材料顯示出比用于骨外傷固定的CoCrMo合金更高的耐磨性。也有人研究了這些材料的其他幾種良好的性質，且也有報導過其良15好的生物相容性。但是，也指出了一些負面效應。例如，Berger-Gorbet等人已發(fā)現(xiàn)，相比較于不銹鋼和鈦合金，NiTi合金不利于骨生成過程和骨連接素合成活動、Jia等人在他們的研究中發(fā)現(xiàn)NiTi合金引起的細胞死亡率是很高的2。人們認為這些問題是由這些材料的低耐腐蝕性引起的，該低耐20腐蝕性可導致它們的細胞毒性增加。很有可能是一些從基底釋放出的有毒成分而非細胞凋亡導致了細胞死亡3。Shih等人報導稱，從NiTi得到的上清液和腐蝕性產物可導致平滑肌細胞的死亡4(特別是當釋放出的鎳的量高于9ppm時)。一些其他研究也報導稱，從該合金瀝濾的鎳離子5'6在對鎳過敏的患者體內引起過敏反應wg。然而這些材料25的微結構和表面形態(tài)學的均一性可改變NiTi合金的抗腐性能，無疑地，所述材料在其被廣泛地臨床應用前，特別是在認為有腐蝕存在處作為具有聯(lián)結作用的整形外科植入物使用前，必須增強所述材料的耐腐蝕性和抗磨損性。碳化鈦和氮化鈦具有極好的機械性能和化學性質，例如，良好的耐磨性，對許多化學物質的惰性以及突出的硬度[11-16]。已知二氧化鈦能與活組織良好地相容[l7-20]。他們對于許多化學反應也是惰性的。在表面涂層工業(yè)中，這些成分通過各種方法[21-25]被應用5于改善基底的機械性能和腐蝕性能已有一段時間了。發(fā)明概述本發(fā)明提供改變鎳鈦合金部分表面組成以增加其生物相容性的方法，包括通過等離子浸沒離子注入法或沉積法，或離子束浸沒法或注入法，在鎳鈦合金部分的表面注入氮、氧或碳。所述表面也可10通過等離子浸沒離子注入和沉積或相關的基于離子束和等離子的技術來改變，例如等離子增強的氣相沉積法(PECVD)、物理氣相沉積法(VPD)和化學氣相沉積法(CVD)。本發(fā)明還提供由前述材料制造的整形外科植入物、血管植入物和食管植入物。15附圖簡述圖1是從氮、乙炔和氧PIII表面處理過的樣品以及對照品獲得的Ni深度曲線圖。圖2包括了在細胞培養(yǎng)兩天后，處理的NiTi和未處理的NiTi(對照)的顯微照片，顯示有表達EGFP的鼠成骨細胞。(A)表面未被處理20的NiTi合金，(B)經過氮PIII注入的NiTi合金，(C)經過乙炔PIII注入的NiTi合金，和(D)經過氧PIII注入的NiTi合金。本發(fā)明優(yōu)選實施方案的詳細描述形狀記憶材料例如鎳鈦合金(NiTi)由于其獨特的性質，故在生物醫(yī)學應用中是有用的材料。但是，對于其在人體內的長期使用來說，25因為可能從基底釋放有害離子到活組織中，所以所述材料的耐腐蝕性的衰退成為了關鍵的問題。所以，我們建議使用等離子浸沒離子注入和沉積法以及相關的基于離子束和等離子的技術將一些其他成分，例如C2H2、N2和02，注入NiTi基底以改變所述合金的耐腐蝕性和耐磨性。我們已經成功地證實，鎳鈦形狀記憶合金的耐腐蝕性和耐磨性可通過將氮、碳和氧注入到該基底表面而得到增強。另外，由于使用等離子浸沒離子注入法和沉積法，其生物學性質如骨傳導性和親水性也可得到減小或增強。5根據(jù)一個優(yōu)選實施方案，本發(fā)明提供改變鎳鈦合金部分表面組成以增加其生物相容性的方法，包括通過等離子浸沒離子注入法或沉積法，或離子束浸沒法或注入法，將氮、氧或碳注入到所述4臬鈦合金部分的表面上。所述鎳鈦合金優(yōu)選為形狀記憶合金，且其中含約20-80%的鎳和80-20%的鈥。所述成分的表面注入增強了所述合金10的機械性能如親水性、耐腐蝕性和耐磨性。所述鎳鈦合金部分可被減小或增強。在本發(fā)明的實踐中，所述等離子浸沒離子注入和沉積法或相關的基于離子束和等離子的技術例如等離子增強的氣相沉積法(PECVD)、物理氣相沉積法(VPD)和化學氣相沉積法(CVD)可減少、終止或防止有害離子從所述形狀記憶材料的基底釋放出來。