CN102580154A - 减摩增韧金属/陶瓷仿生多层膜人工关节 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种减摩增韧金属/陶瓷仿生多层膜人工关节，包括人工关节基体（1），人工关节基体的材料为不锈钢、镍钛形状记忆合金、医用钛合金或钴铬合金，其特征在于：该仿生多层膜人工关节是在人工关节基体（1）的表面上生长仿生多层膜，仿生多层膜由软金属膜层（2）与硬陶瓷膜层（3）相互交替生长，其厚度为50nm至30μm。本发明采用超高真空磁控溅射方法在人工关节基体（1）的表面依次沉积软金属膜层（2）与硬陶瓷膜层（3），形成有序的厚度可控的仿生多层膜。该仿生多层膜层摩擦系数小、生物活性好、耐体液腐蚀能力强，可有效缓冲瞬时冲击对涂层带来的损伤，显著改善人工关节的生物相容性和摩擦学性能，减轻其组织反应和无菌松动。

Description

减摩增韧金属/陶瓷仿生多层膜人工关节

技术领域

本发明涉及植入医疗器械领域，具体是指减摩增韧金属/陶瓷仿生多层膜人工关节。

背景技术

临床使用的人工关节多是由生物惰性的金属材料制成，如不锈钢、钛合金等。日常活动中，人工关节在频繁的摩擦作用下极易发生磨损。临床实验发现，磨屑在体内积聚能诱发基体细胞产生一系列不良生物反应，导致假体周围骨质溶解和无菌松动，严重影响了人工关节的质量和使用寿命。因此，研究耐磨损、生物相容性好和性价比高的新型人工关节材料对提高人们的生活质量具有重要意义。金属材料人工关节具有良好的力学性能，但是与人体骨组织不能形成生物结合，植入几年后，往往会松动下沉，导致关节植入体在初始固位及远期疗效上难以满足临床应用要求。

近年来，人们致力于通过溶胶凝胶法、等离子喷涂法等技术在金属材料表面生长羟基磷灰石涂层的研究，并取得了一定的进展。但这类涂层的脆性极大，存在着涂层与金属基体结合强度低、生物稳定性差等缺陷，在应力作用和体液侵蚀作用下，涂层还会发生融解脱落等问题。

TiB₂是一种具有良好的生物相容性，无毒副作用的生物材料，但它属于高硬脆性材料，一方面，难以用常规方法在金属基体表面沉积；另一方面，它的脆性难以克服，从而限制了其临床使用。

研究发现，由占总量1～5%的有机质层充填硬度较高的文石晶体层构成的贝壳珍珠层，具有较优异的力学性能，增加的大量界面阻碍了裂纹的扩展，从而提高了涂层的韧性。

发明内容

本发明的目的是：针对目前临床使用的不锈钢、镍钛形状记忆合金、医用钛合金及钴铬合金存在的不足，模拟天然贝壳材料表层的有机/无机层状复合结构，提出一种减摩增韧金属/陶瓷仿生多层膜人工关节，以提高人工关节的使用寿命。

本发明的技术解决方案是：该仿生多层膜人工关节包括人工关节基体，人工关节基体的材料为不锈钢、镍钛形状记忆合金、医用钛合金或钴铬合金，其特征在于：该仿生多层膜人工关节是在人工关节基体的表面上生长仿生多层膜，仿生多层膜由软金属膜层与硬陶瓷膜层相互交替生长，其厚度为50nm至30μm。

其中，软金属膜层为纯Ti，硬陶瓷膜层为TiB₂。

其中，该仿生多层膜的周期数为2～20层。

其中，该仿生多层膜采用超高真空磁控溅射方法生长，阴极采用高纯度金属钛和热压烧结陶瓷TiB₂为靶材，溅射功率10～500W，工作气压0.1～0.7Pa，衬底加热温度250～450℃，基底负偏压0～60V。

其中，该仿生多层膜人工关节的具体生产步骤如下：

（1）用不锈钢、镍钛形状记忆合金、医用钛合金或钴铬合金加工好人工关节基体；

（2）将人工关节基体的表面进行机械研磨和电化学抛光处理；

（3）在超高真空磁控溅射设备中进行仿生多层膜的生长，仿生多层膜由软金属膜层与硬陶瓷膜层相互交替生长，仿生多层膜的周期数为2～20层，每个周期中软金属膜层的厚度为5nm～1μm，硬陶瓷膜层的厚度为50nm～500nm；

（4）生长完备的人工关节经清洗、晾干、灭菌后包装，待用。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）模拟天然贝壳材料表层的有机/无机层状复合结构和润滑减摩功能，在人工关节基体表面生长生物相容性好的TiB₂陶瓷涂层，显著改善了人工关节的生物相容性和耐人体体液腐蚀性能，可减轻其组织反应和无菌松动；（2）多层膜中的钛层作为与基体的结合层，可实现TiB₂陶瓷涂层的外延生长，膜层与基体结合牢固，另外，层状复合结构的韧性可有效缓冲瞬时冲击对涂层带来损伤；（3）在人工关节基体的表面构建仿生多层膜，人工关节表面光滑，改善了金属表面的润湿性、生物相容性，减少摩擦和磨损，提高人工关节使用寿命的作用。附图说明

图1为本发明金属/陶瓷仿生多层膜结构示意图。

图中：1人工关节基体，2软金属膜层，3硬陶瓷膜层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述，这些实施例不能理解为是对技术方案的限制。

