專利名稱：減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關(guān)節(jié)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及植入醫(yī)療器械領(lǐng)域，具體是指減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關(guān)節(jié)。
背景技術(shù)：
臨床使用的人工關(guān)節(jié)多是由生物惰性的金屬材料制成，如不銹鋼、鈦合金等。日?；顒又校斯りP(guān)節(jié)在頻繁的摩擦作用下極易發(fā)生磨損。臨床實驗發(fā)現(xiàn)，磨屑在體內(nèi)積聚能誘發(fā)基體細胞產(chǎn)生一系列不良生物反應(yīng)，導(dǎo)致假體周圍骨質(zhì)溶解和無菌松動，嚴重影響了人工關(guān)節(jié)的質(zhì)量和使用壽命。因此，研究耐磨損、生物相容性好和性價比高的新型人工關(guān)節(jié)材料對提高人們的生活質(zhì)量具有重要意義。金屬材料人工關(guān)節(jié)具有良好的力學(xué)性能，但是與人體骨組織不能形成生物結(jié)合，植入幾年后，往往會松動下沉，導(dǎo)致關(guān)節(jié)植入體在初始固位及遠期療效上難以滿足臨床應(yīng)用要求。近年來，人們致力于通過溶膠凝膠法、等離子噴涂法等技術(shù)在金屬材料表面生長羥基磷灰石涂層的研究，并取得了一定的進展。但這類涂層的脆性極大，存在著涂層與金屬基體結(jié)合強度低、生物穩(wěn)定性差等缺陷，在應(yīng)力作用和體液侵蝕作用下，涂層還會發(fā)生融解脫落等問題。TiB2是一種具有良好的生物相容性，無毒副作用的生物材料，但它屬于高硬脆性材料，一方面，難以用常規(guī)方法在金屬基體表面沉積；另一方面，它的脆性難以克服，從而限制了其臨床使用。研究發(fā)現(xiàn)，由占總量I 5%的有機質(zhì)層充填硬度較高的文石晶體層構(gòu)成的貝殼珍珠層，具有較優(yōu)異的力學(xué)性能，增加的大量界面阻礙了裂紋的擴展，從而提高了涂層的韌性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對目前臨床使用的不銹鋼、鎳鈦形狀記憶合金、醫(yī)用鈦合金及鈷鉻合金存在的不足，模擬天然貝殼材料表層的有機/無機層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)，提出一種減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關(guān)節(jié)，以提高人工關(guān)節(jié)的使用壽命。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是該仿生多層膜人工關(guān)節(jié)包括人工關(guān)節(jié)基體，人工關(guān)節(jié)基體的材料為不銹鋼、鎳鈦形狀記憶合金、醫(yī)用鈦合金或鈷鉻合金，其特征在于該仿生多層膜人工關(guān)節(jié)是在人工關(guān)節(jié)基體的表面上生長仿生多層膜，仿生多層膜由軟金屬膜層與硬陶瓷膜層相互交替生長，其厚度為50nm至30 ii m。其中，軟金屬膜層為純Ti，硬陶瓷膜層為TiB2。其中，該仿生多層膜的周期數(shù)為2 20層。其中，該仿生多層膜采用超高真空磁控濺射方法生長，陰極采用高純度金屬鈦和熱壓燒結(jié)陶瓷TiB2為靶材，濺射功率10 500W，工作氣壓0. I 0. 7Pa，襯底加熱溫度 250 450°C，基底負偏壓0 60V。
其中，該仿生多層膜人工關(guān)節(jié)的具體生產(chǎn)步驟如下
(1)用不銹鋼、鎳鈦形狀記憶合金、醫(yī)用鈦合金或鈷鉻合金加工好人工關(guān)節(jié)基體；
(2)將人工關(guān)節(jié)基體的表面進行機械研磨和電化學(xué)拋光處理；
(3)在超高真空磁控濺射設(shè)備中進行仿生多層膜的生長，仿生多層膜由軟金屬膜層與硬陶瓷膜層相互交替生長，仿生多層膜的周期數(shù)為2 20層，每個周期中軟金屬膜層的厚度為5nm I ii m,硬陶瓷膜層的厚度為50nm 500nm ；
