專利名稱：帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關(guān)節(jié)及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鈦合金人工髖關(guān)節(jié)及其制造方法。
背景技術(shù)：
人工髖關(guān)節(jié)置換術(shù)已成為治療髖關(guān)節(jié)疾病的一種有效的治療方法。但在 人體正?；顒?dòng)時(shí)，由于力學(xué)載荷及相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摩擦作用下，股骨頭植入體通 常會(huì)產(chǎn)生磨損或?qū)е聦?duì)偶關(guān)節(jié)軟骨的磨損。陶瓷股骨頭雖然耐磨性能好，但 韌性低質(zhì)脆，承受沖擊載荷性能差，應(yīng)用受到限制。鈦合金具有優(yōu)良的生物 相容性，作為股骨頭材料正在被應(yīng)用，但其硬度低，耐磨性差。授權(quán)公告號(hào)
為CN86202828、授權(quán)公告日為1987年9月2日的實(shí)用新型專利公開的《寬 束混合離子注入鈦合金人工全髖關(guān)節(jié)》用寬束混合離子OT+N^)在能量為 50KeV 100KeV、劑量為1016/cm2 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；授權(quán)公告號(hào)為CN1715439A、授權(quán)公告 日為2006年1月4日的發(fā)明專利公開的《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》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，耙溫為600。C 700。C，注入劑量為1017/cm2 1018/cm2;然后對(duì)第一 步注入的樣品再高劑量注入氧離子，靶溫為室溫 30(TC，注入劑量為 1018/cm2 1019/cm2，得表面氧化鈦一氮化鈦梯度膜鈦合金關(guān)節(jié)頭樣品。以上 兩個(gè)專利采用離子注入制備的硬質(zhì)薄膜均增強(qiáng)了股骨頭的耐磨性，減輕了軟 骨材料(UHMWPE)的磨損。但是上述帶有薄膜層的股骨頭存在薄膜厚度薄、 薄膜與基體結(jié)合強(qiáng)度低、力學(xué)承載能力差和耐磨持久穩(wěn)定性差的缺陷。因此 在使用要求苛刻的股骨頭上難以獲得良好的應(yīng)用效果。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的帶有薄膜層的股骨頭存在薄膜厚度薄、 薄膜與基體結(jié)合強(qiáng)度低、力學(xué)承載能力差和耐磨持久穩(wěn)定性差的問題，進(jìn)而 提供了一種帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關(guān)節(jié)及其制造方法。
本發(fā)明的帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關(guān)節(jié)包括鈦合金股骨頭和與其
對(duì)偶配合的鈦合金髖杯，所述髖關(guān)節(jié)還包括耐磨陶瓷涂層，所述耐磨陶瓷涂 層涂覆在鈦合金股骨頭的球面上和鈦合金髖杯的表面上，所述鈦合金股骨頭 的上端面上開有與股柄配合連接的圓柱形槽。
本發(fā)明的帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關(guān)節(jié)的制造方法是這樣完成 的步驟一、把預(yù)陶瓷化處理的鈦合金股骨頭和鈦合金髖杯分別打磨拋光至 鏡面，將兩個(gè)夾具分別裝卡在鈦合金股骨頭上端面上的圓柱形槽的底面上和 鈦合金髖杯上，并將鈦合金股骨頭上端面上的圓柱形槽用絕緣屏蔽物件填充， 同時(shí)將一根陽(yáng)極接觸線埋置在絕緣屏蔽物件內(nèi)，且陽(yáng)極接觸線與圓柱形槽底
面上的夾具相連接，另一根陽(yáng)極接觸線與鈦合金髖杯上的夾具相連接；步驟
二、將夾裝好的鈦合金股骨頭和鈦合金髖杯作為陽(yáng)極，分別置于電解液中進(jìn) 行火花增強(qiáng)電化學(xué)氧化，不銹鋼板作為陰極，在氧化過程中通過冷卻系統(tǒng)控