实施例1：

选用316L不锈钢合金为基体材料，其制备过程如下：第一步：加工成合适的人工关节形状，对关节球头部分进行机械研磨，抛光处理；第二步：在超高真空磁控溅射设备中进行多层膜的生长，阴极采用高纯度金属钛和热压烧结陶瓷TiB₂为靶材，首先生长钛层，工艺参数如下：溅射功率50W，工作气压0.1Pa，衬底加热温度250℃；然后生长TiB₂陶瓷层，并确保TiB₂为最外层，工艺参数如下：溅射功率120W，工作气压0.4Pa，衬底加热温度450℃，基底负偏压60V；多层膜的总厚度30μm，共包含20个周期，每个周期中钛层的厚度为1μm，TiB₂层的厚度为500nm；第三步：生长完备的人工关节经清洗、晾干、灭菌后包装，待用。

实施例2：

选用Ni50Ti50形状记忆合金为基体材料，其制备过程如下：第一步：加工成合适的人工关节形状，对关节球头部分进行机械研磨，抛光处理；第二步：在超高真空磁控溅射设备中进行多层膜的生长，阴极采用高纯度金属钛和热压烧结陶瓷TiB₂为靶材，首先生长钛层，工艺参数如下：溅射功率20W，工作气压0.15Pa，衬底加热温度250℃；然后生长TiB₂陶瓷层，并确保TiB₂为最外层，工艺参数如下：溅射功率300W，工作气压0.7Pa，衬底加热温度400℃，基底负偏压60V；多层膜的总厚度5μm，共包含10个周期，每个周期中钛层的厚度为100nm，TiB₂层的厚度为400nm；第三步：生长完备的人工关节经清洗、晾干、灭菌后包装，待用。

 

实施例3：

选用Ti6Al4V钛合金为基体材料，其制备过程如下：第一步：加工成合适的人工关节形状，对关节球头部分进行机械研磨，抛光处理；第二步：在超高真空磁控溅射设备中进行多层膜的生长，阴极采用高纯度金属钛和热压烧结陶瓷TiB₂为靶材，首先生长钛层，工艺参数如下：溅射功率10W，工作气压0.2Pa，衬底加热温度300℃；然后生长TiB₂陶瓷层，并确保TiB₂为最外层，工艺参数如下：溅射功率400W，工作气压0.5Pa，衬底加热温度400℃，基底负偏压60V；多层膜的总厚度约1.65μm，共包含15个周期，每个周期中钛层的厚度为10nm；TiB₂层的厚度为100nm；第三步：生长完备的人工关节经清洗、晾干、灭菌后包装，待用。

实施例4：

选用Co70Cr25Mo5合金为基体材料，其制备过程如下：第一步：加工成合适的人工关节形状，对关节球头部分进行机械研磨，抛光处理；第二步：在超高真空磁控溅射设备中进行多层膜的生长，阴极采用高纯度金属钛和热压烧结陶瓷TiB₂为靶材，首先生长钛层，工艺参数如下：溅射功率20W，工作气压0.3Pa，衬底加热温度300℃；然后生长TiB₂陶瓷层，并确保TiB₂为最外层，工艺参数如下：溅射功率200W，工作气压0.6Pa，衬底加热温度450℃，基底负偏压60V；多层膜的总厚度约50nm，共包含2个周期，每个周期中钛层的厚度为5nm；TiB₂层的厚度为20nm；第三步：生长完备的人工关节经清洗、晾干、灭菌后包装，待用。

Claims (5)

1.减摩增韧金属/陶瓷仿生多层膜人工关节，包括人工关节基体（1），人工关节基体的材料为不锈钢、镍钛形状记忆合金、医用钛合金或钴铬合金，其特征在于：该仿生多层膜人工关节是在人工关节基体（1）的表面上生长仿生多层膜，仿生多层膜由软金属膜层（2）与硬陶瓷膜层（3）相互交替生长，其厚度为50nm至30μm。

2.根据权利要求1所述的减摩增韧金属/陶瓷仿生多层膜人工关节，其特征在于：软金属膜层为纯Ti，硬陶瓷膜层为TiB₂。

3.根据权利要求1所述的减摩增韧金属/陶瓷仿生多层膜人工关节，其特征在于：该仿生多层膜的周期数为2～20层。

4.根据权利要求1所述的减摩增韧金属/陶瓷仿生多层膜人工关节，其特征在于：该仿生多层膜采用超高真空磁控溅射方法生长，阴极采用高纯度金属钛和热压烧结陶瓷TiB₂为靶材，溅射功率10～500W，工作气压0.1～0.7Pa，衬底加热温度250～450℃，基底负偏压0～60V。

5.根据权利要求1所述的减摩增韧金属/陶瓷仿生多层膜人工关节，其特征在于该仿生多层膜人工关节的具体生产步骤如下：

（1）用不锈钢、镍钛形状记忆合金、医用钛合金或钴铬合金加工好人工关节基体（1）；

（2）将人工关节基体（1）的表面进行机械研磨和电化学抛光处理；

（3）在超高真空磁控溅射设备中进行仿生多层膜的生长，仿生多层膜由软金属膜层（2）与硬陶瓷膜层（3）相互交替生长，仿生多层膜的周期数为2～20层，

每个周期中软金属膜层（2）的厚度为5nm～1μm，硬陶瓷膜层（3）的厚度为50nm～500nm；

（4）生长完备的人工关节经清洗、晾干、灭菌后包装，待用。