所述材15料可為用于整形外科、泌尿科、血管外科、肝膽外科或食管外科的生物材料。這些用于所述材料表面處理的各類方法的能量為沉積法為leV到lkeV,注入和沉積法為500eV到100keV,束流離子注入法為500eV到10MeV。優(yōu)選地，所述材料表面處理的能量為沉積法為leV到500eV，注入和沉積法為500eV到1000eV，束流離子20注入法為1000到1000MeV。使用直流電，參數(shù)為"無限"脈沖持續(xù)時間的OHz重復到5000Hz。所述注入的材料為氣體、液體或固體形式的氮源、碳源或氧源。所述氮源為氮氣。所述碳源為乙炔或其衍生物。所述氧源為氧氣。所述方法可用于制造整形外科植入物、血管植入物或食管植入25物。為了促進理解所述等離子浸沒離子注入和沉積法或相關的基于離子束和等離子的技術如等離子增強的氣相沉積法(PECVD)、物理氣相沉積法(VPD)和化學氣相沉積法(CVD)在形狀記憶材料例如Ti-50.8%Ni合金的表面的作用原理，將描述本發(fā)明的具體的優(yōu)選實施方案。圖i顯示了經Pin表面處理的樣品的Ni濃度曲線圖和未經pin表面處理的樣品的Ni濃度曲線圖。在氮等離子注入樣品、乙炔等離5子注入樣品和氧等離子注入樣品中的注入?yún)^(qū)域的Ni濃度相比較于未涂布(non-coated)的對照樣品低很多。相比較于氧PIII,氮PIII產生了最高的Ni抑制。乙炔、氮和氧注入的處理方法為，將所述樣品磨碎、磨光成發(fā)光表面質地，隨后用丙酮和乙醇進行超聲波清洗，再在等離子浸沒10離子注入器中進4亍沉積或注入。乙炔、氮和氧注入樣品的沉積和注入?yún)?shù)如表1所示。圖1所示的元素深度曲線是由X射線光電子能語(XPS)(PhysicalElectronicsPHI5802,Minnesota,USA)測定的。表l-等離子浸沒離子注入和沉積法處理參數(shù)樣品注入乙炔的NiTi注入氮的NiTi注入氧的NiTi氣體類型C2H2N2o2RF--1000W1000W高壓誦40kV-40kV-概V脈沖寬度30|xs50^is50jxs頻率200Hz200Hz200Hz注入持續(xù)時間90240240(min)基準壓力1xlO-s托7.0x10-6托7.0x10-6托工作壓力2.0xIt)-3托用量5.5x1016cm-29.6x1016cm'2l.Ox1017cm-2退火壓力l.Ox10-5托8.0x10-6托8.0x10-6托退火溫度rc)600450450退火持續(xù)時間(h)555在五個區(qū)城進行納米壓痕試驗(MTSNanoIndenterXP,USA)來測定經處理的樣品和對照樣品的平均硬度和楊氏模量。對照樣品的硬度為4.5GPa，楊氏模量為57GPa。表2列出了用納米壓痕試驗測定的未處理的對照樣品和處理過5的樣品表面的硬度(H)和楊氏模量(E)的結果。表2-對照樣品表面和經處理的樣品表面的楊氏模量和硬度<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>所有的表面處理過的樣品都具有比對照樣品更高的表面硬度和10楊氏模量。這意味著所述處理過的表面比在其下面的NiTi基底有更大的機械強度，且可以更有效地經受機械沖擊。在所述經處理的表面中，氮注入層具有最大的H和E,接著是乙炔注入層和氧注入層。表3列出了在電化學試驗后從表面處理過和未處理過的樣品瀝濾出的Ni的量，其數(shù)值是由電感耦合等離子體質i普(ICPMS)測定的。15基于ASTMG5-94(1999)和G61-86(1998)的電化學試驗是使用pH為7.42、溫度為3770.51C(37.5。C)的標準模擬體液(SBF)通過恒電位儀(VersaStatIIEG&G,USA)完成的。所述SBF中的離子濃度如表4所示。