专利名称：带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种钛合金人工髋关节及其制造方法。
背景技术：
人工髋关节置换术已成为治疗髋关节疾病的一种有效的治疗方法。但在 人体正常活动时，由于力学载荷及相对运动的摩擦作用下，股骨头植入体通 常会产生磨损或导致对偶关节软骨的磨损。陶瓷股骨头虽然耐磨性能好，但 韧性低质脆，承受冲击载荷性能差，应用受到限制。钛合金具有优良的生物 相容性，作为股骨头材料正在被应用，但其硬度低，耐磨性差。授权公告号
为CN86202828、授权公告日为1987年9月2日的实用新型专利公开的《宽 束混合离子注入钛合金人工全髋关节》用宽束混合离子OT+N^)在能量为 50KeV 100KeV、剂量为1016/cm2 1018/cm2范围内对钛合金进行了竖直式 注入，在表面形成高硬度TiN薄层；授权公告号为CN1715439A、授权公告 日为2006年1月4日的发明专利公开的《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》用全方位离子注入机对钛合金关节头先高靶温注入 氮离子，耙温为600。C 700。C，注入剂量为1017/cm2 1018/cm2;然后对第一 步注入的样品再高剂量注入氧离子，靶温为室温 30(TC，注入剂量为 1018/cm2 1019/cm2，得表面氧化钛一氮化钛梯度膜钛合金关节头样品。以上 两个专利采用离子注入制备的硬质薄膜均增强了股骨头的耐磨性，减轻了软 骨材料(UHMWPE)的磨损。但是上述带有薄膜层的股骨头存在薄膜厚度薄、 薄膜与基体结合强度低、力学承载能力差和耐磨持久稳定性差的缺陷。因此 在使用要求苛刻的股骨头上难以获得良好的应用效果。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的带有薄膜层的股骨头存在薄膜厚度薄、 薄膜与基体结合强度低、力学承载能力差和耐磨持久稳定性差的问题，进而 提供了一种带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节及其制造方法。
本发明的带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节包括钛合金股骨头和与其
对偶配合的钛合金髋杯，所述髋关节还包括耐磨陶瓷涂层，所述耐磨陶瓷涂 层涂覆在钛合金股骨头的球面上和钛合金髋杯的表面上，所述钛合金股骨头 的上端面上开有与股柄配合连接的圆柱形槽。
本发明的带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节的制造方法是这样完成 的步骤一、把预陶瓷化处理的钛合金股骨头和钛合金髋杯分别打磨抛光至 镜面，将两个夹具分别装卡在钛合金股骨头上端面上的圆柱形槽的底面上和 钛合金髋杯上，并将钛合金股骨头上端面上的圆柱形槽用绝缘屏蔽物件填充， 同时将一根阳极接触线埋置在绝缘屏蔽物件内，且阳极接触线与圆柱形槽底
面上的夹具相连接，另一根阳极接触线与钛合金髋杯上的夹具相连接；步骤
二、将夹装好的钛合金股骨头和钛合金髋杯作为阳极，分别置于电解液中进 行火花增强电化学氧化，不锈钢板作为阴极，在氧化过程中通过冷却系统控
制电解液的温度〈50。C，采用双极脉冲电源以钛合金表面的击穿放电产生耐 磨陶瓷涂层，涂层的厚度为6pm 4(^m;步骤三、将带耐磨陶瓷涂层的钛合 金股骨头和钛合金髋杯取出，并拆除绝缘屏蔽物件、夹具和阳极接触线；步 骤四、清洗带耐磨陶瓷涂层的钛合金股骨头和钛合金髋杯；步骤五、干燥带 耐磨陶瓷涂层的钛合金股骨头和钛合金髋杯；步骤六、对带耐磨陶瓷涂层的 钛合金股骨头和钛合金髋杯进行表面抛光处理，去除最外表面多孔疏松层， 得到光滑陶瓷涂层，涂层的厚度为5pm 30ium。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果 一、本发明带有耐磨陶瓷涂 层的钛合金股骨头，其表面氧化钛陶瓷涂层，增强股骨头的耐磨性，又改善 生物相容性与耐腐蚀性能，本发明用带耐磨陶瓷层的钛合金股骨头替代 Co-Cr-Mo合金股骨头，避免了钛合金股柄与Co-Cr-Mo合金股骨头异种金属 间因电位差导致的电偶腐蚀问题，本发明与股骨头对偶的钛合金髋杯也采用 钛合金，同样其外表面生长陶瓷涂层，两对偶表面均生长纳米氧化钛生物陶 瓷，氧化钛本身减摩性好，另外，氧化钛涂层与关节液润湿性好，表面些微 的凹坑有利于存储润滑液，改善对偶摩擦表面的接触润滑状态，有效降低关 节摩擦对副的磨损，延长股骨头及钛合金髋杯植体的使用寿命；二、本发明 带有耐磨陶瓷涂层的钛合金股骨头与钛合金髋杯，其表面氧化钛陶瓷涂层的 制备方法为电化学氧化法，是将球形不规则形状的股骨头或钛合金髋杯置于
电解液中，通过表面均匀火花放电作用原位产生陶瓷涂层，涂层生长均匀且
