減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關節的製作方法

2023-09-22 04:28:55

專利名稱：減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關節的製作方法
技術領域：
本發明涉及植入醫療器械領域，具體是指減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關節。
背景技術：
臨床使用的人工關節多是由生物惰性的金屬材料製成，如不鏽鋼、鈦合金等。日常活動中，人工關節在頻繁的摩擦作用下極易發生磨損。臨床實驗發現，磨屑在體內積聚能誘發基體細胞產生一系列不良生物反應，導致假體周圍骨質溶解和無菌鬆動，嚴重影響了人工關節的質量和使用壽命。因此，研究耐磨損、生物相容性好和性價比高的新型人工關節材料對提高人們的生活質量具有重要意義。金屬材料人工關節具有良好的力學性能，但是與人體骨組織不能形成生物結合，植入幾年後，往往會鬆動下沉，導致關節植入體在初始固位及遠期療效上難以滿足臨床應用要求。近年來，人們致力於通過溶膠凝膠法、等離子噴塗法等技術在金屬材料表面生長羥基磷灰石塗層的研究，並取得了一定的進展。但這類塗層的脆性極大，存在著塗層與金屬基體結合強度低、生物穩定性差等缺陷，在應力作用和體液侵蝕作用下，塗層還會發生融解脫落等問題。TiB2是一種具有良好的生物相容性，無毒副作用的生物材料，但它屬於高硬脆性材料，一方面，難以用常規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。研究發現，由佔總量I 5%的有機質層充填硬度較高的文石晶體層構成的貝殼珍珠層，具有較優異的力學性能，增加的大量界面阻礙了裂紋的擴展，從而提高了塗層的韌性。

發明內容
本發明的目的是針對目前臨床使用的不鏽鋼、鎳鈦形狀記憶合金、醫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/無機層狀複合結構，提出一種減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關節，以提高人工關節的使用壽命。本發明的技術解決方案是該仿生多層膜人工關節包括人工關節基體，人工關節基體的材料為不鏽鋼、鎳鈦形狀記憶合金、醫用鈦合金或鈷鉻合金，其特徵在於該仿生多層膜人工關節是在人工關節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為2 20層。其中，該仿生多層膜採用超高真空磁控濺射方法生長，陰極採用高純度金屬鈦和熱壓燒結陶瓷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節的具體生產步驟如下
(1)用不鏽鋼、鎳鈦形狀記憶合金、醫用鈦合金或鈷鉻合金加工好人工關節基體；
(2)將人工關節基體的表面進行機械研磨和電化學拋光處理；
(3)在超高真空磁控濺射設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)生長完備的人工關節經清洗、晾乾、滅菌後包裝，待用。本發明與現有技術相比，其顯著優點(I)模擬天然貝殼材料表層的有機/無機層狀複合結構和潤滑減摩功能，在人工關節基體表面生長生物相容性好的TiB2陶瓷塗層，顯著改善了人工關節的生物相容性和耐人體體液腐蝕性能，可減輕其組織反應和無菌鬆動；
(2)多層膜中的鈦層作為與基體的結合層，可實現TiB2陶瓷塗層的外延生長，膜層與基體結合牢固，另外，層狀複合結構的韌性可有效緩衝瞬時衝擊對塗層帶來損傷；(3)在人工關節基體的表面構建仿生多層膜，人工關節表面光滑，改善了金屬表面的潤溼性、生物相容性， 減少摩擦和磨損，提高人工關節使用壽命的作用。