(4)生長完備的人工關(guān)節(jié)經(jīng)清洗、晾干、滅菌后包裝，待用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(I)模擬天然貝殼材料表層的有機/無機層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)和潤滑減摩功能，在人工關(guān)節(jié)基體表面生長生物相容性好的TiB2陶瓷涂層，顯著改善了人工關(guān)節(jié)的生物相容性和耐人體體液腐蝕性能，可減輕其組織反應(yīng)和無菌松動；
(2)多層膜中的鈦層作為與基體的結(jié)合層，可實現(xiàn)TiB2陶瓷涂層的外延生長，膜層與基體結(jié)合牢固，另外，層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的韌性可有效緩沖瞬時沖擊對涂層帶來損傷；(3)在人工關(guān)節(jié)基體的表面構(gòu)建仿生多層膜，人工關(guān)節(jié)表面光滑，改善了金屬表面的潤濕性、生物相容性， 減少摩擦和磨損，提高人工關(guān)節(jié)使用壽命的作用。


圖I為本發(fā)明金屬/陶瓷仿生多層膜結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1人工關(guān)節(jié)基體，2軟金屬膜層，3硬陶瓷膜層。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細描述，這些實施例不能理解為是對技術(shù)方案的限制。實施例I :
選用316L不銹鋼合金為基體材料，其制備過程如下第一步加工成合適的人工關(guān)節(jié)形狀，對關(guān)節(jié)球頭部分進行機械研磨，拋光處理；第二步在超高真空磁控濺射設(shè)備中進行多層膜的生長，陰極采用高純度金屬鈦和熱壓燒結(jié)陶瓷TiB2為靶材，首先生長鈦層，工藝參數(shù)如下濺射功率50W，工作氣壓0. IPa，襯底加熱溫度250°C ;然后生長TiB2陶瓷層，并確保TiB2為最外層，工藝參數(shù)如下濺射功率120W，工作氣壓0. 4Pa，襯底加熱溫度450°C，基底負偏壓60V ;多層膜的總厚度30 u m,共包含20個周期，每個周期中鈦層的厚度為I U m, TiB2層的厚度為500nm ;第三步生長完備的人工關(guān)節(jié)經(jīng)清洗、晾干、滅菌后包裝，待用。實施例2:
選用Ni50Ti50形狀記憶合金為基體材料，其制備過程如下第一步加工成合適的人工關(guān)節(jié)形狀，對關(guān)節(jié)球頭部分進行機械研磨，拋光處理；第二步在超高真空磁控濺射設(shè)備中進行多層膜的生長，陰極采用高純度金屬鈦和熱壓燒結(jié)陶瓷TiB2為靶材，首先生長鈦層， 工藝參數(shù)如下濺射功率20W，工作氣壓0. 15Pa，襯底加熱溫度250°C ;然后生長TiB2陶瓷層，并確保TiB2為最外層，工藝參數(shù)如下濺射功率300W，工作氣壓0. 7Pa，襯底加熱溫度 4000C，基底負偏壓60V ;多層膜的總厚度5 u m,共包含10個周期，每個周期中鈦層的厚度為 IOOnm, TiB2層的厚度為400nm ;第三步生長完備的人工關(guān)節(jié)經(jīng)清洗、晾干、滅菌后包裝，待用。施例 3
選用Ti6A14V鈦合金為基體材料，其制備過程如下第一步加工成合適的人工關(guān)節(jié)形狀，對關(guān)節(jié)球頭部分進行機械研磨，拋光處理；第二步在超高真空磁控濺射設(shè)備中進行多層膜的生長，陰極采用高純度金屬鈦和熱壓燒結(jié)陶瓷TiB2為靶材，首先生長鈦層，工藝參數(shù)如下濺射功率10W，工作氣壓0. 2Pa，襯底加熱溫度300°C ;然后生長TiB2陶瓷層，并確保TiB2為最外層，工藝參數(shù)如下濺射功率400W，工作氣壓0. 5Pa，襯底加熱溫度400°C， 基底負偏壓60V ;多層膜的總厚度約I. 65 u m,共包含15個周期，每個周期中鈦層的厚度為 IOnm ;TiB2層的厚度為IOOnm ;第三步生長完備的人工關(guān)節(jié)經(jīng)清洗、晾干、滅菌后包裝，待用。實施例4:
