CN107802379A

CN107802379A - 人工关节用的金刚石复合片、人工关节和人工关节组件

Info

Publication number: CN107802379A
Application number: CN201711105140.5A
Authority: CN
Inventors: 张岩; 李春元; 杨凯森; 刘囡南; 郑梅; 许三平; 李敏; 刘加
Original assignee: China Gangyan Energy Technology Co Ltd
Current assignee: China Gangyan Energy Technology Co Ltd
Priority date: 2017-11-10
Filing date: 2017-11-10
Publication date: 2018-03-16

Abstract

本发明涉及人工关节领域，公开了一种人工关节用的金刚石复合片、人工关节和人工关节组件。该复合片包括金刚石骨板，其中，所述金刚石骨板包含多个金刚石晶体以及位于所述金刚石晶体之间的间隙内的溶剂触媒金属；所述溶剂触媒金属包含Sn、Co、Cr和Ti。本发明人工关节部件采用金刚石复合片制成，以所述金刚石骨板形成关节中的至少一个接合面，能得到低摩擦和耐长时间磨损的人工关节，因此具有置换关节的最长寿命；所述人工关节具有生物相容性，与先前的人工关节相比，对人体系统的伤害小。所述人工关节由较少的部件按非常简单的设计制成，因此容易制造，可靠性高。

Description

人工关节用的金刚石复合片、人工关节和人工关节组件

技术领域

本发明涉及人工关节领域，具体涉及一种人工关节用的金刚石复合片、人工关节和人工关节组件。

背景技术

人工关节是指采用金属、陶瓷、超高分子量聚乙烯等材料，根据人体关节的形态、构造及功能制成的人工关节假体，一般来说，其使用年限可达10年以上。

人工关节包括用量最大的髋关节和膝关节，而肩、肘、腕、踝关节和掌、指关节正在发展中。人工关节具有以下特征：1)灵活性：使病人关节恢复正常的活动范围，完成正常原生关节所有可能的动作；2)持久性：关节的机械部分在执行各种活动功能时，不应损坏或断裂，在受体生命持续期限内，与受体骨骼的固定保持严格的完整性；3)相容性：人工关节材料和磨损后的产物应与生物相容，不应在受体内出现有毒的、发炎的或其它有害反应。

目前，人工关节材料主要包括以下几种：(1)金属材料，例如不锈钢(316)、钴铬钼合金(Co64-Cr30-Mo6)、钴镍合金(MP35N)、钛及钛合金(Ti6-Al4-V)等；(2)超高分子量聚乙烯；(3)陶瓷材料：氧化铝(Al₂O₃)和氧化锆(ZrO₂)；(4)超硬材料：指复合在硬质合金基体上的聚晶金刚石(PCD)。

与陶瓷材料相比，金属材料不耐磨，使用寿命较短，金属对金属界面线性磨损碎屑尺寸为0.1～5μm，颗粒较大。超高分子量聚乙烯是目前制作人工髋臼和膝关节内衬的主要材料。研究发现，超高分子量聚乙烯磨屑也会导致骨质溶解。陶瓷材料容易发生磨损和溶骨现象，由于脆性大，在临床上容易引起破裂。

金刚石是自然界中最硬的物质，金刚石对金刚石界面的体内线性磨损量几乎显现不出，关节寿命长；超硬材料与人体相容性好，不产生有毒和使生物体发炎等有害反应，超硬材料(即，聚晶金刚石)其主要组分是“碳”，用超硬材料制成的人工关节具有良好的生物相容性、耐蚀性、耐磨性，高的抗疲劳强度、屈服强度、抗张强度和低的弹性模量。因此，超硬材料是制作能终生使用的人工关节的唯一理想材料。然而，国外近两年刚进入临床使用，国内空白。

制备金刚石假关节的早期工作，例如制备PCD股骨头假体，对于溶剂金属通常是使用CoCrMo合金完成的，为了提高构件的强度，优选的方法是采用高压和高温烧结工艺。发明人发现，CoCrMo合金是一种自身生物相容的合金但其不耐腐蚀，究其原因在于，铬是强烈的碳化物形成剂，在烧结过程期间，铬暴露于溶解的碳中，容易在熔融金属中以碳化铬形式析出或释放，这导致在溶剂金属中的一些区域中缺乏或没有铬，因此导致该材料的耐腐蚀性和生物相容性差。例如，以使用F-75合金作为溶剂金属制成的PCD假体为例，用pH为6的Hank溶液中测试构件的离子洗脱：烧结前，离子洗脱速率的小于0.1ppm/天，而在烧结后，PCD构件的离子洗脱速率高达7ppm/天。所以，自身具有良好生物相容性的金属作为溶剂金属用于形成烧结的金刚石复合片时生物相容性变差。相容性变差会导致人工关节在长期植入的过程中，释放出有害的金属离子，从而导致关节周围的组织发炎和关节松动，最终导致植入失败。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种人工关节用的金刚石复合片、人工关节和人工关节组件。

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种人工关节用的金刚石复合片，该复合片包括金刚石骨板，其中，所述金刚石骨板包含多个金刚石晶体以及位于所述金刚石晶体之间的间隙内的溶剂触媒金属，所述溶剂触媒金属包含Sn、Co、Cr和Ti。

根据本发明的第二方面，本发明提供了一种人工关节，该人工关节包括相互配合的关节头和关节窝，其中，所述关节头和/或关节窝由所述金刚石复合片形成。

根据本发明的第三方面，本发明提供了一种人工关节组件，该人工关节包括本发明所述的人工关节和与之固定的外壳，所述外壳可通过固定机构固定在骨骼上。

本发明人工关节的部件采用所述金刚石复合片制成，以所述金刚石骨板形成关节中的至少一个接合面，能得到低摩擦和耐长时间磨损的人工关节，因此具有置换关节的最长寿命；所述人工关节具有生物相容性，与先前的人工关节相比，对人体系统的伤害小。此外，所述人工关节由较少的部件按非常简单的设计制成，因此容易制造，可靠性高。

附图说明

图1是根据本发明的一种实施方式的人工髋关节的结构示意图；

图2A表示了本发明的一种人工关节组件；

图2B表示本发明的另一种人工关节组件；

图2C表示本发明的又一种人工关节组件；

图3A表示制作本发明的复合片在烧结之前的含溶剂触媒金属的金刚石原料及邻近的基体的示意图；

图3B表示烧结后的复合片的一种结构示意图，其中表示出了金刚石骨板、基体以及金刚石骨板与基体之间的过渡区。

具体实施方式

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

根据本发明的第一方面，本发明提供了一种人工关节用的金刚石复合片，该复合片包括金刚石骨板，其中，所述金刚石骨板包含多个金刚石晶体以及位于所述金刚石晶体之间的间隙内的溶剂触媒金属。