不受尺寸与形状的限制；三、本发明带有耐磨陶瓷涂层的钛合金股骨头与钛 合金髋杯，其外表面陶瓷涂层经磨抛处理后，致密光滑的内工作层厚度为5~30 微米，承载能力高，且明显降低摩擦系数，无陶瓷涂层的股骨头表面摩擦测 试后表面磨痕与梨沟很多，而带陶瓷层的表面非常光滑无磨损痕迹，本发明 带有耐磨陶瓷涂层的钛合金关节可有效减小摩擦对偶表面的磨损；四、电化 学氧化生长陶瓷涂层工艺洁净且无污染，对制品力学性能无损伤，工艺允许 一次性处理累积大面积制品，因此能实现批量股骨头一次生产，生长的陶瓷 涂层只需表面磨抛处理后即可使用，工艺流程简单、经济、实用。
图1是本发明的带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节的整体结构示意图， 图2是本发明电化学氧化钛合金股骨头在电解槽中装卡示意图，图3是本发 明电化学氧化钛合金髋杯在电解槽中装卡示意图。
具体实施例方式
具体实施方式
一结合图1说明本实施方式，本实施方式包括钛合金股 骨头5和与其对偶配合的钛合金髋杯4，所述髋关节还包括耐磨陶瓷涂层2， 所述耐磨陶瓷涂层2涂覆在钛合金股骨头5的球面上和钛合金髋杯4的表面 上，所述钛合金股骨头5的上端面上开有与股柄配合连接的圆柱形槽3。
具体实施方式
二结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式的带耐 磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节的制造方法是这样完成的步骤一、把预陶 瓷化处理的钛合金股骨头5和钛合金髋杯4分别打磨抛光至镜面，将两个夹 具7分别装卡在钛合金股骨头5上端面上的圆柱形槽3的底面上和钛合金髋 杯4上，并将钛合金股骨头5上端面上的圆柱形槽3用绝缘屏蔽物件8填充， 同时将一根阳极接触线6埋置在绝缘屏蔽物件8内，且阳极接触线6与圆柱 形槽3底面上的夹具7相连接，另一根阳极接触线6与钛合金髋杯4上的夹 具7相连接；步骤二、将夹装好的钛合金股骨头5和钛合金髋杯4作为阳极， 分别置于电解液9中进行火花增强电化学氧化，不锈钢板作为阴极，在氧化 过程中通过冷却系统控制电解液9的温度〈50。C，采用双极脉冲电源以钛合 金表面的击穿放电产生耐磨陶瓷涂层2，涂层的厚度为6pm 4(Him;步骤三、 将带耐磨陶瓷涂层2的钛合金股骨头5和钛合金髋杯4取出，并拆除绝缘屏 蔽物件8、夹具7和阳极接触线6;步骤四、清洗带耐磨陶瓷涂层2的钛合金 股骨头5和钛合金髋杯4;步骤五、干燥带耐磨陶瓷涂层2的钛合金股骨头5 和钛合金髋杯4;步骤六、对带耐磨陶瓷涂层2的钛合金股骨头5和钛合金髋 杯4进行表面抛光处理，去除最外表面多孔疏松层，得到光滑陶瓷涂层，涂 层的厚度为5|um 30|Lim。
具体实施方式
三结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式二的不同点是本实施方式在步骤一中所述夹具7由铝合金或钛合金材料 制成。使得夹具与钛合金股骨头5和钛合金髋杯4紧密接触，避免了在高压 放电情况下因接触不良导致接触点烧蚀。
具体实施方式
四结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式二的不同点是本实施方式在步骤二中所述电解液9由含钙或含磷的电解 质与去离子水配制而成，所述电解质与去离子水的质量配比为(5 50): 1000， 含钙电解质为醋酸钙或草酸钙；含磷电解质为磷酸二氢钠、磷酸氢钠、六偏 磷酸钠或甘油磷酸钠。上述电解质不含对人体有害离子，通过微弧放电进入 涂层中的这些含钙和磷物质具生物相容性。
具体实施方式
五结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式四的不同点是本实施方式在步骤二中所述电解液9由含钙或含磷的电解
质、pH值调节剂与去离子水配制而成，所述电解质、pH值调节剂与去离子 水的质量配比为(2 10): 1000，含钙电解质可以为醋酸钙或草酸鈣；含磷电 解质可以为磷酸二氢钠、磷酸氢钠、六偏磷酸钠或甘油磷酸钠，pH值调节剂 为NaOH。调整电解液的pH值。
具体实施方式
六结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式二的不同点是本实施方式在步骤二中所述双极脉冲电源的脉冲电压为400 V 600V，频率为400 Hz 800Hz，占空比为4% 20%。电参数控制在上 述范围内，微弧放电均匀，涂层生长速度快、质量好。
具体实施方式
七结合图2说明本实施方式，本实施方式与具体实施方 式二的不同点是本实施方式在步骤六中所述耐磨陶瓷涂层2的表面粗糙度 Ra为0.4)im 0.6pm。致密光滑的涂层明显降低摩擦系数，提高钛合金股骨 头与钛合金髋杯对偶表面的耐磨性能，延长植入体的使用寿命。
