專利名稱：鈦合金人工關(guān)節(jié)頭表面氧化鈦至氮化鈦梯度耐磨層的制法的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種植入體器件的制備方法，特別是一種鈦合金人工關(guān)節(jié)頭表面氧化鈦至氮化鈦梯度耐磨層的制法。
二
背景技術(shù)：
鈦合金具有優(yōu)良的生物相容性，作為植入體材料已得到廣泛應(yīng)用，但由于其耐磨性差，一般不用于人工關(guān)節(jié)頭材料。表面改性鈦合金關(guān)節(jié)頭材料在國內(nèi)外已有報(bào)道。如中國專利CN86 2 02828U公開了一種“寬束混合離子注入鈦合金人工全髖關(guān)節(jié)”，其發(fā)明實(shí)質(zhì)內(nèi)容是用寬束混合離子(N++N+2)，在能量50-100KeV，劑量1016-1018/cm2范圍內(nèi)對(duì)鈦合金進(jìn)行了豎直式注入，在表面形成高硬度TiN薄層，增強(qiáng)了其耐磨性，減輕了軟骨材料(UHMWPE)的磨損，但注入層(0.2-0.3μm)太淺，使用過程中容易被磨掉。文獻(xiàn)2報(bào)道了采用磁控濺射技術(shù)在Ti和ZrO2表面制備CNX膜(“Carbon nitridefilms on orhopedic substrates”，Diamond and Related Materials，2000，91984-1991)，改善了潤濕性，降低了摩擦系數(shù)，但磁控濺射CNX與基體的結(jié)合強(qiáng)度不高，使用過程中容易脫落而失效。
由于現(xiàn)有表面改性技術(shù)存在(1)改性層太薄；(2)膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度不高；(3)改性表面太粗糙等缺點(diǎn)，故難以在使用條件要求苛刻、加工精度要求高的人工關(guān)節(jié)頭上得到良好的應(yīng)用。
三

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種在鈦合金關(guān)節(jié)頭表面制備具有高承載能力、高硬度、高結(jié)合強(qiáng)度和良好潤濕性及保持良好光潔度的深層梯度膜方法，該梯度膜既增強(qiáng)耐磨性，又改善潤滑狀態(tài)，從而減少摩擦偶件—關(guān)節(jié)軟骨(超高分子量聚乙烯)的磨損。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)解決方案為一種氧化鈦—氮化鈦(Ti-O-Ti-N)表面梯度膜的制法，其特征在于采用兩步全方位離子注入的方法使鈦合金表面形成氧化鈦—氮化鈦(Ti-O-Ti-N)梯度膜，先把預(yù)注入的鈦合金關(guān)節(jié)頭樣品打磨拋光至鏡面，然后第一步，用全方位離子注入機(jī)對(duì)鈦合金關(guān)節(jié)頭先高靶溫注入氮離子，靶溫600～700℃，注入劑量1017～1018/cm2；第二步，對(duì)第一步注入的樣品再高劑量注入氧離子，靶溫室溫～300℃，注入劑量1018～1019/cm2，即得表面氧化鈦一氮化鈦(Ti-O-Ti-N)梯度膜鈦合金關(guān)節(jié)頭樣品。
本發(fā)明的原理是全方位離子注入機(jī)通過熱陰極放電、射頻放電和金屬陰極真空弧放電產(chǎn)生多種氣態(tài)和固態(tài)元素離子的等離子體，將待注入鈦合金關(guān)節(jié)頭直接浸泡在等離子體中，關(guān)節(jié)頭不需轉(zhuǎn)動(dòng)，然后在關(guān)節(jié)頭上加一負(fù)脈沖高壓，通過等離子體鞘層加速，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)具有復(fù)雜表面關(guān)節(jié)頭的均勻注入。
在鈦合金關(guān)節(jié)頭表面先高靶溫注氮離子，使氮離子向合金內(nèi)部擴(kuò)散，產(chǎn)生深層位錯(cuò)及氮化物彌散強(qiáng)化基底，再高劑量注氧離子使表面產(chǎn)生有一定承載能力的氧化物陶瓷膜，隔離金屬和UHMWPE的直接接觸，減輕粘著磨損。由于體內(nèi)置換關(guān)節(jié)常處于“饑餓潤滑狀態(tài)”，氧化膜與關(guān)節(jié)滑液有良好的潤濕性，有利于形成潤滑膜，改善潤滑狀態(tài)，降低置換關(guān)節(jié)摩擦副雙方的磨損，減輕因磨損導(dǎo)致的置換關(guān)節(jié)無菌松動(dòng)，延長置換關(guān)節(jié)的使用壽命。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是1、本發(fā)明利用全方位注入技術(shù)在鈦合金關(guān)節(jié)頭表面制備Ti-O-Ti-N梯度氧化物陶瓷膜，既增強(qiáng)關(guān)節(jié)頭的耐磨性，又改善生物相容性和耐腐蝕性能。由于鈦合金耐磨性差，目前主要用作關(guān)節(jié)柄，而關(guān)節(jié)頭以鈷-鉻-鉬合金為主。鈷-鉻-鉬合金關(guān)節(jié)頭雖耐磨性好，但有一定的毒性，且與鈦合金關(guān)節(jié)柄在體內(nèi)電解質(zhì)溶液中存在電勢(shì)差，導(dǎo)致電子由較活躍一方流向較穩(wěn)定一方，產(chǎn)生電流腐蝕，長期使用后產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕而失效。本發(fā)明可使關(guān)節(jié)頭和柄使用同種鈦合金材料，可避免電流腐蝕。