本发明中，所述溶剂触媒金属为包含Sn、Co、Cr和Ti的混合物，使所得复合片形成的人工关节部件具有生物相容性，从而具有更高的耐磨性和耐腐蚀性。正常体液的pH为7.4，但是该pH随着时间波动并且在局部区域可显著降低。例如，在血肿中，循环受到损坏，pH可降低到6(为了便于描述，以下均记为“pH6”)并持续较短的时间。对于术后即刻时间段内的植入体，血肿类的条件可围绕植入点存在。因此，pH6是作为用于耐腐蚀性和洗脱测试的合适测试情况中的最差情况环境条件。使用pH6作为洗脱测试环境还有另一个优点：对于对pH敏感的材料，要么由于天然材料化学性质、电腐蚀、裂隙腐蚀，要么因点蚀机制，在略微较酸性的pH下测试会迅速地显示问题，而这在pH为7.4下为了充分说明会需要长得多的测试时间。因为植入体通常需置入许多年，并且希望置入时间持续到病人的余下生命，所以长期耐腐蚀性是植入材料生物相容性的重要部分。基于以上理由，本发明在pH6下进行洗脱测试。

在本发明中，在Sn的存在下，Co、Cr和Ti均能够形成稳定的碳化物，所述碳化物在生理环境中是稳定的，几乎没有元素在洗脱中逃逸。

优选情况下，所述溶剂触媒金属中，Sn的含量为35-40重量％，Co的含量为15-35重量％，Cr的含量为20-40重量％，Ti的含量为1-10重量％，且所述金刚石骨板包含80体积％以上粒径为50-70nm的金刚石晶体；这种情况下，在pH 6于Hank溶液中通过洗脱测试该烧结复合片的外表面时，所述复合片在5天中的平均铬离子释放不超过1.0ppm，而且没有检测到Cr、Ti和Sn离子。

根据本发明，在烧结之前，以金刚石颗粒与所述溶剂触媒金属的总用量为基准，所述溶剂触媒金属的用量优选为1-30重量％。所述溶剂触媒金属可以是包含Sn、Co、Cr和Ti的金属粉末混合物。所述金属粉末可以是通过机械研磨后加入的金属，或者经气相沉积或化学还原的金属粉。

根据本发明，所述金刚石复合片还可以包括基体，所述金刚石骨板烧结在所述基体上；所述基体为一层或多层的层叠结构。

所述基体的材料可以为制备人工关节的常规选择。按照一种优选的实施方式，所述基体包括金属合金，所述金属合金的至少一种成分选自钛、铝、钒、钼、铪、镍钛合金、钴、铬、钼、钨、碳化钨硬质合金、碳化铬硬质合金、熔融碳化硅、镍、钽或不锈钢。

为了进一步提高所述金刚石复合片的耐磨性能，优选地，在所述基体与所述金刚石层之间的区域具有从溶剂触媒金属含量到金刚石含量的成分梯度，所述成分梯度选自界面梯度、连续梯度和递增梯度。所述成分梯度可以减少层间的应力并有利于关节结构的稳定。

优选情况下，所述金刚石复合片还包括机械夹持，用于将所述金刚石骨板固定在所述基体上，在这种情况下，所述金刚石通过化学键合和所述机械夹持固定在所述基体上。

优选地，所述金刚石骨板的热膨胀系数与所述基体的热膨胀系数不同。

优选地，所述金刚石骨板的模量与所述基体的模量不同。

优选地，所述金刚石骨板的厚度为10-1500微米。

优选地，所述金刚石骨板具有球形的接合面，这种情况下，所述金刚石骨板适用于作为关节头、关节窝等具有凹球或凸球形的关节部件的接合面。另外，本发明中，所述球形通常是指球形的部分，例如半球形。

更优选地，所述接合面的表面粗糙度Ra值在0.5-0.005微米之间。由于金刚石非常坚硬并且摩擦系数非常小，因此金刚石接触表面间的磨擦几乎可以忽略，关节的寿命非常长。而且由于坚硬、断裂韧性高以及通过抛光的所述部件达到低摩擦系数，关节能承受非常大的冲击而不损坏。多晶金刚石还具有高表面能的优点，从而非常容易润湿和润滑，以降低磨擦速率和延长寿命。

按照一种优选的实施方式，在所述金刚石复合片包括多孔区，所述多孔区可使骨长入到其中的孔中，用于生物固定金刚石复合片形成的人工关节部件(例如关节窝)；更优选地，所述孔的孔径为125-300μm。

根据本发明，所述金刚石复合片属于超硬材料，其努氏硬度通常至少为4000千克/平方毫米。

为了更清楚地表达本发明，对以上优选方案将在下文中进行详细描述。

根据本发明的第二方面，本发明提供了一种人工关节，该人工关节包括相互配合的关节头和关节窝，其中，所述关节头和/或关节窝由本发明第一方面所述的金刚石复合片形成。

在一种实施方式中，所述关节头和关节窝中的一种由所述金刚石复合片形成，剩余的一种的配对支撑材料选自超高分子量聚乙烯、钴铬合金、钴铬钼合金、钴铬钨合金、碳化钨、碳化钛、碳化钽、碳化锆、碳化铪、Ti6/4、碳化硅、碳化铬、碳化钒、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆、氧化锆增韧的氧化铝和钛钼铪合金中的一种或多种。

优选情况下，所述关节窝包括多孔区，所述多孔区可使骨长入到其中的孔中。

按照一种实施方式，所述人工关节为人工髋关节，具体结构如图1所示。图1中，人工髋关节201包括能够相互配合的关节头202和关节窝205，以及颈203和体204，体204的一端为柄204a，所述关节头202通过颈203与体204连接，所述柄204a能够插在股骨108的插孔中，优选所述柄204a用骨水泥232将其固定在股骨108中。

所述关节头202、关节窝205分别由所述金刚石复合片形成。具体地，所述关节头202包括第一基材230以及烧结在第一基材230上的第一金刚石骨板207，所述关节窝205包括第二基材231以及烧结在第二基材231上的第二金刚石骨板206。在这种组合中，关节头接合面209与关节窝接合面208是球形的，并且两者可在关节窝205表面范围内在三维方向上相互间能移动、滚动和滑动。优选地，在人工关节中，为达到最大的支撑、强度和活动性，所述关节窝接合面208为半球形(约180°)。

