一种耐磨陶瓷涂层钛合金人工关节头及其制备方法
【专利说明】 一种耐磨陶瓷涂层钛合金人工关节头及其制备方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及一种植入体器件及其制备方法，具体涉及一种带有改善润滑性能的耐磨陶瓷涂层的钛合金人工关节头及其制备方法。
【背景技术】
[0003]磨损是人工关节无菌松动和晚期失效的主要因素，目前人工关节头主要由钴合金和氧化铝陶瓷制备，陶瓷球头具有耐磨性高、与关节滑液的润湿性好的优点，但陶瓷球头的本质脆性和高成本，影响其广泛应用。钴合金关节头虽然具有较高的耐磨性，但由于体内润滑不良，金属与体液的润湿性差，在滑动速度较低情况下难以形成流体动压润滑，在体内常处于混合润滑状态，摩擦系数较高。因此，其使用过程中仍然会产生大量金属磨屑，金属磨屑会渗入血液，并溶解出大量Cr-等有害金属离子，造成软组织感染甚至会使患者全身中毒，严重影响其可靠性和使用寿命。
[0004]钛合金具有良好的生物相容性、耐腐性、高强度、低比重等特点，在医疗器械和航空、航天器领域中有广泛应用。但是，由于钛合金表面硬度低、耐磨性差，从而限制了钛合金在摩擦承载部件上的应用。授权公开号CN1715439A的发明专利《钛合金人工关节头表面氧化钛至氮化钛梯度耐磨层的制法》采用全方位离子注入机对钛合金关节头先以600~700°C的靶温，高剂量注入氮离子，在钛合金关节头表面产生深层氮化物弥散强化基底；再高剂量注入氧离子，在钛合金关节头表面形成T1-O-T1-N梯度膜。授权公开号CN101804708A的发明专利《T1-TiN-CNx梯度多层薄膜及其制备方法》采用非平衡磁控溅射法制备由TiN和非晶CNx相互交替构成的TiN/CNx梯度多层过渡层和类石墨结构的非晶CNx膜层，有较低的摩擦系数和磨损率。但这两种制备耐磨涂层的方法工艺复杂、成本高。授权公开号CN100510156C的发明专利《医用钛合金髋关节球头表面渗碳工艺》把医用钛合金髋关节球头放入真空渗碳炉中，采用乙炔做渗碳气体，在1300°C高温下渗碳，由于渗碳温度过高，不可避免的造成关节球头变形，影响其实际使用。授权公开号CN 101347358 B的发明专利《带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节及其制造方法》在钛合金股骨头的球面上和钛合金髋杯的表面进行火花增强电化学氧化产生耐磨陶瓷涂层，得到薄膜厚度厚、薄膜与基体结合强度高、力学承载能力好的耐磨涂层，但该方法得到的涂层多孔，其致密性还有待提高。申请号201210049884.0的发明专利《一种镁合金表面微弧氧化/水热处理复合膜层的制备方法》采用后续的水热处理，在氧化陶瓷层表面引入钙磷元素的同时，还可以对陶瓷表面的孔洞进行封堵，有效降低腐蚀介质的侵入。但是，获得该复合膜层需要多步处理，工艺繁琐，并且后续沉积的膜层在使用过程中易剥落，失去封堵效果。
【发明内容】
[0005]针对关节置换后，关节囊被切除，关节滑液不足会导致置换关节润滑状态不佳而加剧磨损和钛合金耐磨性差，不能做关节头等问题。本发明的目的是提供一种耐磨陶瓷涂层钛合金人工关节头及其制备方法，该人工关节头模仿天然关节软骨多孔含水结构和润滑功能，通过表面微孔阵列织构改善润滑，微孔还可以捕获磨屑，减少磨粒磨损，同时提高关节头和白的耐磨性。采用二步等离子电解氧化工艺使表面涂层更加致密。本发明的表面带有织构和陶瓷复合涂层的钛合金人工关节头不仅具陶瓷关节头的耐磨能力，还具有改善润滑、减少摩擦偶件一关节臼磨损的功能，而且其成本显著低于陶瓷关节头。
[0006]本发明的目的通过以下技术方案实现:
一种耐磨陶瓷涂层钛合金人工关节头，其特征在于:该人工关节头包括表面形成微孔阵列织构的钛合金关节头本体，在钛合金关节头本体表面设有减摩耐磨陶瓷涂层，所述减摩耐磨陶瓷涂层的表层为经过硬质纳米颗粒填孔和封孔的致密陶瓷层。
[0007]本发明中，所述减摩耐磨陶瓷涂层采用两步等离子电解氧化工艺制备，减摩耐磨陶瓷涂层总厚度为25-55 μ m，表面致密陶瓷层的厚度为10-15 μ m。
[0008]所述微孔阵列织构为圆形微孔且均匀分布在钛合金关节头本体球面，微孔直径D=50?1000 μ m,微孔深度h=10?55 μ m,微孔面积占有率S=5%?35%。
