一種耐磨陶瓷涂層鈦合金人工關(guān)節(jié)頭及其制備方法
【專利說(shuō)明】 一種耐磨陶瓷涂層鈦合金人工關(guān)節(jié)頭及其制備方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種植入體器件及其制備方法，具體涉及一種帶有改善潤(rùn)滑性能的耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工關(guān)節(jié)頭及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0003]磨損是人工關(guān)節(jié)無(wú)菌松動(dòng)和晚期失效的主要因素，目前人工關(guān)節(jié)頭主要由鈷合金和氧化鋁陶瓷制備，陶瓷球頭具有耐磨性高、與關(guān)節(jié)滑液的潤(rùn)濕性好的優(yōu)點(diǎn)，但陶瓷球頭的本質(zhì)脆性和高成本，影響其廣泛應(yīng)用。鈷合金關(guān)節(jié)頭雖然具有較高的耐磨性，但由于體內(nèi)潤(rùn)滑不良，金屬與體液的潤(rùn)濕性差，在滑動(dòng)速度較低情況下難以形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，在體內(nèi)常處于混合潤(rùn)滑狀態(tài)，摩擦系數(shù)較高。因此，其使用過(guò)程中仍然會(huì)產(chǎn)生大量金屬磨屑，金屬磨屑會(huì)滲入血液，并溶解出大量Cr-等有害金屬離子，造成軟組織感染甚至?xí)够颊呷碇卸?，?yán)重影響其可靠性和使用壽命。
[0004]鈦合金具有良好的生物相容性、耐腐性、高強(qiáng)度、低比重等特點(diǎn)，在醫(yī)療器械和航空、航天器領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用。但是，由于鈦合金表面硬度低、耐磨性差，從而限制了鈦合金在摩擦承載部件上的應(yīng)用。授權(quán)公開(kāi)號(hào)CN1715439A的發(fā)明專利《鈦合金人工關(guān)節(jié)頭表面氧化鈦至氮化鈦梯度耐磨層的制法》采用全方位離子注入機(jī)對(duì)鈦合金關(guān)節(jié)頭先以600~700°C的靶溫，高劑量注入氮離子，在鈦合金關(guān)節(jié)頭表面產(chǎn)生深層氮化物彌散強(qiáng)化基底；再高劑量注入氧離子，在鈦合金關(guān)節(jié)頭表面形成T1-O-T1-N梯度膜。授權(quán)公開(kāi)號(hào)CN101804708A的發(fā)明專利《T1-TiN-CNx梯度多層薄膜及其制備方法》采用非平衡磁控濺射法制備由TiN和非晶CNx相互交替構(gòu)成的TiN/CNx梯度多層過(guò)渡層和類石墨結(jié)構(gòu)的非晶CNx膜層，有較低的摩擦系數(shù)和磨損率。但這兩種制備耐磨涂層的方法工藝復(fù)雜、成本高。授權(quán)公開(kāi)號(hào)CN100510156C的發(fā)明專利《醫(yī)用鈦合金髖關(guān)節(jié)球頭表面滲碳工藝》把醫(yī)用鈦合金髖關(guān)節(jié)球頭放入真空滲碳爐中，采用乙炔做滲碳?xì)怏w，在1300°C高溫下滲碳，由于滲碳溫度過(guò)高，不可避免的造成關(guān)節(jié)球頭變形，影響其實(shí)際使用。授權(quán)公開(kāi)號(hào)CN 101347358 B的發(fā)明專利《帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關(guān)節(jié)及其制造方法》在鈦合金股骨頭的球面上和鈦合金髖杯的表面進(jìn)行火花增強(qiáng)電化學(xué)氧化產(chǎn)生耐磨陶瓷涂層，得到薄膜厚度厚、薄膜與基體結(jié)合強(qiáng)度高、力學(xué)承載能力好的耐磨涂層，但該方法得到的涂層多孔，其致密性還有待提高。