制電解液的溫度〈50。C，采用雙極脈沖電源以鈦合金表面的擊穿放電產(chǎn)生耐 磨陶瓷涂層，涂層的厚度為6pm 4(^m;步驟三、將帶耐磨陶瓷涂層的鈦合 金股骨頭和鈦合金髖杯取出，并拆除絕緣屏蔽物件、夾具和陽(yáng)極接觸線；步 驟四、清洗帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金股骨頭和鈦合金髖杯；步驟五、干燥帶 耐磨陶瓷涂層的鈦合金股骨頭和鈦合金髖杯；步驟六、對(duì)帶耐磨陶瓷涂層的 鈦合金股骨頭和鈦合金髖杯進(jìn)行表面拋光處理，去除最外表面多孔疏松層， 得到光滑陶瓷涂層，涂層的厚度為5pm 30ium。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果 一、本發(fā)明帶有耐磨陶瓷涂 層的鈦合金股骨頭，其表面氧化鈦陶瓷涂層，增強(qiáng)股骨頭的耐磨性，又改善 生物相容性與耐腐蝕性能，本發(fā)明用帶耐磨陶瓷層的鈦合金股骨頭替代 Co-Cr-Mo合金股骨頭，避免了鈦合金股柄與Co-Cr-Mo合金股骨頭異種金屬 間因電位差導(dǎo)致的電偶腐蝕問題，本發(fā)明與股骨頭對(duì)偶的鈦合金髖杯也采用 鈦合金，同樣其外表面生長(zhǎng)陶瓷涂層，兩對(duì)偶表面均生長(zhǎng)納米氧化鈦生物陶 瓷，氧化鈦本身減摩性好，另外，氧化鈦涂層與關(guān)節(jié)液潤(rùn)濕性好，表面些微 的凹坑有利于存儲(chǔ)潤(rùn)滑液，改善對(duì)偶摩擦表面的接觸潤(rùn)滑狀態(tài)，有效降低關(guān) 節(jié)摩擦對(duì)副的磨損，延長(zhǎng)股骨頭及鈦合金髖杯植體的使用壽命；二、本發(fā)明 帶有耐磨陶瓷涂層的鈦合金股骨頭與鈦合金髖杯，其表面氧化鈦陶瓷涂層的 制備方法為電化學(xué)氧化法，是將球形不規(guī)則形狀的股骨頭或鈦合金髖杯置于
電解液中，通過表面均勻火花放電作用原位產(chǎn)生陶瓷涂層，涂層生長(zhǎng)均勻且
不受尺寸與形狀的限制；三、本發(fā)明帶有耐磨陶瓷涂層的鈦合金股骨頭與鈦 合金髖杯，其外表面陶瓷涂層經(jīng)磨拋處理后，致密光滑的內(nèi)工作層厚度為5~30 微米，承載能力高，且明顯降低摩擦系數(shù)，無陶瓷涂層的股骨頭表面摩擦測(cè) 試后表面磨痕與梨溝很多，而帶陶瓷層的表面非常光滑無磨損痕跡，本發(fā)明 帶有耐磨陶瓷涂層的鈦合金關(guān)節(jié)可有效減小摩擦對(duì)偶表面的磨損；四、電化 學(xué)氧化生長(zhǎng)陶瓷涂層工藝潔凈且無污染，對(duì)制品力學(xué)性能無損傷，工藝允許 一次性處理累積大面積制品，因此能實(shí)現(xiàn)批量股骨頭一次生產(chǎn)，生長(zhǎng)的陶瓷 涂層只需表面磨拋處理后即可使用，工藝流程簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用。


圖1是本發(fā)明的帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關(guān)節(jié)的整體結(jié)構(gòu)示意圖， 圖2是本發(fā)明電化學(xué)氧化鈦合金股骨頭在電解槽中裝卡示意圖，圖3是本發(fā) 明電化學(xué)氧化鈦合金髖杯在電解槽中裝卡示意圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式包括鈦合金股 骨頭5和與其對(duì)偶配合的鈦合金髖杯4，所述髖關(guān)節(jié)還包括耐磨陶瓷涂層2， 所述耐磨陶瓷涂層2涂覆在鈦合金股骨頭5的球面上和鈦合金髖杯4的表面 上，所述鈦合金股骨頭5的上端面上開有與股柄配合連接的圓柱形槽3。
具體實(shí)施方式
二結(jié)合圖2和圖3說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式的帶耐 磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關(guān)節(jié)的制造方法是這樣完成的步驟一、把預(yù)陶 瓷化處理的鈦合金股骨頭5和鈦合金髖杯4分別打磨拋光至鏡面，將兩個(gè)夾 具7分別裝卡在鈦合金股骨頭5上端面上的圓柱形槽3的底面上和鈦合金髖 杯4上，并將鈦合金股骨頭5上端面上的圓柱形槽3用絕緣屏蔽物件8填充， 同時(shí)將一根陽(yáng)極接觸線6埋置在絕緣屏蔽物件8內(nèi)，且陽(yáng)極接觸線6與圓柱 形槽3底面上的夾具7相連接，另一根陽(yáng)極接觸線6與鈦合金髖杯4上的夾 具7相連接；步驟二、將夾裝好的鈦合金股骨頭5和鈦合金髖杯4作為陽(yáng)極， 分別置于電解液9中進(jìn)行火花增強(qiáng)電化學(xué)氧化，不銹鋼板作為陰極，在氧化 過程中通過冷卻系統(tǒng)控制電解液9的溫度〈50。C，采用雙極脈沖電源以鈦合 金表面的擊穿放電產(chǎn)生耐磨陶瓷涂層2，涂層的厚度為6pm 4(Him;步驟三、 將帶耐磨陶瓷涂層2的鈦合金股骨頭5和鈦合金髖杯4取出，并拆除絕緣屏 蔽物件8、夾具7和陽(yáng)極接觸線6;步驟四、清洗帶耐磨陶瓷涂層2的鈦合金 股骨頭5和鈦合金髖杯4;步驟五、干燥帶耐磨陶瓷涂層2的鈦合金股骨頭5 和鈦合金髖杯4;步驟六、對(duì)帶耐磨陶瓷涂層2的鈦合金股骨頭5和鈦合金髖 杯4進(jìn)行表面拋光處理，去除最外表面多孔疏松層，得到光滑陶瓷涂層，涂 層的厚度為5|um 30|Lim。