所述体204可以包括骨配合表面，例如为羟基磷灰石、多孔表面、高摩擦表面、丝网或者其它有助于将人工关节固定在骨中的表面。

优选地，所述第一金刚石骨板207、第二金刚石骨板206通过化学键结合和机械夹持而分别固定在第一基体230、第二基体231上。

本发明中，在制作过程中优选使用高温和高压形成烧结的所述金刚石复合片。所述金刚石骨板与基体之间的化学键结合是在烧结过程中通过sp3碳键与金属键结合形成的。所述机械夹持固定是通过基体与骨板的形状、基体与骨板的物理性质差异以及基体与骨板之间的梯度界面形成的。

优选地，所述第一金刚石骨板207和第二金刚石骨板206优选具有抛光面，以达到非常低的摩擦系数，其表面粗糙度Ra值在0.5-0.005微米之间。虽然图1所示的人工髋关节的关节头202和关节窝205同时使用了本发明所述的复合片，但所述关节头202(股骨头)和关节窝205(关节杯)之一也可以使用其它配对支承材料，所述配对支承材料可以选自方氮化硼、密排六方氮化硼、陶瓷、钴铬合金、钛合金、镍、碳化钒、碳化钽、铪、钼、碳化钨硬质合金、铌、超高分子量聚乙烯、聚醚醚酮、交联聚合物和蓝宝石等；优选选自超高分子量聚乙烯、钴铬合金、钴铬钼合金、钴铬钨合金、碳化钨、碳化钛、碳化钽、碳化锆、碳化铪、Ti6/4、碳化硅、碳化铬、碳化钒、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆、氧化锆增韧的氧化铝和钛钼铪合金中的一种或多种。

优选情况下，所述关节窝205包括多孔区，其中的孔可以使骨长入关节窝205中，从而利用骨结合作为固定机构来固定关节窝205。为了更有利于骨生长，所述孔的直径优选为50-500μm，更优选为125-300μm。

所述孔可通过烧结之前在关节窝205外层区域的金刚石原料中加入微粒材料形成。所述微粒材料可选自六方氮化硼、立方氮化硼、钴铬合金或镍等。可采用化学或机械方法将微粒材料从复合片中去除，从而留下适于生物固定的多孔区。根据在形成关节窝的多孔区时使用的微球材料，或者在其它关节制作过程使用的材料，必须在人工关节植入病人体内之前从人工关节中滤出有毒物质。

根据本发明的第三方面，本发明提供了一种人工关节组件，该人工关节组件包括本发明所述的人工关节和与之固定的外壳，所述外壳可通过固定机构固定在骨骼上。

图2A表示本发明的一种人工关节组件。该组件包括外壳220和关节杯221。所述关节杯221由本发明的金刚石复合片形成，包括基体222和烧结在基体上的金刚石骨板223。所述外壳220可以用不同的固定机构固定在病人骨骼224上，例如，螺丝220a、螺栓和螺母的组合220b、销钉220c或外壳220上的螺纹220d。粘结和压制配合也可实现将外壳固定到骨骼上。外壳也可以包括有纹路的、与骨配合表面或者适当的涂层(例如羟基磷灰石)，以促进骨长入。为了达到近似天然关节形状，根据外科手术中所需的角度方向和偏置将关节杯固定在外壳中，如图2B和2C所示，或者通过其它的方法。

图2B表示本发明受约束的人工关节组件(具体是指受约束的关节杯组件)。此组件除了包括图2A所示的关节杯、外壳和固定机构，还包括保持环225。保持环225优选为环形的所述金刚石复合片，具有基体226和金刚石骨板227。保持环225可以包括孔228，通过紧固件229将保持环225固定在外壳220上，所述保持环225的设置，可防止头从杯中脱出。

图2C表示本发明另一种人工关节组件。该组件包括由所述金刚石复合片形成的关节杯239，结构包括烧结在基体241上的金刚石骨板240。在髋骨侧面的杯上有特殊设计的骨配合表面242。为了帮助将关节杯239固定在髋骨上，骨配合表面242可以包括多种结构。骨配合表面242可以包括小孔，以促进骨在上面生长并长入其中。骨配合表面242也可涂有磷灰石涂层(如羟基磷灰石)，以促进骨骼生长。羟基磷灰石涂层薄并且结晶程度很高，在人体中紧靠磷灰石生成蛋白质结构，开始骨的生长。骨配合表面242还可以包括小珠或其它的粗糙表面，例如在骨生长的表面做棱。表面粗糙使骨紧靠着表面生长，从而达到骨质的结合。另外，骨配合表面242可以是多孔的金属网，如医疗技术中公知，以促进骨生长。合适的金属网是扩散结合在一起的多层钛网，接着与人工关节杯的金属扩散结合在一起。

在这种结构中，在外科手术时可用压配合、楔配合或者其它机械的或摩擦配合将人工关节固定在人体骨骼中。压配合是通过在骨骼中开一个比植入假体略小的插孔实现的，接着将假体用力压入插孔中并利用摩擦保持在其中，用于即时固定。另外，如同前面已经讨论的，可以用螺栓、螺丝、铆钉或销钉将人工关节固定在骨骼上。也可以使用适当的粘结剂或骨水泥将人工关节固定在骨骼上。但是，远期的固定是通过骨长入骨配合表面242实现或增强的。骨长入后将关节在使用过程中的微小移动减小到最低程度，从而为病人提供更加耐用的系统。当使用磷灰石涂层时，骨的生长将直接锚固假体表面。

图示的组件包括柄、柄插孔、颈和关节头，这对于制作标准的人工关节柄和关节头(如股骨头)以适合大范围的病人是有用的，可通过提供具有不同长度和偏置角度的颈来实现。使用具有适当长度和偏置角度的颈可以使股骨头相对于柄的取向达到所需的位置，从而近似天然股骨头的位置。通常，颈近端或凸出的锥端相对于颈中间部分纵轴的偏置角度是可以变化的，从而提供适合更多病人的产品。由于人工关节的颈部包括小的偏置角度，实际上在人工关节中得到两个不同几何形状。由于人工关节可达到任意的角度形状，如果取下颈并按相差180°相位角重新安装，就得到镜像关系的形状。

