CN101791430B - 一种超高分子量聚乙烯人工关节臼的表面处理方法 - Google Patents

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Abstract

一种超高分子量聚乙烯人工关节臼的表面处理方法，其作法是：A、将超高分子量聚乙烯人工关节臼放入电子回旋共振微波等离子体化学气相沉积装置的真空室中，抽真空至0.5×10-3Pa～2×10-3Pa；B、向真空室通入氧气或氩气，至压力0.5Pa～2.5Pa；C、设置沉积装置微波源功率400～800W，开启微波电源；同时，开启偏压电源，对人工关节臼进行10～30分钟的处理，偏压电源的频率15～40KHz，占空比10％～50％，幅值-100～-500V。该方法消除了人工关节臼表面的弱边界层，提高了表面交联度，表面硬度和耐磨损能力提高；该方法不改变人工关节臼基质的性能，环保，无污染，操作简单。

Description

一种超高分子量聚乙烯人工关节臼的表面处理方法
技术领域
本发明涉及一种超高分子量聚乙烯人工关节臼的表面处理方法。
背景技术
随着老龄化社会的到来，骨关节病的发病日益增多，人工关节置换是目前治疗严重骨关节疾病最有效的方法。据不完全统计，全球每年仅全髋关节置换就达80万例。随着社会、科技与医学的发展，人工关节、人工关节材料的需求量将越来越大。
超高分子量聚乙烯材料制成的人工关节臼配合金属或陶瓷制成的关节头是目前临床普遍使用的人工关节摩擦副。人工关节臼用超高分子量聚乙烯材料要求具有柔软、耐磨的特性：柔软性可使关节臼很好地与金属或陶瓷制成的关节头配合；而耐磨性则能保证人工关节臼的使用寿命。但在长期的临床应用中，却发现超高分子量聚乙烯人工关节臼的耐磨性不尽如人意。在关节的长期活动中，超高分子量聚乙烯人工关节臼会因磨损会产生磨屑，而磨屑的出现会刺激人体内的生物反应，引起组织发炎，发生无菌松动，并最终导致人工关节的远期失效及其它并发症，使患者不得不进行二次手术，增加了患者的经济负担，带来巨大痛苦。
因此，通过对超高分子量聚乙烯人工关节臼进行表面改性处理，在不改变材料基体内部组织的情况下有效地改善它们的耐磨性能，有利于提高人工关节臼的使用寿命。目前针对超高分子量聚乙烯人工关节臼进行表面改性的处理方法有γ辐射交联和高能离子注入改性两种。γ辐照是指对超高分子量聚乙烯人工关节臼用γ射线进行照射，从而改变超高分子量聚乙烯材料的交联度，从而提高了超高分子量聚乙烯的磨损性。但由于进行了γ射线的照射，会加速超高分子量聚乙烯的表面老化，降低了其使用寿命。高能粒子注入法是指在超高分子量聚乙烯人工关节臼表面，通过高能离子注入机将能量高达数百Kev的氮、氧等离子注入超高分子量聚乙烯，注入的高能离子在超高分子量聚乙烯表面诱发交联，从而提高其耐磨性；然而注入的高能离子也会增强超高分子量聚乙烯的剪切强度，增强超高分子量聚乙烯的表面粗糙度，使其摩擦系数增加，不能在超高分子量聚乙烯表面形成良好的生物润滑状态，并且高能粒子注入法设备复杂，对工作人员技术要求高。
发明内容
本发明目的就是提供一种超高分子量聚乙烯人工关节臼的表面处理方法，该方法消除了人工关节臼表面的弱边界层，提高了表面交联度，表面硬度和耐磨损能力提高；但不改变人工关节臼基质的性能，不会加速超高分子量聚乙烯的老化，表面粗糙度不变。并且其使用的设备简单，工艺环保，无污染，操作简单。
本发明实现其发明目的，所采用的技术方案是：一种超高分子量聚乙烯人工关节臼的表面处理方法，其具体步骤是：