申請(qǐng)?zhí)?01210049884.0的發(fā)明專利《一種鎂合金表面微弧氧化/水熱處理復(fù)合膜層的制備方法》采用后續(xù)的水熱處理，在氧化陶瓷層表面引入鈣磷元素的同時(shí)，還可以對(duì)陶瓷表面的孔洞進(jìn)行封堵，有效降低腐蝕介質(zhì)的侵入。但是，獲得該復(fù)合膜層需要多步處理，工藝繁瑣，并且后續(xù)沉積的膜層在使用過(guò)程中易剝落，失去封堵效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對(duì)關(guān)節(jié)置換后，關(guān)節(jié)囊被切除，關(guān)節(jié)滑液不足會(huì)導(dǎo)致置換關(guān)節(jié)潤(rùn)滑狀態(tài)不佳而加劇磨損和鈦合金耐磨性差，不能做關(guān)節(jié)頭等問(wèn)題。本發(fā)明的目的是提供一種耐磨陶瓷涂層鈦合金人工關(guān)節(jié)頭及其制備方法，該人工關(guān)節(jié)頭模仿天然關(guān)節(jié)軟骨多孔含水結(jié)構(gòu)和潤(rùn)滑功能，通過(guò)表面微孔陣列織構(gòu)改善潤(rùn)滑，微孔還可以捕獲磨屑，減少磨粒磨損，同時(shí)提高關(guān)節(jié)頭和白的耐磨性。采用二步等離子電解氧化工藝使表面涂層更加致密。本發(fā)明的表面帶有織構(gòu)和陶瓷復(fù)合涂層的鈦合金人工關(guān)節(jié)頭不僅具陶瓷關(guān)節(jié)頭的耐磨能力，還具有改善潤(rùn)滑、減少摩擦偶件一關(guān)節(jié)臼磨損的功能，而且其成本顯著低于陶瓷關(guān)節(jié)頭。
[0006]本發(fā)明的目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
一種耐磨陶瓷涂層鈦合金人工關(guān)節(jié)頭，其特征在于:該人工關(guān)節(jié)頭包括表面形成微孔陣列織構(gòu)的鈦合金關(guān)節(jié)頭本體，在鈦合金關(guān)節(jié)頭本體表面設(shè)有減摩耐磨陶瓷涂層，所述減摩耐磨陶瓷涂層的表層為經(jīng)過(guò)硬質(zhì)納米顆粒填孔和封孔的致密陶瓷層。
[0007]本發(fā)明中，所述減摩耐磨陶瓷涂層采用兩步等離子電解氧化工藝制備，減摩耐磨陶瓷涂層總厚度為25-55 μ m，表面致密陶瓷層的厚度為10-15 μ m。
[0008]所述微孔陣列織構(gòu)為圓形微孔且均勻分布在鈦合金關(guān)節(jié)頭本體球面，微孔直徑D=50?1000 μ m,微孔深度h=10?55 μ m,微孔面積占有率S=5%?35%。
[0009]一種耐磨陶瓷涂層鈦合金人工關(guān)節(jié)頭的制備方法，其特征在于該方法具體步驟如下:
1)將鈦合金關(guān)節(jié)頭本體外圓表面拋光至鏡面；
2)對(duì)拋光的鈦合金關(guān)節(jié)頭本體進(jìn)行表面織構(gòu)化處理，形成規(guī)則微孔陣列織構(gòu)；所述的微孔陣列織構(gòu)由激光刻蝕、光刻微細(xì)電解加工和機(jī)械壓痕法制備，所述微孔陣列織構(gòu)由圓形微孔在鈦合金關(guān)節(jié)頭本體球面均勻分布構(gòu)成，微孔直徑D=50?1000 μ m，微孔深度h=10?55 μ m，微孔面積占有率S=5%?35%。
[0010]3)采用HF-HNO3溶液清洗帶有微孔陣列織構(gòu)的鈦合金關(guān)節(jié)頭本體表面；
4)以帶有微孔陣列織構(gòu)的鈦合金關(guān)節(jié)頭本體為陽(yáng)極，浸入到硅酸鹽/磷酸鹽溶液中，采用高壓脈沖直流電源進(jìn)行第一步等離子電解氧化處理；其中硅酸鈉(Na2S13)濃度6-10g/L，十二水磷酸鈉(Na3PO4.12Η20)濃度6-10g/L。所述的第一步等離子電解氧化處理，電源電壓為500-600V，脈沖頻率400-800HZ，占空比10%_20%，處理時(shí)間30_60min，獲得氧化陶瓷層厚度為10-35 μ m。