用本发明实施方式制造的上述各种关节和其它关节(包括踝关节、指(趾)间关节和其它关节)可在约束的和不约束的结构中使用。多件关节(如膝关节)可用本发明的单件人工关节解决。球和窝关节、铰链式关节、滑动关节和其它关节可根据本发明制造。另外，所有人工关节的承重和接合面或任何其它部件可用本发明的金刚石复合片制成，或者按照本发明的方法制造。部分关节置换(例如半关节成形和单件膝关节置换)也可使用本发明的关节组件完成。除在这里图示和讨论的以外，还可根据本发明制造任何所需结构的人工关节。无论关节是标准化的还是非标准化的，或者无论是整体关节还是单一关节部件或仅是接合面，都可使用本发明的原理制造。

关于人工关节的尺寸和形状

在本发明优选的人工关节中，所述关节头包括至少一部分的凸球体，所述关节窝包括至少一部分的凹球体。球和窝的球形部分，优选具有相近的半径，配合在一起时保证所需的公差。硬-硬接合面的合适公差是本领域熟知人员公知的。在人工关节中需要杯和球的半径非常接近，从而使流体流入实现润滑。为了将接合面的应力场减小到最低程度，优选使用相近半径的杯和球。在本发明的一些优选实施例中，球和窝的球形部分的基球半径可以为从22-60mm。在人工关节中，除了支撑骨结构外，为了得到最大范围的运动和力学强度，需要最大可能地利用病人的解剖形状。

在本发明中，所述金刚石骨板的厚度可以为2-3000μm。本发明某些实施方式使用纯质的多晶金刚石构件，即采用不包括所述基体的金刚石复合片形成所述人工关节的部件。

对于使用包括基体的复合片形成的关节头和关节窝，为了易于制造，在本发明最优选所述金刚石骨板的厚度为10-1500μm。

球和杯都要接近制造和加工过程允许的球形。这将使球与杯间的接触面积达到最大，从而分散接触负荷并使关节寿命达到最大。为了接近天然关节的运动范围，优选所述关节头的接合面在关节窝中至少可180°旋转。

关于在人工关节中复合片的固定

1.金刚石-基体界面的性质

在本发明优选实施例中，所述金刚石复合片在接合面和基体之间具有化学键结合和机械夹持。

本发明一些优选人工关节结构将复合片用于股骨头和/或关节杯中的至少一件。包括基体的所述金刚石复合片中，基体与金刚石晶粒间包括化学键结合，这种结构使得基体与金刚石骨板之间形成非常强的结合。

如上所述，本发明的复合件优选将金刚石晶体彼此之间及与基体之间在高压和高温下烧结在一起。

图3A和3B表示制造所述金刚石复合片所涉及的物理和化学过程。

在图3A中，在烧结之前将含金刚石颗粒430(例如金刚石粉或晶体)和所述溶剂触媒金属的混合物(以下也称为“金刚石原料”)放置在基体410上。在所述混合物中，可看出各个金刚石晶体431，各个金刚石晶体431之间是初始间隙432，在初始间隙432中含有溶剂触媒金属。

图中示出了金刚石晶体以及基体中与其邻接的金属晶粒。金刚石原料与基体间的界面是临界区420，在这里产生金刚石与基体的结合。

一旦所述混合物与基体组装成如图3A所示的组件，此组件经受如后面所述的高压和高温处理，使金刚石晶体之间、晶体与溶剂触媒金属以及与基体之间产生结合，得到的烧结多晶金刚石骨板结合在基体中的结构称为多晶金刚石紧密件(PDC)，即金刚石复合片。

图3B表示了将所述混合物与基体高压和高温烧结后的多晶金刚石紧密件401，即本发明的复合片。在PDC结构中，有基体402、金刚石骨板403和金刚石骨板与基体之间的过渡区404，过渡区404含有金刚石晶体和基体材料。图中示出了基体材料晶粒405和金刚石晶粒406。图3B所示的复合片包括在基体402上结合的金刚石骨板403，其边界不连续，能看到金刚石骨板403和基体402之间的过渡区404。这个区域代表金刚石骨板与基体之间的梯度界面，其中金刚石含量与金属含量之比是逐渐过渡的。在过渡区基体一侧，仅有很少含量的金刚石晶体和高含量的基体；在金刚石骨板一侧，有高含量的金刚石晶体和低含量的基体金属。由于多晶金刚石与基体金属的比例在过渡区是逐渐过渡的，金刚石骨板和基体之间出现梯度界面。

在过渡区中金刚石晶体和基体金属混合的位置，金刚石与金属之间形成化学键结合。从过渡区404到金刚石骨板403，金属含量减少，仅限于溶剂触媒金属，填充在烧结的金刚石骨板403中像脉络一样三维结构的间隙407。在间隙407中的溶剂触媒金属是在烧结之前将溶剂触媒金属加入到金刚石原料中。

在烧结过程中，形成三种类型的化学键结合：金刚石-金刚石键、金刚石-金属键以及金属-金属键。在金刚石骨板中，当金刚石颗粒溶解在溶剂触媒金属中并随后结合在一起时形成金刚石-金刚石键结合(sp3碳键)。在基体和在金刚石骨板中，高压和高温烧结过程形成金属-金属键结合。并且在梯度过渡区，金刚石与溶剂触媒金属间形成金刚石-金属键结合。

上述不同化学键结合的组合以及金刚石骨板中溶剂触媒金属产生的机械夹持，例如在金刚石结构的间隙中的溶剂触媒金属，在金刚石骨板与基体间形成非常高的结合强度。金刚石结构中存在间隙，这些间隙填充溶剂触媒金属，形成脉络结构，这种结构为金刚石复合片提供了非常高的断裂韧性，因为金刚石骨板中的脉络结构的金属起到能量阱作用，阻止金刚石骨板中初始裂纹的扩展。过渡区和金属脉络结构为金刚石复合片提供了介于金刚石骨板性能和基体材料性能之间的梯度材料性能，并且也提供了非常高的韧性。根据其特征，过渡区也可称为界面、梯度过渡区、成分梯度区或者成分梯度。过渡区将金刚石/基体应力分散到整个厚度的区域上，减小了高应力的明显线性界面。当高压和高温烧结过程结束时由于压力的差别及金刚石和基体的热膨胀性能差别，随压力和温度的下降产生了残余应力。

金刚石烧结过程在非常高的压力和温度的条件下出现。按照一种优选的实施方式，金刚石烧结过程包括以下步骤：

1)在压力下，将含有未结合的金刚石粉或晶体(金刚石原料)和基体原料的腔室加热到基体金属熔点以上的温度，使熔融金属流入相邻金刚石晶粒406之间的间隙407。这个过程是通过压力梯度填充孔隙以及通过高表面积的金刚石晶粒406的表面能或毛细管作用吸入的。随着温度的继续升高，金刚石晶体表面的碳原子溶解到初始的熔融金属中，形成碳溶液。

