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植入物表面的等离子体处理工艺

发表时间: 2023-07-31 09:17:21

作者: 深圳市甲岸科技有限公司

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长期以来,医疗器械行业一直在寻求可提高钛、聚醚醚酮(PEEK)和聚合物人工植入物表面细胞生长和增殖的表面改性解决方案。在某些情况下使用了等离子喷涂技术。然而,业界普遍担心的是,涂层中的小颗粒可能会释放到周围组织中。另一种替代方法是射频(RF)等离子体技术,但该工艺会产生大量热量,在加工聚合物植入物时缺点明显。


幸而,有一种称为电子增强材料加工(EEMP)的新型等离子体蚀刻工艺可以提供独特的低温方法,其已证明可提高金属和合金的性能,并可改善聚合物植入物的骨整合。EEMP工艺中,精确控制的电子(非离子)波在特定电压下向着材料表面加速,导致发生释放表面原子键的化学反应,使样本表面的材料被逐渐去除。


EEMP工艺可用于手术级不锈钢、钛、钛合金和钴铬表面。该工艺可用于表面的轻微改性,经调整后适用于聚合物表面。这种专有工艺将“经调整的”电子能量传递给待改性表面的键,因而有可能会实现这种水平的整合。


这种新型表面改性工艺采用特殊形式的电子驱动等离子体处理,已证明可提高金属和合金的性能,并可改善聚合物植入物的骨整合。(来源:PVA TePla)



植入物材料



目前,用于制造人工植入物的材料包括手术级不锈钢、钛、钛合金和钴铬。通常,植入物会根据体位和运动而承受可变的高载荷,而这些材料正好可以满足特定的强度要求。同时,这些金属还被证明具有较高的金属相容性和防腐性。


但是,金属和合金也有包括可能干扰MRI和CT扫描等诊断成像在内的缺点。应力遮挡是业界担心的另一个问题,骨密度降低会导致骨骼正常应力迁移到植入体上。导致这一问题的部分原因在于金属的弹性模量高于骨骼,从而影响负荷分布和骨吸收。借助这项突破性的技术,可以选择性地使用电子来处理材料表面。


这些问题激发了对替代解决方案的研究,即具有骨骼相似弹性模量的可吸收和不可吸收聚合物植入物。骨科中最常使用的聚合物为超高分子量聚乙烯(UHMWP)或高密度聚乙烯(HDP)。聚合物的选项日益增多,其中之一是有机聚合物热塑性塑料PEEK,其已被用于生产价值10亿美元脊柱融合术市场的融合器。但是,这种方法也存在缺陷。通常,聚合物对骨整合的支撑效果欠佳,骨整合指骨骼和植入物表面之间的结构和功能连接。


为了解决这些问题,方法之一是应用等离子喷涂涂层,使钛等材料附着到聚合物表面或使羟基磷灰石附着在钛表面,起到改性表面的作用。羟基磷灰石是喷涂在钛或其它金属表面的磷酸钙等离子体。此外,钛等离子喷涂还用于钛或聚合物表面的粗糙化。尽管等离子喷涂可供使用,仍然存在以下一些问题:小颗粒和碎屑颗粒可能引起不良的组织反应,并最终导致植入物的长期无菌性松动。


另一种传统替代方法是射频等离子体处理,其可用于植入物的表面改性。等离子体是一种物质状态,例如,固体、液体或气体。当向气体施加足够的能量时,它会电离成等离子体状态。这些活性成分的总性质可以控制,以便清洗、活化、化学接枝和沉积各种化学物质。


射频等离子体实质上会重新排列并在外表面上形成新键。就所有目的和用途而言,表面与植入物的基础材料相同,只是顶层被改性而已。射频等离子体的形成过程为:施加通常为13.56 MHz的射频信号,促使被引入腔室的气体的原子或分子升温,直至电离为等离子体。气体下方单独控制的射频信号下拉正离子以轰击金属表面。


但是,该工艺会产生大量热量。从性质来看,生物相容性聚合物需要吸收大量热才会改变底层结构。但在某些情况下,聚合物的流量和熔融温度不高。


图1  晶圆级DC等离子体。


EEMP工艺中,精确控制的电子(非离子)向着材料加速。电子的质量很小,因此不会对表面造成冲击损坏,并且化学反应只会产生很小的热量,因此样本仍然处于室温下。


生物相容性聚合物可以使用EEMP加工,并且确保非常低的温度曲线。聚合物链的键在表面上被激发,并对表面进行蚀刻或改性。与键和表面同时被破坏的现象相比,将温度敏感的聚合物放置在常规射频蚀刻机中时通常会发生这种情况。


射频等离子体无论用于加工何种类型的材料均会获得特定的结果,EEMP则不同,它十分灵活,容易适应各种应用和材料。可以操作和调整以获得具体结果的变量包括腔室中使用的气体、放电的电子能量(基于待蚀刻的材料)和温度。


根据所需的物理和/或化学特性,可以“调整”工艺以获得预期的理想表面。可能需要一定程度的粗糙度或表面光滑度,或者疏水或亲水表面。该工艺的早期实验甚至获得了十分粗糙的表面,并激发生物学家进行检查,结果证明,该表面非常类似于真实人体骨骼的表面。


EEMP的优点之一是得益于工艺的性质,可以获得原子级光滑表面。在该工艺中,从任何现有峰到原子光滑度的一个晶格常数(小于0.25 nm),逐层去除原子。


通过这种方法调整粗糙度可以达到预期的结果,无论是高达数百个亚原子的平滑度,还是微米级粗糙度。重要的是,根据具体应用,粗糙表面和光滑表面各有优点。例如,植入关节内的聚合物表面需要光滑,以最大限度地减少关节磨损和摩擦。尝试促进骨整合时,粗糙表面可以获得更好的结果。


医疗行业的其它潜在应用也采用EEMP进行表面改性,包括目前仍在研究的支持细菌粘附和生物膜形成。尽管该技术处于概念验证的早期阶段,但是对于迄今实现的表面物理化学性质改变具有重要价值。




植入物表面的等离子体处理工艺
长期以来,医疗器械行业一直在寻求可提高钛、聚醚醚酮(PEEK)和聚合物人工植入物表面细胞生长和增殖的表面改性解决方案。在某些情况下使用了等离子喷涂技术。然而,业
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