[0009]一种耐磨陶瓷涂层钛合金人工关节头的制备方法，其特征在于该方法具体步骤如下:
1)将钛合金关节头本体外圆表面抛光至镜面；
2)对抛光的钛合金关节头本体进行表面织构化处理，形成规则微孔阵列织构；所述的微孔阵列织构由激光刻蚀、光刻微细电解加工和机械压痕法制备，所述微孔阵列织构由圆形微孔在钛合金关节头本体球面均匀分布构成，微孔直径D=50?1000 μ m，微孔深度h=10?55 μ m，微孔面积占有率S=5%?35%。
[0010]3)采用HF-HNO3溶液清洗带有微孔阵列织构的钛合金关节头本体表面；
4)以带有微孔阵列织构的钛合金关节头本体为阳极，浸入到硅酸盐/磷酸盐溶液中，采用高压脉冲直流电源进行第一步等离子电解氧化处理；其中硅酸钠(Na2S13)浓度6-10g/L，十二水磷酸钠(Na3PO4.12Η20)浓度6-10g/L。所述的第一步等离子电解氧化处理，电源电压为500-600V，脉冲频率400-800HZ，占空比10%_20%，处理时间30_60min，获得氧化陶瓷层厚度为10-35 μ m。
[0011]5)将完成第一步等离子电解氧化处理的钛合金关节头本体，浸入到含纳米硬质颗粒的硅酸盐/磷酸盐悬浊液中，进行第二步等离子电解氧化处理；所述的含纳米硬质颗粒的硅酸盐/磷酸盐悬浊液，其中含有0.1-0.5g/L的OP乳化分散剂，其纳米硬质颗粒为二氧化硅、氧化铝、或氮化硅纳米陶瓷颗粒，粒径为1~100 nm，含量为10-20g/L。所述的第二步等离子电解氧化处理，电源电压550-650V，脉冲频率400-800HZ，占空比10%_20%，处理时间30-60min,获得氧化陶瓷层总厚度为15-55 μ m，其中含纳米颗粒填孔增密氧化陶瓷层厚度为 5-15 μ m0
[0012]6)对完成第二步等离子电解氧化处理的钛合金关节头本体进行表面研磨，去除外表面的粗糙层，然后抛光处理，得到耐磨陶瓷涂层钛合金人工关节头。
[0013]本发明中，微孔阵列织构为在钛合金关节头与臼杯接触的表面上加工形成的规则微孔阵列；氧化陶瓷涂层为采用二步等离子电解氧化工艺制备的硬质氧化层，且复合在织构化表面上；二步法等离子电解氧化工艺为先以硅酸盐/磷酸盐混合溶液作为电解液进行第一步等离子电解氧化处理，再以含纳米颗粒的硅酸盐/磷酸盐悬浊液作为电解液进行第二步氧化处理。
[0014]与现有技术相比，本发明的优势:
本发明将表面织构化技术和两步等离子电解氧化技术相结合，在钛合金关节头外圆表面制备织构化/陶瓷化复合涂层。表面织构可以作为关节滑液的储池，在滑动摩擦过程中向摩擦表面提供润滑剂，增加润滑膜的厚度，实现流体动压润滑。等离子电解氧化陶瓷层可以作为耐磨层，减少因钛合金关节头表面的磨损而造成的发炎和关节头松动等问题。采用二步等离子电解氧化处理工艺，不仅进一步增加了陶瓷涂层厚度，而且电解液中的纳米颗粒对疏松多孔的氧化陶瓷外层进行了填孔增密。与传统后续的水热处理等二次封孔处理技术相比，本发明采用两步离子电解氧化技术将电解氧化和纳米颗粒填孔、封孔同时进行，进一步提高了氧化陶瓷涂层的厚度，由于硬质纳米陶瓷颗粒填孔、封孔是在离子电解氧化中进行，纳米颗粒与多孔氧化陶瓷的结合性能更好，表面填孔、封孔层致密性更高，可以进一步提高陶瓷层的硬度和耐磨性。
[0015]本发明采用二步等离子电解氧化工艺使带有微孔阵列织构的关节头表面陶瓷化，不仅获得厚度达55 μ m的陶瓷层，而且其表层有硬质纳米陶瓷颗粒填孔封孔、厚度达15μ m的致密陶瓷层。本发明不仅具有陶瓷关节头的耐磨能力，置换后还具有增加润滑膜厚度和刚度，改善润滑状态的功能，同时表面微孔还可以捕获磨屑，减少磨粒磨损。因此，本发明带有改善润滑性能的耐磨陶瓷涂层人工关节头不仅增强了自身的耐磨性，而且可显著减少摩擦偶件——关节臼的磨损，而且其成本显著低于全陶瓷关节头。
【附图说明】
[0016]图1为本发明的结构示意图。
[0017]图2是图1中A部局部放大图。
【具体实施方式】
[0018]结合附图和实施例，对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
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