所述压力例如为40-68千巴，烧结温度可以为1100-1700℃。

在适当的温度和压力下，金刚石成为碳同素异形体中的热力学稳定晶体。当溶液相对于C_d(金刚石碳)变成过饱和时，碳开始从溶液中以金刚石形式结晶在金刚石晶体的表面，用金刚石-金刚石键结合方式将相邻的金刚石结合在一起成为烧结的多晶金刚石结构。在毛细管力和压制驱动力的作用下，金属填充在剩余的空隙中，形成脉络结构。由于在多晶金刚石结构形成的金刚石结晶过程中间隙金属在形成碳原子溶液和稳定这些反应原子方面起到重要作用，因此金属被称为溶剂触媒金属。

在本发明的一些实施方式中，在烧结之前将一定量的溶剂触媒金属与金刚石混合。金属的加入可以通过直接加入金属粉，或者通过在研磨粉碎机中原位产生金属粉或借助公知的还原沉积在金刚石晶体上的金属盐的方法实现。金刚石原料中的金属可以是加入的粉末金属、通过研磨方法加入的金属、气相沉积或化学还原的金属粉。

具有或不具有基体的金刚石骨板都可以制造并随后安装到人工关节上形成支承表面的位置上。安装过程以任何适当的方法进行，包括焊接、铜焊、烧结、扩散焊接、扩散结合、惰性焊接、粘结或使用紧固件，如螺丝、螺栓或铆钉。在将没有基体的金刚石骨板固定到其它物体上时，优选通过铜焊、扩散焊接/结合或惰性焊接来固定。

关于制作金刚石部分的优选结构

该部分用于提供与制作优选的人工髋关节及其它相似形状结构有关的内容。

制作人工关节的特殊问题是如何生产凹球状多晶金刚石紧密件关节杯和与之配合的凸球状多晶金刚石紧密件股骨头。

在制作球形多晶金刚石紧密件中，在进行装料、封装和压制/烧结过程中主要考虑的是对称性。球形复合片设计需要在制作部件过程中径向施加压力。在高压烧结过程中，为了得到球形形状，所有位移必须从所制作的球的中心沿径向进行。为了在高温/高压压制过程中达到这一目的，必须产生等静压力场。在制作这种球形部件过程中，如果存在任何的偏移应力分量，将导致部件的变形，使生产的部件成为废品。

下面讨论在制作所述金刚石复合片中须考虑的特殊问题。

a.模量

本发明的金刚石复合片可同时包括金刚石骨板和基体。金刚石骨板和基体的材料性能应该匹配，但是制造复合片的高压和高温烧结过程将导致部件中存在极高的残余应力。例如，对于使用碳化钨作基体的复合件，烧结金刚石的杨氏模量约为120×10⁶psi，钴粘结的碳化钨的杨氏模量约为90×10⁶psi。模量是指材料应力与应力关系曲线的斜率。模量表示材料的刚度。大块材料的模量是指均匀应变与均匀应力之比，或者材料单位体积压下量与所施加的压力或应力之比。

由于金刚石和多数基体材料具有较高的模量，所述金刚石复合片中非常小的应力或位移就能产生非常大的应力。如果应力超过金刚石或基体的屈服强度，部件就失效。在残余应力优化分布的金刚石复合片中，与无应力部件相比，产生断裂需要更多的能量。因此，必须注意基体与金刚石骨板之间模量的差别并应用于部件设计中，使部件具有最高的强度，在使用过程中具有足够的耐磨性和断裂韧性。

b.热膨胀系数

在温度变化时，金刚石和基体的变形差别程度也影响其力学性能的匹配。热膨胀系数(CTE)是指温度变化一单位值时单位长度的变化量，或者是材料在加热时膨胀的倾向，或者是冷却时的收缩倾向。

多晶金刚石的热膨胀系数为每摄氏度每英寸材料为2-4微英寸(10^-6英寸)。对比之下，碳化物的热膨胀系数为6-8μin/℃。尽管这些数值比较接近，但是当在基体和金刚石的结合体上存在几百℃的温度梯度时高模量的影响将造成非常高的残余应力场。当制作球形多晶金刚石紧密件时，金刚石和基体间CTE的差别能产生高的残余应力，这样，在高压/高温烧结过程中和烧结过程后的任何时刻导致金刚石骨板、基体或二者同时破裂和失效。

c.膨胀和畸变应力

烧结过程中金刚石和基体的组装体将产生体积收缩。烧结过程，通常在40到68千巴压力的常规条件下压制基体和金刚石组装体。此压力将导致基体的体积收缩。金刚石和/或基体也容易产生形状畸变。导致形状畸变的应力称为畸变应力，导致体积变化的应力称为膨胀应力。在等静压系统中，畸变应力的和为0，仅有剩余的膨胀应力分量。在设计和烧结具有复杂形状的多晶金刚石部件时不考虑所有这些应力影响容易导致烧结过程失败。

d.金刚石原料自由体积的减少

作为金刚石原料的一种物理性质，金刚石原料中存在很多自由体积，除非烧结之前使用的是特殊制备的原料。必须尽可能多地去除金刚石中的自由体积，如果金刚石原料中存在的自由体积过多，则无法顺利烧结。如果压机使用的顶锤具有足够的位移，也能在烧结过程中去除自由体积。在任何减少自由体积或者变形或废品部件的过程中，重要的是保持金刚石和基体所需的均匀形状。

f.金刚石原料的粒度及分布

最终金刚石制品的耐磨性与金刚石原料的粒度及粒度分布有直接关系。金刚石原料的粒度和粒度分布的选择是根据制品的寿命要求及其工作环境。如果使用细小的金刚石原料晶体并得到高强的金刚石-金刚石键结合的金刚石骨板，就能增强多晶金刚石的耐磨性。

尽管多晶金刚石可以用单一粒度金刚石原料制造，但是使用多粒度的原料能同时提高冲击强度和耐磨性。混合使用大晶粒尺寸和小晶粒尺寸的金刚石原料制造的部件具有高的冲击强度和耐磨性，部分原因是大金刚石晶体间的空隙被小金刚石晶体填充。在烧结过程中，小晶体溶解并析出，将所有金刚石晶体结合成高强和牢固结合的复合片。

g.装入金刚石原料的方法

为了准备烧结，应准备干净的金刚石原料、基体和容器用于装料。金刚石原料和基体放在称为“罐”的难熔金属容器中，罐将其中的物料与外界的污染隔开。金刚石原料和基体在高压和高温烧结过程中保持在罐中，以形成金刚石复合片。优选地，罐在真空下用高温的电子束焊接密封。