2、本發(fā)明的注入改性層深度比以往的注入層高10倍以上，注入梯度膜厚度可達(dá)2-5μm，并可明顯降低摩擦系數(shù)，在蒸餾水潤滑下摩擦系數(shù)由注入前的0.29降低到注入后的0.069。摩擦偶件UHMWPE的磨損率由1.56×10-5mg/N.m降到3.12×10-7mg/N.m，磨損率降低了50倍。鈦合金表面磨痕和溝槽較多，梯度膜表面非常光滑，幾乎沒有磨痕。故本發(fā)明的梯度膜可顯著減輕摩擦副雙方的磨損。
3、陶瓷關(guān)節(jié)頭雖然生物相容性好、耐磨、耐蝕及強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。但陶瓷脆性大，對(duì)應(yīng)力集中及過載非常敏感，加工困難，成本高，且與骨的力學(xué)相容性不好，而本發(fā)明只是表面為耐磨Ti-O-Ti-N梯度氧化物陶瓷層，心部為與骨的力學(xué)相容性好的鈦合金。
4、全方位離子注入潔凈、無污染，不產(chǎn)生變形，因此可作為人工關(guān)節(jié)生產(chǎn)過程中最后一道工序。注入室內(nèi)容積大，能實(shí)現(xiàn)批量化處理。
5、本發(fā)明鈦合金表面Ti-O-Ti-N梯度耐磨層除可用于人工關(guān)節(jié)頭外，還可用于醫(yī)療器械和其他工業(yè)領(lǐng)域。
四


附圖是本發(fā)明Ti-O-Ti-N梯度膜制備工藝的流程圖。
五
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
結(jié)合附圖，本發(fā)明的具體實(shí)施方式
為1、把預(yù)注入的鈦合金關(guān)節(jié)頭樣品打磨拋光至鏡面；2、采用PII全方位離子注入機(jī)對(duì)鈦合金關(guān)節(jié)頭先以600～700℃的靶溫，1017～1018/cm2的注入劑量注入氮離子，在鈦合金關(guān)節(jié)頭表面產(chǎn)生深層氮化物彌散強(qiáng)化基底；3、對(duì)步逐2高靶溫注氮的鈦合金關(guān)節(jié)頭樣品再用PII全方位離子注入機(jī)，以室溫～300℃的靶溫，1018～1019/cm2的注入劑量注入氧離子，這樣在鈦合金關(guān)節(jié)頭表面形成Ti-O-Ti-N梯度膜；4、梯度膜的力學(xué)及摩擦性能測(cè)試。
實(shí)施例1選用醫(yī)用Ti-6Al-4V合金為基體材料，采用多功能全方位離子注入機(jī)(PII)進(jìn)行Ti-O-Ti-N梯度膜的制備，其制備過程如下第一步氮離子注入將鈦合金關(guān)節(jié)頭打磨拋光至表面粗糙度Ra＜0.02μm，用酒精超聲清洗后放入全方位離子注入機(jī)(PII)中進(jìn)行注入，注入工藝參數(shù)為注入能量30～50Kev；注入劑量1～5×1017/cm2；注入靶溫600～700℃；真空度5×10-2Pa；微波功率100w；脈沖頻率400Hz；脈寬50μS；第二步氧離子注入將注氮后的樣品再注入氧離子，注入工藝參數(shù)為注入能量30～50Kev；注入劑量1～5×1018/cm2；注入靶溫室溫～100℃；真空度1.5×10-1Pa；微波功率100w；脈沖頻率400Hz；脈寬50μS。兩步離子注入后可得到Ti-O-Ti-N梯度膜人工關(guān)節(jié)。
實(shí)例2
選用醫(yī)用Ti-6Al-4V合金為基體材料，采用多功能全方位離子注入機(jī)(PII)進(jìn)行Ti-O-Ti-N梯度膜的制備，其制備過程如下第一步氮離子注入將鈦合金關(guān)節(jié)頭打磨拋光至表面粗糙度Ra＜0.02μm，用酒精超聲清洗后進(jìn)行注入，注入工藝參數(shù)為注入能量30～50Kev；注入劑量5～10×1017/cm2；注入靶溫600～700℃；真空度5×10-2Pa；微波功率100w；脈沖頻率400Hz；脈寬50μS；第二步氧離子注入將注氮后的樣品再注入氧離子，注入工藝參數(shù)為注入能量30～50Kev；注入劑量5～10×1018/cm2；注入靶溫室溫～100℃；真空度1.5×10-1Pa；微波功率100w；脈沖頻率400Hz；脈寬50μS。兩步離子注入后可得到Ti-O-Ti-N梯度膜人工關(guān)節(jié)。