選用Co70Cr25Mo5合金為基體材料，其制備過程如下第一步加工成合適的人工關(guān)節(jié)形狀，對關(guān)節(jié)球頭部分進行機械研磨，拋光處理；第二步在超高真空磁控濺射設(shè)備中進行多層膜的生長，陰極采用高純度金屬鈦和熱壓燒結(jié)陶瓷TiB2為靶材，首先生長鈦層，工藝參數(shù)如下濺射功率20W，工作氣壓0. 3Pa，襯底加熱溫度300°C;然后生長TiB2陶瓷層，并確保 TiB2為最外層，工藝參數(shù)如下濺射功率200W，工作氣壓0. 6Pa，襯底加熱溫度450°C，基底負偏壓60V ;多層膜的總厚度約50nm，共包含2個周期，每個周期中鈦層的厚度為5nm ；TiB2 層的厚度為20nm ;第三步生長完備的人工關(guān)節(jié)經(jīng)清洗、晾干、滅菌后包裝，待用。
權(quán)利要求
1.減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關(guān)節(jié)，包括人工關(guān)節(jié)基體(I)，人工關(guān)節(jié)基體的材料為不銹鋼、鎳鈦形狀記憶合金、醫(yī)用鈦合金或鈷鉻合金，其特征在于該仿生多層膜人工關(guān)節(jié)是在人工關(guān)節(jié)基體(I)的表面上生長仿生多層膜，仿生多層膜由軟金屬膜層(2)與硬陶瓷膜層(3 )相互交替生長，其厚度為50nm至30 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關(guān)節(jié)，其特征在于軟金屬膜層為純Ti，硬陶瓷膜層為TiB2。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關(guān)節(jié)，其特征在于該仿生多層膜的周期數(shù)為2 20層。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關(guān)節(jié)，其特征在于該仿生多層膜采用超高真空磁控濺射方法生長，陰極采用高純度金屬鈦和熱壓燒結(jié)陶瓷TiB2 為靶材，濺射功率10 500W，工作氣壓O. I O. 7Pa，襯底加熱溫度250 450°C，基底負偏壓O 60V。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關(guān)節(jié)，其特征在于該仿生多層膜人工關(guān)節(jié)的具體生產(chǎn)步驟如下(1)用不銹鋼、鎳鈦形狀記憶合金、醫(yī)用鈦合金或鈷鉻合金加工好人工關(guān)節(jié)基體(I)；(2)將人工關(guān)節(jié)基體(I)的表面進行機械研磨和電化學(xué)拋光處理；(3)在超高真空磁控濺射設(shè)備中進行仿生多層膜的生長，仿生多層膜由軟金屬膜層(2) 與硬陶瓷膜層(3)相互交替生長，仿生多層膜的周期數(shù)為2 20層，每個周期中軟金屬膜層(2)的厚度為5nm I μ m,硬陶瓷膜層(3)的厚度為50nm 500nm ；(4)生長完備的人工關(guān)節(jié)經(jīng)清洗、晾干、滅菌后包裝，待用。
全文摘要
本發(fā)明公開一種減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關(guān)節(jié)，包括人工關(guān)節(jié)基體(1)，人工關(guān)節(jié)基體的材料為不銹鋼、鎳鈦形狀記憶合金、醫(yī)用鈦合金或鈷鉻合金，其特征在于該仿生多層膜人工關(guān)節(jié)是在人工關(guān)節(jié)基體(1)的表面上生長仿生多層膜，仿生多層膜由軟金屬膜層(2)與硬陶瓷膜層(3)相互交替生長，其厚度為50nm至30μm。本發(fā)明采用超高真空磁控濺射方法在人工關(guān)節(jié)基體(1)的表面依次沉積軟金屬膜層(2)與硬陶瓷膜層(3)，形成有序的厚度可控的仿生多層膜。該仿生多層膜層摩擦系數(shù)小、生物活性好、耐體液腐蝕能力強，可有效緩沖瞬時沖擊對涂層帶來的損傷，顯著改善人工關(guān)節(jié)的生物相容性和摩擦學(xué)性能，減輕其組織反應(yīng)和無菌松動。
文檔編號C23C14/35GK102580154SQ20121004743
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月28日
發(fā)明者丁紅燕, 周廣宏, 周長培, 夏木建, 章躍, 陳昌佐 申請人:淮陰工學(xué)院