A、将超高分子量聚乙烯人工关节臼放入电子回旋共振微波等离子体化学气相沉积装置的真空室中，真空室抽真空至0.5×10-3Pa～2×10-3Pa；
B、向真空室内通入氧气或氩气，至压力为0.5Pa～2.5Pa；
C、设置沉积装置的微波源功率为400～800W，开启微波电源，进行气体放电，形成等离子体；同时，开启沉积装置的偏压电源，对人工关节臼进行10～30分钟的表面处理，处理时偏压电源的频率为15～40kHZ，占空比10％～50％，幅值-100～-500V。
与现有技术相比本发明的有益效果是：
一、经等离子体处理，由于氧或氩低温等离子体的能量略高于聚合物中化学键能，通过电场加速，氧、氩低温等离子体的能量会引起聚合物表面的各种化学键发生断裂和重新组合。弱边界层中的分子链被打断，形成一些气态的小分子，被真空泵抽走，使弱边界层得到消除；而化学键的重新组合则使得聚合物表面交联度提高，从而使其表面硬度和耐磨损能力得到提高。
实验证明，经本发明方法处理后，人工关节臼的表面硬度提高了50％。纳米划痕实验和摩擦磨损实验也表明经本发明方法处理后的人工关节臼的耐磨性能得到明显提高。
二、采用等离子体对超高分子量聚乙烯材料进行表面处理，处理的深度仅涉及表面数十个纳米范围，与现有的γ幅照方法相比，本发明方法的超高分子量聚乙烯材料基体性质不受影响，不影响超高分子量聚乙烯基体材料的化学物理性能，不会加速超高分子量聚乙烯的老化，使用寿命长。
三、与现有的高能离子注入法相比，微波电子回旋共振等离子体密度由充入气体的数量和微波源的功率确定；等离子体能量则由偏压电源的相关参数确定，因此等离子的密度和能量可分别控制，工艺简单，效果明显。而高能离子注入机设备复杂，高能离子的数量和能量不便分别控制，对操作人员要求较高。此外高能离子注入只能以直线方式注入，对具有凹陷形状的关节臼表面处理很难保障处理效果的均匀性；而微波等离子处理时，关节臼完全浸没在等离子体中，处理效果均匀性好。微波放电属于无电极放电，不存在电极污染，工艺环保。由于低温氧、氩等离子体的能量略高于聚合物中化学键能，它不会增强表面粗糙度，从而能保持良好的生物润滑状态，使用寿命长。
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
图1是经实施例1方法处理及未处理的超高分子量聚乙烯人工关节臼纳米划痕实验得到的载荷与压入深度的关系曲线图。
图中横轴为载荷，单位为毫牛顿(mN)；纵轴为压入深度，单位为微米(μm)；曲线A为经本例方法处理后的人工关节臼的载荷与压入深度的关系曲线；曲线B为未经本例方法处理的人工关节臼的载荷与压入深度的关系曲线。
图2A和图2B分别是用实施例一方法处理及未处理的超高分子量聚乙烯人工关节臼的纳米划痕实验后的形貌图。
图3A和图3B分别是用本发明实施例一方法处理及未处理的超高分子量聚乙烯人工关节臼的摩擦实验后的磨痕形貌图。
图4是用本发明实施例二方法处理后的超高分子量聚乙烯人工关节臼的摩擦实验后的磨痕形貌图。
具体实施方式
实施例1
本发明的一种具体实施方式为：一种超高分子量聚乙烯人工关节臼的表面处理方法，其具体步骤是：
A、将超高分子量聚乙烯人工关节臼放入电子回旋共振微波等离子体化学气相沉积装置的真空室中，真空室抽真空至2×10-3Pa；
B、向真空室内通入氧气，至压力为2Pa；