實(shí)例3選用醫(yī)用Ti-6Al-4V合金為基體材料，采用多功能全方位離子注入機(jī)(PII)進(jìn)行Ti-O-Ti-N梯度膜的制備，其制備過程如下第一步氮離子注入將鈦合金關(guān)節(jié)頭打磨拋光至表面粗糙度Ra＜0.02μm，用酒精超聲清洗后進(jìn)行注入，注入工藝參數(shù)為注入能量30～50Kev；注入劑量5～10×1017/cm2；注入靶溫600～700℃；真空度5×10-2Pa；微波功率100w；脈沖頻率400Hz；脈寬50μS；第二步氧離子注入將注氮后的樣品再注入氧離子，注入工藝參數(shù)為注入能量30～50Kev；注入劑量1～5×1018/cm2；注入靶溫200～300℃；真空度2.5×10-1Pa；微波功率100w；脈沖頻率400Hz；脈寬25μS。兩步離子注入后可得到Ti-O-Ti-N梯度膜人工關(guān)節(jié)。
實(shí)例4選用醫(yī)用Ti-6Al-4V合金為基體材料，采用多功能全方位離子注入機(jī)(PII)進(jìn)行Ti-O-Ti-N梯度膜的制備，其制備過程如下第一步氮離子注入將鈦合金關(guān)節(jié)頭打磨拋光至表面粗糙度Ra＜0.02μm，用酒精超聲清洗后進(jìn)行注入，注入工藝參數(shù)為注入能量30～50Kev；注入劑量1～5×1017/cm2；注入靶溫600～700℃；真空度5×10-2Pa；微波功率100w；脈沖頻率400Hz；脈寬50μS；第二步氧離子注入將注氮后的樣品再注入氧離子，注入工藝參數(shù)為注入能量30～50Kev；注入劑量5～10×1018/cm2；注入靶溫200～300℃；真空度2.5×10-1Pa；微波功率100w；脈沖頻率400Hz；脈寬25μS。兩步離子注入后可得到Ti-O-Ti-N梯度膜人工關(guān)節(jié)。
權(quán)利要求
1.一種鈦合金人工關(guān)節(jié)頭表面氧化鈦至氮化鈦梯度耐磨層的制法，其步驟為1.1把預(yù)注入的鈦合金關(guān)節(jié)頭樣品打磨拋光至鏡面；1.2采用全方位離子注入機(jī)對(duì)鈦合金關(guān)節(jié)頭先以600~700℃的靶溫，1017~1018/cm2的注入劑量注入氮離子，在鈦合金關(guān)節(jié)頭表面產(chǎn)生深層氮化物彌散強(qiáng)化基底；1.3對(duì)步逐2高靶溫注氮的鈦合金關(guān)節(jié)頭樣品再用全方位離子注入機(jī)，以室溫~300℃的靶溫，1018~1019/cm2的注入劑量注入氧離子，這樣在鈦合金關(guān)節(jié)頭表面形成Ti-O-Ti-N梯度膜；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鈦合金人工關(guān)節(jié)頭表面氧化鈦至氮化鈦梯度耐磨層的制法，其特征在于鈦合金關(guān)節(jié)頭打磨拋光至表面粗糙度Ra＜0.02μm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈦合金人工關(guān)節(jié)頭表面氧化鈦至氮化鈦梯度耐磨層的制法，其特征在于離子注入機(jī)為PII全方位離子注入機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈦合金人工關(guān)節(jié)頭表面氧化鈦至氮化鈦梯度耐磨層的制法，其特征在于注入能量為30～50Kev。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的鈦合金人工關(guān)節(jié)頭表面氧化鈦至氮化鈦梯度耐磨層的制法，其特征在于注入真空度為2.5～5×10-2Pa；脈沖頻率400Hz，脈寬25～50μS。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的鈦合金人工關(guān)節(jié)頭表面氧化鈦至氮化鈦梯度耐磨層的制法，其特征在于微波功率100w。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種鈦合金人工關(guān)節(jié)頭表面氧化鈦至氮化鈦梯度耐磨層的制法。其特征在于采用兩步全方位離子注入的方法使鈦合金表面形成氧化鈦—氮化鈦梯度膜，先把預(yù)注入的鈦合金關(guān)節(jié)頭樣品打磨拋光至鏡面，用全方位離子注入機(jī)對(duì)鈦合金關(guān)節(jié)頭先高靶溫注入氮離子，靶溫600～700℃，注入劑量10
文檔編號(hào)A61L27/30GK1715439SQ20041004115
公開日2006年1月4日 申請(qǐng)日期2004年7月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月2日
發(fā)明者熊黨生 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)