[0011]5)將完成第一步等離子電解氧化處理的鈦合金關(guān)節(jié)頭本體，浸入到含納米硬質(zhì)顆粒的硅酸鹽/磷酸鹽懸濁液中，進(jìn)行第二步等離子電解氧化處理；所述的含納米硬質(zhì)顆粒的硅酸鹽/磷酸鹽懸濁液，其中含有0.1-0.5g/L的OP乳化分散劑，其納米硬質(zhì)顆粒為二氧化硅、氧化鋁、或氮化硅納米陶瓷顆粒，粒徑為1~100 nm，含量為10-20g/L。所述的第二步等離子電解氧化處理，電源電壓550-650V，脈沖頻率400-800HZ，占空比10%_20%，處理時(shí)間30-60min,獲得氧化陶瓷層總厚度為15-55 μ m，其中含納米顆粒填孔增密氧化陶瓷層厚度為 5-15 μ m0
[0012]6)對(duì)完成第二步等離子電解氧化處理的鈦合金關(guān)節(jié)頭本體進(jìn)行表面研磨，去除外表面的粗糙層，然后拋光處理，得到耐磨陶瓷涂層鈦合金人工關(guān)節(jié)頭。
[0013]本發(fā)明中，微孔陣列織構(gòu)為在鈦合金關(guān)節(jié)頭與臼杯接觸的表面上加工形成的規(guī)則微孔陣列；氧化陶瓷涂層為采用二步等離子電解氧化工藝制備的硬質(zhì)氧化層，且復(fù)合在織構(gòu)化表面上；二步法等離子電解氧化工藝為先以硅酸鹽/磷酸鹽混合溶液作為電解液進(jìn)行第一步等離子電解氧化處理，再以含納米顆粒的硅酸鹽/磷酸鹽懸濁液作為電解液進(jìn)行第二步氧化處理。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì):
本發(fā)明將表面織構(gòu)化技術(shù)和兩步等離子電解氧化技術(shù)相結(jié)合，在鈦合金關(guān)節(jié)頭外圓表面制備織構(gòu)化/陶瓷化復(fù)合涂層。表面織構(gòu)可以作為關(guān)節(jié)滑液的儲(chǔ)池，在滑動(dòng)摩擦過(guò)程中向摩擦表面提供潤(rùn)滑劑，增加潤(rùn)滑膜的厚度，實(shí)現(xiàn)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑。等離子電解氧化陶瓷層可以作為耐磨層，減少因鈦合金關(guān)節(jié)頭表面的磨損而造成的發(fā)炎和關(guān)節(jié)頭松動(dòng)等問(wèn)題。采用二步等離子電解氧化處理工藝，不僅進(jìn)一步增加了陶瓷涂層厚度，而且電解液中的納米顆粒對(duì)疏松多孔的氧化陶瓷外層進(jìn)行了填孔增密。與傳統(tǒng)后續(xù)的水熱處理等二次封孔處理技術(shù)相比，本發(fā)明采用兩步離子電解氧化技術(shù)將電解氧化和納米顆粒填孔、封孔同時(shí)進(jìn)行，進(jìn)一步提高了氧化陶瓷涂層的厚度，由于硬質(zhì)納米陶瓷顆粒填孔、封孔是在離子電解氧化中進(jìn)行，納米顆粒與多孔氧化陶瓷的結(jié)合性能更好，表面填孔、封孔層致密性更高，可以進(jìn)一步提高陶瓷層的硬度和耐磨性。
[0015]本發(fā)明采用二步等離子電解氧化工藝使帶有微孔陣列織構(gòu)的關(guān)節(jié)頭表面陶瓷化，不僅獲得厚度達(dá)55 μ m的陶瓷層，而且其表層有硬質(zhì)納米陶瓷顆粒填孔封孔、厚度達(dá)15μ m的致密陶瓷層。本發(fā)明不僅具有陶瓷關(guān)節(jié)頭的耐磨能力，置換后還具有增加潤(rùn)滑膜厚度和剛度，改善潤(rùn)滑狀態(tài)的功能，同時(shí)表面微孔還可以捕獲磨屑，減少磨粒磨損。因此，本發(fā)明帶有改善潤(rùn)滑性能的耐磨陶瓷涂層人工關(guān)節(jié)頭不僅增強(qiáng)了自身的耐磨性，而且可顯著減少摩擦偶件——關(guān)節(jié)臼的磨損，而且其成本顯著低于全陶瓷關(guān)節(jié)頭。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是圖1中A部局部放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0018]結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明，但是本發(fā)明的保護(hù)范圍不局限于所述實(shí)施例。
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