将足够的金刚石原料装入以满足高压和高温烧结过程中的线性收缩。将金刚石原料装入罐中用于烧结的方法影响最终制品的基本形状和公差。特别是，整个罐中金刚石原料的堆积密度应尽可能均匀，以便得到高质量的烧结多晶金刚石紧密件结构。在装料过程中，金刚石的搭桥能通过分阶段装入和包装来避免。

装料后原料密度的均匀程度影响金刚石复合片的形状。干式装入金刚石原料和装入混有粘结剂的金刚石并在随后过程中将粘结剂脱除的方法也影响最终多晶金刚石紧密件的特性。为了恰当地预压金刚石用于烧结，预压的压力应在等静压的条件下施加。

下面讨论本发明的制备工艺。

a.选择基体材料

对于制造用于人工关节中的金刚石复合件，本发明可以使用在下表中列出的金属合金作为基体材料。

表1

当钛用作基体时，本发明优选在钛基体上放上薄的钽隔片。钽隔片可防止钛合金与金刚石原料中的溶剂触媒金属混合。如果钛合金与溶剂触媒金属混合，在高压和高温烧结过程中将形成有害的低熔点共晶金属间化合物。钽隔片同时与钛合金和溶剂触媒金属的多晶金刚石结合。这样，使用具有钽隔片层的钛基体以及含溶剂触媒金属的金刚石原料制造的金刚石复合片的强度非常高并且容易制作。另外，可以在钛基体上提供一层α相氧化物涂层作为阻挡，防止共晶金属的生成。钽隔片的厚度可以为0.002-0.01英寸，优选为0.008英寸。

如果使用钴铬钼基体，为了控制烧结过程中形成碳化铬，优选在装金刚石原料之前在基体上放上钨层或钨和钴层。

除了表中列举的以外，也可以使用其它合适的基体用于制作金刚石复合片。并且，在本发明的范围内可以制作没有基体的金刚石复合片。、

本发明中，为了制作如本发明的一些实施方式中优选的凹球形关节窝(关节杯)或凸球形的关节头(股骨头)，需选择基体形状以满足这些部件的生产。因此，在制作关节杯、股骨头或任何其它球形部件时，所述基体的形状优选为球形。

如前所述，人造金刚石和多数可用的基体材料的材料特性有很大的差异。特别是，要注意模量和热膨胀系数。但是当二者组合在一起使用时，有些基体能形成稳定和高强度的球形的金刚石复合片。下面的表中列出了一些优选的基体材料的物理性质。

表2

基材	模量	CTE
			Ti6/4	16.5×10⁶psi	5.4
CoCrMo	35.5×10⁶psi	16.9
			CoCrW	35.3×10⁶psi	16.3

单独使用钛或钴铬合金基体用于制作球形金刚石复合片时容易导致金刚石骨板裂纹或基体与金刚石骨板之间分离。特别是，结果表明在高压和高温烧结过程中钛的主要问题是压缩性，而钴铬合金在烧结过程中的主要问题是CTE。在本发明的一些实施方式中，为了在制作过程中和制作完成后使尺寸稳定，优选可使用两层或多层基体。

参看下表，列出了一些可以用于制作球形金刚石复合片的基体材料组合。

表3

用于制作凸球的基体组合

为达到尺寸的稳定性，如上所述，在球形部件中使用两种基体。两种基体能克服金刚石与基体间CTE和模量的差异。结果表明，使用具有多层基体能克服材料以不同速率膨胀和收缩的倾向。

使用具有至少两层明显不同的基体材料的球形基体能稳定部件并防止基体从金刚石骨板上收缩剥离，从而能成功地制造球形多晶金刚石紧密件。

在本发明的一种实施方式中，可以使用单层基体。在本发明的另一种实施方式中，如上所述，可以使用两层以上的基体。但是，根据所用部件的性能，也可以使用包括三层、四层或多层的基体。这种多层基体也在本发明的范围内。

本发明制作关节杯或其它凹的球、半球或部分球的金刚石复合件的优选形状与制作凸球形多晶金刚石紧密件的不同。

在本发明中，通常使用的金刚石颗粒为1-100μm。但在本发明的一些实施方式中，也可以使用纳米级的金刚石颗粒。为了获得光滑的接合面，优选使用较小的金刚石颗粒。优选地，所述金刚石颗粒的粒径在0.05-5μm的范围内。

本发明中，为了将金刚石原料与溶剂触媒金属混合，首先将一定量的金刚石原料和溶剂触媒金属放在混合桶中，所述混合桶是由所需的溶剂触媒金属制作的。接着在搅拌条件(速度例如为200rpm)下，用甲醇和研磨球将金刚石和溶剂触媒金属混合均匀，所述混合的时间可以为25-60分钟。所述研磨球、混合夹具和混合桶优选是由溶剂触媒金属制成的；接着，倒出甲醇，将所得金刚石原料与研磨球分开；之后，通过在氢气炉中于900-1100℃下加热40-80分钟，将原料干燥并清洁；之后将原料准备好用于装料和烧结。另外，原料也可以在保持其清洁的条件下储存。用于加热的合适的氢气炉包括氢气等离子炉和真空炉。

所述金刚石原料和溶剂触媒金属形成的混合物优选以均匀密度装入罐中，可以采用粘合剂使金刚石原料密度均匀。在金刚石原料中加入适量的粘结剂，接着在罐中压制。所述粘结剂可以选自聚乙烯基醇缩丁醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩甲醛、聚氯乙烯-乙酸乙烯酯、聚乙烯、乙基纤维素、松香酸甲酯、石蜡、聚碳酸丙烯和聚甲基丙烯酸乙酯中的至少一种。

在本发明的优选实施方法中，使金刚石原料密度均匀的方法包括四个步骤：

第一步，制备粘结剂溶液：将5-25％的增塑剂加入到聚合物(聚碳酸丙烯酯)中，之后将所得混合物溶解在溶剂中，得到浓度约为20重量％的粘结剂溶液；

所述增塑剂可以为选自乙二醇、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸烷基苄基酯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二异癸酯、邻苯二甲酸二异壬酯、邻苯二甲酸二甲酯、二丙二醇二苯甲酸酯、2-乙基己基二苯基二苯甲酸酯、二醇二苯甲酸酯、2-乙基己基二苯基磷酸酯、异癸基二苯基磷酸酯、三甲苯基磷酸酯、三丁氧基乙基磷酸酯、己二酸二己酯、偏苯三酸三异辛酯、邻苯二甲酸二辛酯、环氧化亚麻子油、环氧化豆油、柠檬酸乙酰基三乙基酯、丙烯碳酸酯、各种邻苯二甲酸酯、硬脂酸丁酯、甘油、聚烷基二醇衍生物、草酸二乙酯、石蜡和三甘醇。