具體實(shí)施方式
三結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方 式二的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式在步驟一中所述夾具7由鋁合金或鈦合金材料 制成。使得夾具與鈦合金股骨頭5和鈦合金髖杯4緊密接觸，避免了在高壓 放電情況下因接觸不良導(dǎo)致接觸點(diǎn)燒蝕。
具體實(shí)施方式
四結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方 式二的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式在步驟二中所述電解液9由含鈣或含磷的電解 質(zhì)與去離子水配制而成，所述電解質(zhì)與去離子水的質(zhì)量配比為(5 50): 1000， 含鈣電解質(zhì)為醋酸鈣或草酸鈣；含磷電解質(zhì)為磷酸二氫鈉、磷酸氫鈉、六偏 磷酸鈉或甘油磷酸鈉。上述電解質(zhì)不含對(duì)人體有害離子，通過微弧放電進(jìn)入 涂層中的這些含鈣和磷物質(zhì)具生物相容性。
具體實(shí)施方式
五結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方 式四的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式在步驟二中所述電解液9由含鈣或含磷的電解
質(zhì)、pH值調(diào)節(jié)劑與去離子水配制而成，所述電解質(zhì)、pH值調(diào)節(jié)劑與去離子 水的質(zhì)量配比為(2 10): 1000，含鈣電解質(zhì)可以為醋酸鈣或草酸鈣；含磷電 解質(zhì)可以為磷酸二氫鈉、磷酸氫鈉、六偏磷酸鈉或甘油磷酸鈉，pH值調(diào)節(jié)劑 為NaOH。調(diào)整電解液的pH值。
具體實(shí)施方式
六結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方 式二的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式在步驟二中所述雙極脈沖電源的脈沖電壓為400 V 600V，頻率為400 Hz 800Hz，占空比為4% 20%。電參數(shù)控制在上 述范圍內(nèi)，微弧放電均勻，涂層生長(zhǎng)速度快、質(zhì)量好。
具體實(shí)施方式
七結(jié)合圖2說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與具體實(shí)施方 式二的不同點(diǎn)是本實(shí)施方式在步驟六中所述耐磨陶瓷涂層2的表面粗糙度 Ra為0.4)im 0.6pm。致密光滑的涂層明顯降低摩擦系數(shù)，提高鈦合金股骨 頭與鈦合金髖杯對(duì)偶表面的耐磨性能，延長(zhǎng)植入體的使用壽命。
權(quán)利要求
1、一種帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關(guān)節(jié)，它包括鈦合金股骨頭(5)和與其對(duì)偶配合的鈦合金髖杯(4)，其特征在于所述髖關(guān)節(jié)還包括耐磨陶瓷涂層(2)，所述耐磨陶瓷涂層(2)涂覆在鈦合金股骨頭(5)的球面上和鈦合金髖杯(4)的表面上，所述鈦合金股骨頭(5)的上端面上開有與股柄配合連接的圓柱形槽(3)。
2、 一種帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關(guān)節(jié)的制造方法，其特征在于所 述方法的步驟為步驟一、把預(yù)陶瓷化處理的鈦合金股骨頭(5)和鈦合金髖杯 (4)分別打磨拋光至鏡面，將兩個(gè)夾具(7)分別裝卡在鈦合金股骨頭(5)上端面上 的圓柱形槽(3)的底面上和鈦合金髖杯(4)上，并將鈦合金股骨頭(5)上端面上的 圓柱形槽(3)用絕緣屏蔽物件(8)填充，同時(shí)將一根陽(yáng)極接觸線(6)埋置在絕緣屏 蔽物件(8)內(nèi)，且陽(yáng)極接觸線(6)與圓柱形槽(3)底面上的夾具(7)相連接，另一根 陽(yáng)極接觸線(6)與鈦合金髖杯(4)上的夾具(7)相連接；步驟二、將夾裝好的鈦合 金股骨頭(5)和鈦合金髖杯(4)作為陽(yáng)極，分別置于電解液(9)中進(jìn)行火花增強(qiáng)電 