专利名称：人体植入金属材料表面离子注入处理方法
人工关节使用钛合金金属材料如Ti6A14V；人造牙根植入体，使用纯金属钛材料。钛及钛合金的比重与人体骨骼的比重近似，有很好的比强度，有一定的耐蚀性。人体配戴安装钛合金制成的人工关节后，近期感觉比安装CoCrMo材料或不锈钢材料制成的人工关节舒适。但是，纯金属钛材料及钛合金材料比起CoCrMo材料或不锈钢材料，存在耐人体体液溶蚀性差，耐磨性低。尤其是在人体体液环境情况下，耐磨性能差。由钛合金制成的人工关节，不能达到伴随人一生的标准。钛合金关节，在人体体内磨损，溶解出钛离子。人体关节处体液变黑，即产生“黑水”。溶入体液的钛离子，参加人的体内循环。钛离子容易聚集在肾脏，使人患肾病。
金属材料人体植入器官表面处理方法，此前曾有氮离子注入、单纯金属离子注入，但是，单纯氮离子注入或单纯金属离子注入的人工关节还不能达到，其植入人体后，伴随人一生的标准。一般只能使用十至十五年。而采用本发明方法多重离子束混合注入，在钛及钛合金材料表面形成纳米级陶瓷注入层，比单纯氮离子注入或单纯金属离子注入，处理的人工关节，有更强的耐蚀性和耐磨性能。用本注入方法处理人体植入钛及钛合金材料，制成的人工关节，比单纯氮离子注入或单纯金属离子注入处理的人工关节使用寿命预计提高3-4倍。
多种离子束混合注入不存在可剥离界面问题，既不存在各种真空镀膜或刷镀工艺的镀膜剥层问题。使用镀层处理的人工关节，镀层一旦剥落，在关节腔内会形成磨粒磨损，加速人工关节的损坏。
本注入方法以离子强渗透的方式，将金属和非金属离子按一定的比例组合、一定的入射角度及适当的温度条件下，以一定的能量分布将组合离子束，注入到被处理人工关节表面。在被处理人工关节表面与其基体之间，形成纳米陶瓷浓度逐渐增加，及至表面的过渡层。因此，纳米陶瓷注入层与人工关节机体之间没有明显的界面，不存在各种真空镀膜或刷镀工艺的镀膜剥层问题。此纳米陶瓷注入层，有着非常良好的耐磨损性能和耐腐蚀性能。
图1.为能同时产生多种金属离子的，金属蒸汽真空弧离子源即MEVVA源离子注入机示意图；图2.为Zr、Gr、C、O同时注入Ti试样，形成纳米陶瓷层，其俄歇电子能谱。
实现上述纳米陶瓷注入层的方法取一种金属或合金，此金属或合金组合只要再配以适当的非金属元素，即可合成所需的陶瓷成分。上述非金属元素可以是气体、也可以是固体。
一、非金属元素是固体时，用纯金属或合金制成阴极。固体非金属，按陶瓷注入层原子比和各参与元素的电离能比关系，设计各元素的量比。将固体非金属依比量制成细柱状，按蜂巢排列方式或莲蓬状排列方式镶嵌到纯金属或合金制成的阴极中。用此阴极触发、电离、配以适当能量分布进行离子注入。可得到所需的纳米陶瓷注入层。采用此方法获取纳米陶瓷注入层的有TiC、ZrC、YC、CoGrMoC3、纯金属也可以换成固体非金属，生成如下纳米陶瓷层BC、SiC、SiBC等。上述金属也可以是一种金属配以另一种或几种纯金属，再配以非金属或两种及种两种以上非金属，生成纳米陶瓷层如TiZrC、ZrBC、ZrGrC、GrMoC、TiZrVBC等。用此种方法可以生成新型特殊功能陶瓷。
