表面图案化制备低摩擦高硬度人工髋关节球头的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种表面图案化制备低摩擦高硬度人工髋关节球头的方法，属于对现有人工髋关节性能的改进。
【背景技术】
[0002]人工关节置换术是目前治疗终末期关节疾患最有效的方法，能够明显改善患者的运动功能和提高生存质量。由于人口持续老龄化以及人类寿命的显著延长，迫切需要发展长寿命的人工关节。因此，目前需要解决的关键问题就是能否为全球数以亿计的骨关节病患者提供质优价廉、长使用寿命、生物相容的人工关节。
[0003]人工关节技术涉及材料学、生物摩擦学和医学工程等多种学科的交叉，关系到人们的生活质量。人工关节的摩擦磨损性能是评价其质量好坏的一个重要因素。如何提高人工关节摩擦界面的性能，进而显著提高人工关节的使用寿命已经成为一个众所关注的世界课题。国内外材料和医学科技工作者对提高人工关节材料抗磨减摩性能进行了大量研究，目前主要集中于对传统关节材料进行表面改性处理，以期改善材料表面状态及物理、化学性能，从而提高人工关节材料的耐磨性能，降低摩擦系数。
[0004]通过表面改性达到改善人工关节材料摩擦学性能的主要手段有表面涂层法、表面接枝改性、等离子处理、表面图案化等。经过对现有技术的检索发现，中国发明专利号200810137090.3，公告日2009-01-21，中国发明专利号记载了带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节及其制造方法，中国发明专利，201210086231.X，公开日2012-08-08，记载了人工髋关节摩擦副表面膜层及其制备方法，涂层好坏的关键在于涂层与基体间界面结合强度的大小，这是涂层中至关重要且较难解决的问题。同时，涂层与基体的热膨胀系数的差异会导致材料中存在内应力，进而影响人工关节的抗磨能力。
[0005]表面图案化是在材料表面构建具有规整形状的微/纳米级微囊图案结构，表面微囊具有储存润滑液的作用，从而改善摩擦配副表面的润滑状态，实现摩擦学性能的提高。中国发明专利201010103613.X，公告日2010-07-14，记载了人工关节用超高分子量聚乙烯材料表面微细织构加工方法，提高了其作为人工关节材料的摩擦学性能。
[0006]结合表面图案化的优势，激光干涉制造在表面图案化改性方面具有其他技术不可替代的潜力及优势。该技术利用多光束激光干涉产生的图案(空间上多周期的能量分布)直接加工或修改材料表面(曲面或平面)形成与图案相对应的高精度纳米级、微米级及微纳混合的周期性结构，得到具有特殊物理和化学特性的材料表面。
[0007]因此，本发明将激光干涉制造技术与图案化技术结合运用于人工髋关节球头的表面改性方面，克服现有技术的不足，提供一种表面图案化制备低摩擦高硬度人工髋关节的方法，属于对现有人工髋关节性能的改进，提高人工髋关节的硬度和摩擦学性能。
【发明内容】
[0008]本发明技术解决问题:克服现有技术的不足，提供一种采用激光干涉光刻技术实现表面图案化制备低摩擦高硬度人工髋关节球头的方法，该方法具有优良的可控性、良好的稳定性和耐久性，且具有曝光场面积大、效率高、适合低沉本大批量生产的优点。属于对现有人工髋关节性能的改进，提高人工髋关节的硬度和摩擦学性能。
[0009]本发明的目的可以通过以下技术措施实现:一种表面图案化制备低摩擦高硬度人工髋关节球头的方法，由钴铬钼合金材料制成，其特征在于:在人工髋关节球头表面形成图案化酒窝阵列，即在人工髋关节球头摩擦表面用激光干涉光刻制备图案化酒窝阵列，包括以下步骤:
[0010]a.对髋关节球头进行超声清洗；
[0011]b.建立三光束激光干涉光路系统，刻蚀样品；
[0012]c.改变三光束干涉参数，获得结构周期从纳米级到微米级可调，深度可控的周期性点阵结构；
[0013]d.优化三光束干涉系统的干涉光强和曝光时间等参数，获得低摩擦高硬度性能人工髋关节球头。
[0014]所述图案化酒窝阵列由大面积周期性微型酒窝有序阵列组成，制备的酒窝阵列周期为1-10 μ m，酒窝深度为0.3-6 μ m。
[0015]所述三光束激光干涉系统由激光器、分束、折光和整形系统组成，由激光器发出一束激光，经分束系统分成三束相干光束，分束系统是由高反镜、分光镜、半波片和偏振片组成，经折光系统使三束相干光空间对称，整形系统在三光束会聚于样品前进行光束整形，使他们以一定的入射角同时照射到样品上，改变三束空间光干涉参数，参数包括波长、空间角、入射角、相位角、偏振状态、干涉光强和曝光时间等，使三光束激光干涉系统干涉图案的特征尺寸从纳米级到微米级可调，在人工髋关节球头表面上干涉得到不同周期、密度、特征尺寸和不同深度的酒窝点阵结构。
[0016]在三光束会聚于样品前对三束光分别进行光束整形，整形系统放置角度依据光束的入射角度而定，使光斑能量分布更加均匀，整形成均匀光束。
[0017]所用激光器输出波长为1064nm，高斯光束整形成均匀光束，曝光时间为10_70s，激光能量密度为0.15-0.26Jcm 2。
[0018]调整人工髋关节球头表面酒窝阵列的周期、酒窝深度和形貌、得到低摩擦、高硬度性能的表面，获得摩擦系数减少64%，硬度增强40%的优化人工髋关节。
[0019]本发明与现有方法和系统相比有以下优点:
[0020](I)现有的关节改性技术多是实现了硬度或摩擦学单方面的优化。采用激光干涉方法制备的图案化酒窝点阵结构，优化了关节摩擦界面间的摩擦学性能，同时激光的瞬时高温，在烧蚀材料过程中，使晶粒细化，材料硬度同时得以提高。
[0021](2)本发明由于光路中每一束相干光都使用了光学偏振器件，对每一束光的偏振状态和光强度分别进行调控，以提高干涉图形的对比度，使干涉图形的形状和质量更精确可控等优点。
[0022](3)由于激光干涉技术可以产生纳米级到微米级可调的结构图案，具有图形特征尺寸小、图案密度可调性好的优点。
[0023](4)由于激光干涉技术制作本发明所产生的图案无需掩膜、曝光场面积大、效率高、制作工艺相对简单，具有快速、大面积、高效、低成本实现人工髋关节球头图案化达到减摩擦、高硬度性能的优点。
[0024](5)由于激光干涉技术制作本发明所产生的微纳结构可以通过机械移动基片工件台