所述溶剂可选自2-丁酮、二氯甲烷、氯仿、1,2-二氯乙烷、三氯乙烯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸乙烯酯、丙烯碳酸酯、乙酸正丙酯、乙腈、二甲基甲酰胺、丙腈、冰醋酸、二甲基亚砜、丙酮、甲乙酮、环己酮、丁内酯、四氢呋喃、1,4-二氧六环、环氧丙烷、2-甲氧基乙基醚、苯、苯乙烯、二甲苯、乙醇、甲醇、甲苯、环己烷和乙苯中的一种或多种。

第二步，将金刚石原料与所述粘结剂溶液混合，得到混合溶液；金刚石的加入量可以为2-25重量％。

第三步，将所述混合溶液干燥；通常是通过将所述混合溶液放入真空炉中在40-80℃干燥15-30小时，去除所有溶剂，得到粘结的金刚石原料。

第四步，将粘结的金刚石原料压制成形：当粘结的金刚石原料从炉中取出时，通常呈团块状，将其破碎后再用压机压制成所需的形状。将所需形状的压制芯杆与粘结的金刚石接触，使其形成所需形状。当粘结的金刚石原料压制后取出芯杆。通过压制，所得到的成型的金刚石原料的最终密度优选至少为每立方厘米2.6克。

为了避免外界污染造成金刚石复合件的质量降低，因此优选在烧结前去除污染和粘结剂。优选地，脱除粘结剂的过程如下：

首先，将成形的金刚石原料从室温加热到500℃；优选的升温速度为每分钟2℃/min；然后在500℃保温2小时；第三，再次升温，优选温度从500℃开始以4℃/min的速度升高到950℃；第四，在950℃保温6小时；第五，以2℃/min的速度将物料温度降低到室温。

在本发明的一些实施方式中，需要使用合适的工艺将粘结的金刚石原料成型，例如注射成型。金刚石原料中包括一种或多种尺寸的金刚石晶体、溶剂触媒金属。当所需的最终部件形状具有复杂的轮廓时，使用粉末金刚石原料和粉末溶剂触媒金属使金刚石复合件要达到均匀厚度和精确轮廓比较困难。在这些情况下，需要在烧结前成型金刚石原料。

如果需要在装入罐中进行烧结之前处理金刚石原料，所述的步骤及如下所述。

首先，将如上所述的粘结剂加入到金刚石原料混合物中。根据需要，粘结剂还可包括合成橡胶和/或溶剂，以得到所需的粘结性、流体流动性和注射成形的特性。加入原料中的粘结剂所占的体积优选等于或略大于轻压粉末中空隙的测量体积。由于粘结剂通常包括较高热膨胀系数的聚合物材料，需要计算注射成形温度下粘结剂占据的体积。粘结剂和原料应充分混合，以保证成分的均匀性。当加热时，粘结剂和原料在高压注射成型过程中应具有足够的流动特性。接着将加热的原料和粘结剂混合物在压力作用下注射到所需形状的模具中。接着在模具中冷却注射成形的部件直到设定的温度，然后打开模具取出部件。根据所需的最终复合片的形状，一种或多种注射成型的金刚石原料部件可以放在一个罐中进行烧结。并且，使用这种方法可以在进行烧结过程之前将金刚石原料注射成型为所需的形状并储存一段较长时间，从而简化制造工艺并达到高生产效率。

根据需要，从注射成型金刚石原料部件中脱除粘结剂。有多种方法可以达到这一目的。例如，通过简单的真空或氢气炉处理，从金刚石原料成形件中脱除粘结剂。以这种方法，在真空或很低压力的氢气气氛中将成形件升高到所需温度。接着，粘结剂将随温度的升高而挥发并从成形件中脱除。然后从炉中取出成型件。当使用氢气时，有助于保持金刚石原料成型件中金刚石晶体的清洁和表面的化学活化。

另一种从成型件中脱除粘结剂的方法包括使用两种不同分子量的聚合物(例如聚丙烯)。最初的注射成型完成后，将金刚石原料成型件放入溶剂池中脱除低分子量的聚合物，留下高分子量的聚合物保持金刚石原料成型件的形状。接着将金刚石原料成型件放入炉中进行真空或很低压力的氢气气氛处理脱除高分子量聚合物。

从金刚石原料成型件中脱除部分或全部粘结剂是在将成形件放入压制组件中进行多晶金刚石紧密件烧结之前完成。可供选择的是，将包括金刚石原料成形件的压制组件放入炉中进行真空或很低压力的氢气气氛处理并脱除粘结剂。

如果在基体上装入单一类型或混合的金刚石原料，如其它地方的描述，溶剂触媒金属扫越到金刚石中将在金刚石骨板的梯度过渡区形成界面梯度。

递增梯度金刚石骨板的形成是通过在烧结之前将不同特性(金刚石粒度、金刚石粒度分布、金属含量等)的金刚石原料装入不同层中。例如，选择基体，并将含有60重量％溶剂触媒金属的第一金刚石原料装在基体上的第一层中。接着，将含有40重量％溶剂触媒金属的第二金刚石原料装在第一层上面的第二层中。可以选择使用额外的金刚石原料层。例如，将含有20重量％的溶剂触媒金属的第三金刚石原料装在第二层上面。

连续梯度金刚石骨板的形成是通过装入金刚石原料时使一种或多种金刚石原料特性从金刚石骨板厚度的一侧到另一侧连续变化。例如，金刚石粒度从靠近基体的较大值(为了在金刚石中形成较大间隙用于溶剂触媒金属的进入)变化到金刚石支承表面的较小值，从而得到的部件与基体有强的结合。

在一些实施方式中，使用多个金刚石原料层，金刚石原料层中具有不同的金刚石粒度和粒度分布，或不同重量百分数的溶剂触媒金属，或者二者都有，使制造的金刚石骨板在与基体的界面处和在支承表面和接合面处具有不同的物理特性。这使所制造的金刚石复合片的金刚石骨板与基体的结合非常牢固，在承重和接合面有非常好的特性，达到低摩擦的关节连接、高的耐冲击性和持久性。