二、非金属元素是气体时，用通气铜管配以针阀，安装在离子源阴极放电室。通入单一气体，调整适当气压，使离子源保持正常电离工作状态。调整触发电压、引出电压、引出离子的成分，达到陶瓷注入层成分的要求。配以适当能量分布进行离子注入。形成纳米陶瓷注入层。如TiN、ZrN、TiO、ZrO、TiZrN；上述气体也可以是混合气体或固体加气体，生成纳米陶瓷注入层，如TiNO、ZrNO、TiZrCN、TiZrCNO、GrMoCO等；上述金属也可换成非金属，生成纳米陶瓷注入层，如BN、CN、BCN、SiCN、BNO、SiNO等。综合方法一、二，科学家可以研究生产，前人未曾触及的新型纳米陶瓷。
权利要求
1.一种人体植入金属材料的表面处理方法。其特征在于采用两种或两种以上元素，同时电离，在电场中加速，在磁场中聚焦，形成均匀混合的离子束流，对被加工物体进行离子注入。其中所述金属选自Ti.Zr.V.Nb.Cr.Mo.W.Fe.Co.Ni.Mn.Y.Zn.Sc.等一种或多种元素；其非金属选自B.C.N.O一种或多种元素。
2.权力要求1的，人体植入金属材料的表面处理方法为金属、非金属同时电离离子注入。其中离子注入能量为0.5-500KV；离子注入剂量为1×1014-5×1020Ion/cm2；
3.权力要求2的人体植入金属材料的表面处理方法。其中元素组合为Ti+C+N Zr+C+NTi+Zr+C+N Ti+C Zr+C Ti+C+O Zr+C+O Ti+N+O Zr+N+O Zr+O Ti+V+CTi+Nb+C Zr+Cr+B Zr+Cr+C+O Ti+Nb+C Ti+Cr+Mo+C Zr+Mo+C+N Cr+C+NCr+Mo+C+N Cr+Mo+C Mo+C+N Y+C+N Y+Cr+C Y+Cr+C+N Co+Cr+Mo+CCo+Cr+Mo+C+N Co+Cr+Mo+N+O等。
4.权力要求3的人体植入金属材料表面处理方法，是将MEVVA源离子注入机，产生离子的阴极，由只产生单一离子，改造成能产生多种离子的阴极。此阴极制造采用，将一种固体注入元素制成阴极形状(一般采用所需注入元素最多的一种)，将其他一种或多种注入元素制成细柱状，按陶瓷注入层原子比和各参与元素的电离能比关系，设计各元素的量比及排列组合。将制成细柱状金属或非金属，按蜂巢排列方式或莲蓬状排列方式，及排列组合，镶嵌到上述金属制成的阴极中。用此阴极触发、电离、配以适当能量分布进行离子注入。可得到所需的纳米陶瓷注入层。
5.权力要求3的人体植入金属材料表面处理方法中，金属与非金属组成范围是金属(0.005-99.005％)其余是非金属。
6.权力要求1-5中所述人体植入金属材料为纯金属钛、钛铝合金、钛铁合金、钛镁铝合金及其它钛合金、镍基记忆合金等制成的人工关节、人工植入牙根、血管支架等。
全文摘要
本发明公开了一种人体植入金属材料表面处理方法。该方法采用两种或两种以上的金属元素与非金属元素同时电离、加速，成混合离子束流，对植入人体的金属材料制成的人工器官(人工关节、心脏起搏器、牙根、血管支架等)进行离子注入处理。本发明方法可提高人体植入金属器官的耐腐蚀性、耐磨性、抗黏附性和抗疲劳性。其中所述金属选自Ti.Zr.V.Nb.Cr.Mo.W.Fe.Co.Ni.Mn.Y.Zn.Sc.等一种或多种元素；其非金属选自B.C.N.O一种或多种元素。此工艺不改变被加工对象的外形尺寸及表面精度。本发明方法稳定可靠，方便易行，具有很好的应用性。
文档编号A61L27/00GK1796594SQ200410101298
公开日2006年7月5日 申请日期2004年12月20日 优先权日2004年12月20日
发明者丁晓纪, 刘安东, 张荟星, 徐骏, 张孝吉, 李强, 桑吉梅, 张圣基, 林文廉 申请人:北京师范大学