化學(xué)氧化，不銹鋼板作為陰極，在氧化過程中通過冷卻系統(tǒng)控制電解液(9)的 溫度<50°(3，采用雙極脈沖電源以鈦合金表面的擊穿放電產(chǎn)生耐磨陶瓷涂層 (2)，涂層的厚度為6pm 40|im;步驟三、將帶耐磨陶瓷涂層(2)的鈦合金股骨 頭(5)和鈦合金髖杯(4)取出，并拆除絕緣屏蔽物件(8)、夾具(7)和陽(yáng)極接觸線(6); 步驟四、清洗帶耐磨陶瓷涂層(2)的鈦合金股骨頭(5)和鈦合金髖杯(4);步驟五、 干燥帶耐磨陶瓷涂層(2)的鈦合金股骨頭(5)和鈦合金髖杯(4);步驟六、對(duì)帶耐 磨陶瓷涂層(2)的鈦合金股骨頭(5)和鈦合金髖杯(4)進(jìn)行表面拋光處理，去除最 外表面多孔疏松層，得到光滑陶瓷涂層，涂層的厚度為5vim 30nm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關(guān)節(jié)的制造方法， 其特征在于在步驟一 中所述夾具(7)由鋁合金或鈦合金材料制成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關(guān)節(jié)的制造方法， 其特征在于在步驟二中所述電解液(9)由含鈣或含磷的電解質(zhì)與去離子水配 制而成，所述電解質(zhì)與去離子水的質(zhì)量配比為(5~50) :1000，含^電解質(zhì)為 醋酸鈣或草酸鈣；含磷電解質(zhì)為磷酸二氫鈉、磷酸氫鈉、六偏磷酸鈉或甘油 磷酸鈉。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關(guān)節(jié)的制造方法， 其特征在于在步驟二中所述電解液(9)由含鈣或含磷的電解質(zhì)、pH值調(diào)節(jié)劑 與去離子水配制而成，所述電解質(zhì)與去離子水的質(zhì)量配比為(5~50) :1000, 所述pH值調(diào)節(jié)劑與去離子水的質(zhì)量配比為(2~10) :1000,含鈣電解質(zhì)可以 為醋酸鈣或草酸鈣；含磷電解質(zhì)可以為磷酸二氫鈉、磷酸氫鈉、六偏磷酸鈉 或甘油磷酸鈉，pH值調(diào)節(jié)劑為NaOH。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關(guān)節(jié)的制造方法， 其特征在于在步驟二中所述雙極脈沖電源的脈沖電壓為400V 600V,頻 率為400 Hz 800Hz，占空比為4% 20%。
7、 根據(jù)權(quán)利要求2所述帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關(guān)節(jié)的制造方法， 其特征在于在步驟六中所述耐磨陶瓷涂層(2)的表面粗糙度Ra為0.4j_im
全文摘要
帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關(guān)節(jié)及其制造方法，它涉及一種鈦合金人工髖關(guān)節(jié)及其制造方法。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的帶有薄膜層的股骨頭存在薄膜厚度薄、薄膜與基體結(jié)合強(qiáng)度低、力學(xué)承載能力差和耐磨持久穩(wěn)定性差的問題。本發(fā)明的耐磨陶瓷涂層涂覆在鈦合金股骨頭的球面上和鈦合金髖杯的表面上，鈦合金股骨頭的上端面上開有與股柄配合連接的圓柱形槽；本發(fā)明的方法是對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行拋光、屏蔽和裝卡；然后對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行火花增強(qiáng)電化學(xué)氧化產(chǎn)生耐磨陶瓷涂層，再取出關(guān)節(jié)、清洗并干燥；最后進(jìn)行關(guān)節(jié)表面拋光處理。本發(fā)明的人工髖關(guān)節(jié)具有股骨頭薄膜厚度厚、薄膜與基體結(jié)合強(qiáng)度高、力學(xué)承載能力好和耐磨持久穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明的制造方法工藝流程簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)A61F2/32GK101347358SQ200810137090
公開日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月10日
發(fā)明者玉 周, 毅 王, 王亞明, 王長(zhǎng)利, 賈德昌 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)