权利要求
1、一种带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节，它包括钛合金股骨头(5)和与其对偶配合的钛合金髋杯(4)，其特征在于所述髋关节还包括耐磨陶瓷涂层(2)，所述耐磨陶瓷涂层(2)涂覆在钛合金股骨头(5)的球面上和钛合金髋杯(4)的表面上，所述钛合金股骨头(5)的上端面上开有与股柄配合连接的圆柱形槽(3)。
2、 一种带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节的制造方法，其特征在于所 述方法的步骤为步骤一、把预陶瓷化处理的钛合金股骨头(5)和钛合金髋杯 (4)分别打磨抛光至镜面，将两个夹具(7)分别装卡在钛合金股骨头(5)上端面上 的圆柱形槽(3)的底面上和钛合金髋杯(4)上，并将钛合金股骨头(5)上端面上的 圆柱形槽(3)用绝缘屏蔽物件(8)填充，同时将一根阳极接触线(6)埋置在绝缘屏 蔽物件(8)内，且阳极接触线(6)与圆柱形槽(3)底面上的夹具(7)相连接，另一根 阳极接触线(6)与钛合金髋杯(4)上的夹具(7)相连接；步骤二、将夹装好的钛合 金股骨头(5)和钛合金髋杯(4)作为阳极，分别置于电解液(9)中进行火花增强电 化学氧化，不锈钢板作为阴极，在氧化过程中通过冷却系统控制电解液(9)的 温度<50°(3，采用双极脉冲电源以钛合金表面的击穿放电产生耐磨陶瓷涂层 (2)，涂层的厚度为6pm 40|im;步骤三、将带耐磨陶瓷涂层(2)的钛合金股骨 头(5)和钛合金髋杯(4)取出，并拆除绝缘屏蔽物件(8)、夹具(7)和阳极接触线(6); 步骤四、清洗带耐磨陶瓷涂层(2)的钛合金股骨头(5)和钛合金髋杯(4);步骤五、 干燥带耐磨陶瓷涂层(2)的钛合金股骨头(5)和钛合金髋杯(4);步骤六、对带耐 磨陶瓷涂层(2)的钛合金股骨头(5)和钛合金髋杯(4)进行表面抛光处理，去除最 外表面多孔疏松层，得到光滑陶瓷涂层，涂层的厚度为5vim 30nm。
3、 根据权利要求2所述带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节的制造方法， 其特征在于在步骤一 中所述夹具(7)由铝合金或钛合金材料制成。
4、 根据权利要求2所述带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节的制造方法， 其特征在于在步骤二中所述电解液(9)由含钙或含磷的电解质与去离子水配 制而成，所述电解质与去离子水的质量配比为(5~50) :1000，含^电解质为 醋酸钙或草酸钙；含磷电解质为磷酸二氢钠、磷酸氢钠、六偏磷酸钠或甘油 磷酸钠。
5、 根据权利要求2所述带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节的制造方法， 其特征在于在步骤二中所述电解液(9)由含钙或含磷的电解质、pH值调节剂 与去离子水配制而成，所述电解质与去离子水的质量配比为(5~50) :1000, 所述pH值调节剂与去离子水的质量配比为(2~10) :1000,含钙电解质可以 为醋酸钙或草酸钙；含磷电解质可以为磷酸二氢钠、磷酸氢钠、六偏磷酸钠 或甘油磷酸钠，pH值调节剂为NaOH。
6、 根据权利要求2所述带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节的制造方法， 其特征在于在步骤二中所述双极脉冲电源的脉冲电压为400V 600V,频 率为400 Hz 800Hz，占空比为4% 20%。
7、 根据权利要求2所述带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节的制造方法， 其特征在于在步骤六中所述耐磨陶瓷涂层(2)的表面粗糙度Ra为0.4j_im
全文摘要
带耐磨陶瓷涂层的钛合金人工髋关节及其制造方法，它涉及一种钛合金人工髋关节及其制造方法。本发明解决了现有的带有薄膜层的股骨头存在薄膜厚度薄、薄膜与基体结合强度低、力学承载能力差和耐磨持久稳定性差的问题。本发明的耐磨陶瓷涂层涂覆在钛合金股骨头的球面上和钛合金髋杯的表面上，钛合金股骨头的上端面上开有与股柄配合连接的圆柱形槽；本发明的方法是对关节进行抛光、屏蔽和装卡；然后对关节进行火花增强电化学氧化产生耐磨陶瓷涂层，再取出关节、清洗并干燥；最后进行关节表面抛光处理。本发明的人工髋关节具有股骨头薄膜厚度厚、薄膜与基体结合强度高、力学承载能力好和耐磨持久稳定性好等优点，本发明的制造方法工艺流程简单。
文档编号A61F2/32GK101347358SQ200810137090
公开日2009年1月21日 申请日期2008年9月10日 优先权日2008年9月10日
发明者玉 周, 毅 王, 王亚明, 王长利, 贾德昌 申请人:哈尔滨工业大学