以600mV/h的掃描速度使用-400mV到+1600mV的循環(huán)電勢跨度(cyclicpotentialspanning)在所述電化學試驗之前，該介質用氮氣20吹掃lh以清除其中的溶解氧，且氮氣吹掃持續(xù)貫穿整個測試過程。在腐蝕試驗后，對來自各樣品的SBF使用電感耦合等離子體質諳(ICPMS)(PerkinElmer,PESCIEXELAN6100,USA)分析Ni和Ti。從所有處理過的樣品瀝濾出的Ni的量顯著減少。其量只是對照樣品的約0.03%到0.04%。SBF中的離子濃度如表4所示。25表3-電化學試驗后由ICPMS檢測的SBF中Ni和Ti離子含量<table>tableseeoriginaldocumentpage9</column></row><table>5圖2證實了氮、乙炔和氧等離子注入樣品被表達EGFP的成骨細胞很好地耐受。從2天大的小鼠顱蓋骨中分離出的成骨細胞，其普遍地表達增強的綠色熒光蛋白(EGFP)，該成骨細胞用來在添加有10Q/o(v/v)胎牛血清(Biowest,France)、抗生素(100U/ml的青霉素和100pg/ml的鏈霉素)和2mML-谷氨酰胺的Dulbecco改良的Eagle培10養(yǎng)基(Dulbecco'sModifiedEagleMedium(DMEM))(Invitrogen)中，于37。C下并在由5%(302和95%空氣組成的環(huán)境中培養(yǎng)。樣品(厚1mm,直徑5mm)用P/o(w/v)瓊脂糖固定在24孔組織培養(yǎng)板(Falcon)底部。具有5,000個細胞的細胞懸液被接種在未被處理的NiTi樣品和所述三種等離子注入的樣品(氧、氮和乙炔)的表面。細胞在lml的培養(yǎng)基15中生長且每兩天更換一次。在培養(yǎng)的笫二天后檢查細胞附著和細胞增殖。在培養(yǎng)兩天后，細胞開始附著到所有樣品上并在其上增殖。我們的結果明確地證實了在所有表面處理過的樣品上沒有發(fā)生直接的細胞毒效應。通過本發(fā)明獲得的改良合金可用于各種各樣的應用，如用作生物材料和其他這種合金可能顯示出優(yōu)勢時的應用，這對本領域普通技術人員來說應是顯然的。例如，所述合金可用于制造整形外科植入物包括置換關節(jié)，如髖、膝、肩、肘、指，或者所述合金可用于為整形外科目的的棒條體、螺絲、釘和脊推植入物等等。它們也可5被用于制成薄匹配物(thinmatches)，所述薄匹配物用于制造在泌尿科、心臟外科、脊髓外科、腦脊髓外科、胃腸外科、肝膽外科、血管外科或食管外科中有用的補片(patches)、管狀材料(加bing)以及器械。雖然本發(fā)明已在附圖及之前描述中詳細地說明和描述，但該說10明應被認為是舉例性的且并非限制性的，理應認為本發(fā)明只揭示和描述了優(yōu)選的實施方案，并且所有在本發(fā)明本質范圍內的改變和修改都希望得到保護。引用的文獻15下列文獻通過引用合并到此文中1.Berger-Gorbet,M.等，"BiocompatibilityTestingofNiTiScrewsUsingImmunohistochemistryonSectionsContainingMetallicImplants(使用關于含金屬植入物部分的免疫組織化學進行的NiTi螺絲的生物相容性試驗),"JournalofBiomedicalMaterialsResearch,201996;32(2):243畫8.2.Jia，W,等,"NickelReleasefromOrthodonticArchWiresand釋放和對不同鑷濃度的細胞免疫反應)，"Journal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(fā)明者呂維加,張文智,朱劍豪,楊偉國,潘偉業(yè)申請人:港大科橋有限公司;香港城市大學