在本发明中，一旦加热器组件准备完，就将金刚石原料和基体形成的组件放入压机中，在高压和高温条件下烧结。所述压机可选自六面顶压机或两面顶压机，但根据所用压机的类型，压力组件有些不同。压力组件用于从压机上接受压力并将压力传递到金刚石原料，使金刚石的烧结在等静压条件下进行。

如果使用六面顶压机，则合适压力传递介质的立方块(例如叶蜡石)将容纳加热器组件。如果使用两面顶压机进行烧结，则使用杯形加压介质。盐可以作为压力传递介质用在立方块和加热器组件之间。热电偶放在立方块上，在烧结过程中检测温度。内部具有加热器组件的立方块称为压力组件，放在压机中进行烧结。

在本发明中，为了准备烧结，将整个压力组件装入压机，初始压力为40-68千巴。所用的具体压力可根据所制造的产品确定。接着，给压力组件通电，使压力组件的温度优选达到1145℃或1200℃到1500℃之间的范围。优选地，在两个相对的顶锤面之间需要5800瓦特的电源，以产生所需的电流流过加热器组件，使其产生所需的热量。一旦达到所需的温度，压力组件就在顶锤面上受到约每平方英寸1百万磅的压力。压力组件的构件将压力传递到金刚石原料。这些条件优选的保持约3-12分钟，但可以从大约1分钟到30分钟之间。金刚石复合片的烧结在等静压的条件下进行，此时仅允许压力传递部件产生体积变化，而不能有其它变形。一旦烧结循环结束，则进行约90秒的冷却期，接着去除压力，取出金刚石复合片最终加工。

本发明中，从压力组件中取出具有弯曲、复合或复杂形状的烧结多晶金刚石是简单的，因为本发明优选实施例中金刚石和其周围的材料之间存在材料性质的差异，这在本发明中称为模具释放系统。

一个或多个下面的过程用于模具释放系统中：

在多晶金刚石部件和模具之间放一层中间层材料，防止复合片与模具表面的粘结。

使用在合成条件下不与金刚石复合片粘结的模具材料。

使用的模具材料，在金刚石复合片合成循环的最后阶段或结束，如果是纯凹形的金刚石复合片则收缩后从石复合片中掉出；或者如果是纯凸形的金刚石复合片则膨胀后从其中掉出。

成形的模具也可以同时作为金刚石复合片合成过程中用到的扫越金属的来源。

作为一种实施方式，下面讨论在制造金刚石复合片时模具释放系统的使用，其中使用与所需形状相反形状的模具制作半球形杯。模具表面可作为溶剂触媒金属的来源用于金刚石复合片的合成过程，并且模具表面与金刚石复合片的粘结性差，容易脱离制品。

当形成凹半球形杯时，如关节头和关节窝的接合面所用的，在一种实施方式中，由本发明的溶剂触媒金属形成的模具用作基体，其周围放置一层或多层金刚石复合片，这些都装在外罐中。将一个环(由像云母或压制的六方氮化硼之类的材料构成)置于模具球的半球处，使两个凹半球形多层金刚石复合片在合成过程结束时分离。在多层金刚石复合片成型过程中，由于过程固有的温度升高，合金球尺寸会膨胀，这也能为复合片成型过程提供溶剂触媒金属。

当在球形模具的周围形成多层金刚石复合片后，随着冷却和压力降低，模具球收缩，模具球与两个半球形复合片分离。

作为另一种选择，可以在复合片与模具表面之间使用一层中间层材料，所述中间层材料应当能从最终的纯凹形复合片中收缩，实现模具与复合片分离。

根据本发明上述原理制造的结构将提供更强的和耐用的低摩擦支承表面，应用于多种用途包括人工关节。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种人工关节用的金刚石复合片，该复合片包括金刚石骨板，其中，所述金刚石骨板包含多个金刚石晶体以及位于所述金刚石晶体之间的间隙内的溶剂触媒金属；所述溶剂触媒金属包含Sn、Co、Cr和Ti。

2.根据权利要求1所述的金刚石复合片，其中，所述溶剂触媒金属中，Sn的含量为35-40重量％，Co的含量为15-35重量％，Cr的含量为20-40重量％，Ti的含量为1-10重量％；且所述金刚石骨板包含80体积％以上粒径为50-70nm的金刚石晶体。

3.根据权利要求1所述的金刚石复合片，其中，所述金刚石骨板的厚度为10-1500μm。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的金刚石复合片，其中，该复合片还包括基体，所述金刚石骨板烧结在所述基体上；所述基体为一层或多层的层叠结构；

优选地，所述基体包括金属合金，所述金属合金的至少一种成分选自钛、铝、钒、钼、铪、镍钛合金、钴、铬、钼、钨、碳化钨硬质合金、碳化铬硬质合金、熔融碳化硅、镍、钽或不锈钢。

5.根据权利要求4所述的金刚石复合片，其中，在所述基体与所述金刚石骨板之间的区域具有从溶剂触媒金属含量到金刚石含量的成分梯度，所述成分梯度选自界面梯度、连续梯度和递增梯度。

6.根据权利要求4所述的金刚石复合片，其中，所述金刚石复合片还包括机械夹持，用于将所述金刚石骨板固定在所述基体上。

7.根据权利要求4所述的金刚石复合片，其中，所述金刚石骨板的热膨胀系数与所述基体的热膨胀系数不同；

优选地，所述金刚石骨板的模量与所述基体的模量不同。

8.根据权利要求1-7中任意一项所述的金刚石复合片，其中，所述金刚石骨板具有球形的接合面。

9.根据权利要求1-7中任意一项所述的金刚石复合片，其中，所述金刚石复合片包括多孔区，所述多孔区可使骨长入到其中的孔中；

优选地，所述孔的孔径为125-300μm。

10.一种人工关节，包括相互配合的关节头和关节窝，其特征在于，所述关节头和/或关节窝由权利要求1-9中任意一项所述的金刚石复合片形成。

11.根据权利要求10所述的人工关节，其中，所述关节头和关节窝中的一种由所述金刚石复合片形成，剩余的一种的配对支撑材料选自超高分子量聚乙烯、钴铬合金、钴铬钼合金、钴铬钨合金、碳化钨、碳化钛、碳化钽、碳化锆、碳化铪、Ti6/4、碳化硅、碳化铬、碳化钒、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆、氧化锆增韧的氧化铝和钛钼铪合金中的一种或多种。

12.一种人工关节组件，其特征在于，该人工关节组件包括权利要求10或11所述的人工关节和与之固定的外壳，所述外壳可通过固定机构固定在骨骼上。