C、设置沉积装置的微波源功率为400W，开启微波电源，进行气体放电，形成等离子体；同时，开启沉积装置的偏压电源，对人工关节臼进行10分钟的表面处理，处理时偏压电源的频率为15kHZ，占空比10％，幅值-300V。
对本例方法处理后的得到的人工关节臼进行测试，其结果如下：
1、显微硬度测试
测试条件：努氏压头，载荷10克，保载15秒。测试结果表明，经本例方法处理后的超高分子量聚乙烯人工关节臼表面硬度为6kg/mm2；而未经处理的超高分子量聚乙烯人工关节臼的表面硬度为4kg/mm2。处理后人工关节臼的表面硬度提高了50％。
2、纳米划痕实验
图1为纳米划痕实验(CSEM Nano Scratch Tester，载荷0.1～10mN)测出的人工关节臼载荷与压入深度的关系曲线图。图1中的曲线B为未经处理超高分子量聚乙烯人工关节臼的载荷与压入深度的关系曲线；曲线A表示经本例方法处理后的超高分子量聚乙烯人工关节臼的载荷与压入深度的关系曲线。由图1可见，经本例的氧等离子体处理方法处理后材料的压入深度更浅，其表面硬度提高。
图2A和图2B为进行纳米划痕试验后未经处理的和经本例方法处理的人工关节臼的表面形貌。图2A表明，试验后，未经处理的人工关节臼划痕后表面较粗糙，划痕边缘出现开裂；图2B表明，经本例方法处理后的人工关节臼，划痕试验后表面仍然平整光滑。表明经本例方法处理后，由于超高分子量聚乙烯人工关节臼表面弱边界层被清除，在划痕边缘及内部不会出现开裂，超高分子量聚乙烯人工关节臼的耐划痕能力得到显著提高。
3、摩擦磨损实验
摩擦磨损实验条件：载荷5N，销盘式摩擦磨损试验，对磨付为Ф6mm的钴铬钼合金，25％小牛血清溶液，15万转。图3A为未经处理的人工关节臼经摩擦实验后的表面形貌，图3B为经本例方法处理后的人工关节臼经摩擦实验后的表面形貌。由图中可见，摩擦磨损实验后，未经等离子体处理的人工关节臼出现了很多的剥落和开裂；而经本例方法处理后的人工关节臼，除了少量的塑性形变和犁沟外，未见开裂和剥落，表明经本例方法处理后，超高分子量聚乙烯人工关节臼表面的耐磨性得到提高。
实施例2
本例方法与实施例1基本相同，所不同的仅仅是B步中，向真空室充入氩气。
图4为对本例方法处理后的超高分子量聚乙烯人工关节臼进行摩擦磨损实验后的磨损形貌图。实验条件为与实施例1中的摩擦实验相同。由图4可见，经本例的氩等离子体方法处理后的人工关节臼，除了少量的塑性形变和犁沟外，未见开裂和剥落，表明超高分子量聚乙烯人工关节臼表面的耐磨性得到提高。实施例3～12
实施例3～12的操作与实施例1基本相同，只是操作时的具体参数有所变化，其具体参数如下表：(为了方便比较，也将实施例1和实施例2的参数列入表中。)
Figure GSA00000025923200051

Claims (1)

1.一种超高分子量聚乙烯人工关节臼的表面处理方法，其具体步骤是：
A、将超高分子量聚乙烯人工关节臼放入电子回旋共振微波等离子体化学气相沉积装置的真空室中，真空室抽真空至0.5×10-3Pa～2×10-3Pa；
B、向真空室内通入氧气或氩气，至压力为0.5Pa～2.5Pa；
C、设置沉积装置的微波源功率为400～800W，开启微波电源，进行气体放电，形成等离子体；同时，开启沉积装置的偏压电源，对人工关节臼进行10～30分钟的表面处理，处理时偏压电源的频率为15～40kHZ，占空比10％～50％，幅值-100～-500V。
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