圖I為本發明金屬/陶瓷仿生多層膜結構示意圖。圖中1人工關節基體，2軟金屬膜層，3硬陶瓷膜層。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細描述，這些實施例不能理解為是對技術方案的限制。實施例I :
選用316L不鏽鋼合金為基體材料，其製備過程如下第一步加工成合適的人工關節形狀，對關節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備中進行多層膜的生長，陰極採用高純度金屬鈦和熱壓燒結陶瓷TiB2為靶材，首先生長鈦層，工藝參數如下濺射功率50W，工作氣壓0. IPa，襯底加熱溫度250°C ;然後生長TiB2陶瓷層，並確保TiB2為最外層，工藝參數如下濺射功率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節經清洗、晾乾、滅菌後包裝，待用。實施例2:
選用Ni50Ti50形狀記憶合金為基體材料，其製備過程如下第一步加工成合適的人工關節形狀，對關節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備中進行多層膜的生長，陰極採用高純度金屬鈦和熱壓燒結陶瓷TiB2為靶材，首先生長鈦層， 工藝參數如下濺射功率20W，工作氣壓0. 15Pa，襯底加熱溫度250°C ;然後生長TiB2陶瓷層，並確保TiB2為最外層，工藝參數如下濺射功率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節經清洗、晾乾、滅菌後包裝，待用。施例 3
選用Ti6A14V鈦合金為基體材料，其製備過程如下第一步加工成合適的人工關節形狀，對關節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備中進行多層膜的生長，陰極採用高純度金屬鈦和熱壓燒結陶瓷TiB2為靶材，首先生長鈦層，工藝參數如下濺射功率10W，工作氣壓0. 2Pa，襯底加熱溫度300°C ;然後生長TiB2陶瓷層，並確保TiB2為最外層，工藝參數如下濺射功率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節經清洗、晾乾、滅菌後包裝，待用。實施例4:
選用Co70Cr25Mo5合金為基體材料，其製備過程如下第一步加工成合適的人工關節形狀，對關節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備中進行多層膜的生長，陰極採用高純度金屬鈦和熱壓燒結陶瓷TiB2為靶材，首先生長鈦層，工藝參數如下濺射功率20W，工作氣壓0. 3Pa，襯底加熱溫度300°C;然後生長TiB2陶瓷層，並確保 TiB2為最外層，工藝參數如下濺射功率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節經清洗、晾乾、滅菌後包裝，待用。
權利要求
1.減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關節，包括人工關節基體(I)，人工關節基體的材料為不鏽鋼、鎳鈦形狀記憶合金、醫用鈦合金或鈷鉻合金，其特徵在於該仿生多層膜人工關節是在人工關節基體(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.根據權利要求I所述的減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關節，其特徵在於軟金屬膜層為純Ti，硬陶瓷膜層為TiB2。
3.根據權利要求I所述的減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關節，其特徵在於該仿生多層膜的周期數為2 20層。
4.根據權利要求I所述的減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關節，其特徵在於該仿生多層膜採用超高真空磁控濺射方法生長，陰極採用高純度金屬鈦和熱壓燒結陶瓷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.根據權利要求I所述的減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關節，其特徵在於該仿生多層膜人工關節的具體生產步驟如下(1)用不鏽鋼、鎳鈦形狀記憶合金、醫用鈦合金或鈷鉻合金加工好人工關節基體(I)；(2)將人工關節基體(I)的表面進行機械研磨和電化學拋光處理；(3)在超高真空磁控濺射設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)生長完備的人工關節經清洗、晾乾、滅菌後包裝，待用。
全文摘要
本發明公開一種減摩增韌金屬/陶瓷仿生多層膜人工關節，包括人工關節基體(1)，人工關節基體的材料為不鏽鋼、鎳鈦形狀記憶合金、醫用鈦合金或鈷鉻合金，其特徵在於該仿生多層膜人工關節是在人工關節基體(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。本發明採用超高真空磁控濺射方法在人工關節基體(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係數小、生物活性好、耐體液腐蝕能力強，可有效緩衝瞬時衝擊對塗層帶來的損傷，顯著改善人工關節的生物相容性和摩擦學性能，減輕其組織反應和無菌鬆動。
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 優先權日2012年2月28日
發明者丁紅燕, 周廣宏, 周長培, 夏木建, 章躍, 陳昌佐 申請人:淮陰工學院