專利名稱：提高金屬表面擴(kuò)散率的方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及提高金屬表面擴(kuò)散率的方法及其應(yīng)用。具體而言，本發(fā)明涉及結(jié)合機(jī) 械方法和化學(xué)方法的表面處理方法，其中機(jī)械方法增加表面的擴(kuò)散率而化學(xué)方法形成化學(xué) 改性的表面層用于改善適于特定應(yīng)用(尤其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域)的金屬材料的性質(zhì)。
背景技術(shù)：
不銹鋼在日常生活和工業(yè)中被廣泛使用。例如，不銹鋼被廣泛用于生物醫(yī)藥行業(yè) 以制造整形外科植入物、牙齒植入物和其他一些植入物，例如骨板、人造髖關(guān)節(jié)、骨髓內(nèi)釘 等等，參見美國專利第4，964，925號、第4，718，908號和第4，775，426號。然而，眾所周知， 不銹鋼具有它的缺點(diǎn)。因為不銹鋼的表面硬度低，植入物在體內(nèi)的耐磨性差。差的耐磨性 可破壞植入物的固定并且磨損產(chǎn)物對宿主組織有害。此外，不銹鋼具有低耐孔蝕性，尤其在 含有Cl—的溫?zé)岬暮}體液中。為了克服不銹鋼的一些弱點(diǎn)，美國專利第5，205，921號和第 5，482，731號描述了兩個工藝以在金屬植入物設(shè)備上涂覆用于金屬植入物設(shè)備生物活性結(jié) 合的生物活性磷酸鈣涂層。美國專利第5，057，108號公開了一種用于不銹鋼整形外科植入 物設(shè)備的表面處理工藝，其中，在兩個噴砂處理步驟、電拋光和鈍化作用之后，形成了重冷 作外層，所述外層提高了所述設(shè)備的疲勞性能。在另一個生物醫(yī)藥領(lǐng)域中，隨著介入治療方法的快速發(fā)展，由于NiTi形狀記憶合 金絲材極好的機(jī)械性能、強(qiáng)的形狀記憶效果、超彈性性質(zhì)、適度良好的耐化學(xué)性以及生物相 容性，NiTi形狀記憶合金絲材被廣泛用于生產(chǎn)心血管植入物、氣管植入物、食管植入物以及 其他一些植入物，參見美國專利第6，375，458號、第6，224，625號、第5，882，444號、中國專 利第02124291. 7號、第02240165. 2號，等等。這些植入物的廣泛應(yīng)用意味著生物相容性方 面的兩個關(guān)注問題。第一，植入之后，可能有不利的組織反應(yīng)，這表明MTi絲材的生物相容 性不理想并且需要進(jìn)一步改善。第二，NiTi植入物中有害的Ni+向外擴(kuò)散，已發(fā)現(xiàn)在人體 內(nèi)持久使用MTi植入物是致癌的，造成潛在的健康問題。美國專利第7，000, 305號描述了 熱定型之后用膨脹的含氟聚合物涂覆MTi絲材或其他一些絲材以降低血小板粘附于支架 的工藝。在本領(lǐng)域所公開的內(nèi)容中，未發(fā)現(xiàn)在MTi絲材上具有良好的血液相容性的其他無 機(jī)涂層(例如，二氧化鈦或碳涂層)。通過加入不同于底層材料(例如，不銹鋼或NiTi)的 單獨(dú)涂覆材料層不是改性金屬表面的理想方法，因此需要換個方向考慮不同的方案。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種新型表面改性方法，該方法不依賴于金屬表 面上的單獨(dú)涂層來提高不銹鋼的硬度和耐腐蝕性能并且減少M(fèi)從MTi金屬絲材中的釋 放。本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于對金屬表面進(jìn)行機(jī)械再加工的自動設(shè)備。本發(fā)明上述目的和其他目的由下述方法實(shí)現(xiàn)通過提供將機(jī)械方法和化學(xué)方法相 結(jié)合的方法來提高金屬表面的物理和化學(xué)性能以使其適合于特定的目的，例如用于作為植 入物的應(yīng)用。實(shí)質(zhì)上，本發(fā)明使用機(jī)械工藝以提高待處理金屬表面的擴(kuò)散率，然后實(shí)施化學(xué)工藝以從物理上和化學(xué)上改變所述表面。所述機(jī)械工藝有助于隨后的所述化學(xué)工藝，以實(shí) 現(xiàn)單獨(dú)的所述機(jī)械工藝和單獨(dú)的所述化學(xué)工藝所無法實(shí)現(xiàn)的效果。認(rèn)為所述機(jī)械工藝形成 特定的納米晶體表面結(jié)構(gòu)，其特征在于超細(xì)晶粒，通常所述超細(xì)晶粒在至少一個維度上的 尺寸小于lOOnm。不受理論的束縛，納米晶體表面結(jié)構(gòu)可以用作觀察到的表面擴(kuò)散率提高 的基礎(chǔ)。已經(jīng)發(fā)明了幾種機(jī)械方法和機(jī)械設(shè)備，用于在金屬片上形成納米量級的微結(jié)構(gòu)層 或納米結(jié)構(gòu)層，如本發(fā)明的發(fā)明人以前的美國專利(7，147，726和7，300，622)中所公開的。 根據(jù)本發(fā)明所產(chǎn)生的表面改性具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)納米結(jié)構(gòu)層直接形成在金屬片的表面上 并且所述層具有與基底相同的材料，因此，納米結(jié)構(gòu)層的密度大且純度高；(2)顆粒尺寸從 納米結(jié)構(gòu)表面層到底層基底具有平滑的過渡，不存在清晰的分界面，能夠避免涂層材料經(jīng) 常遭遇的粘結(jié)問題；以及(3)所述工藝借助機(jī)械方法在空氣中或者在低真空條件下實(shí)施， 因此，避免了使用復(fù)雜的電氣設(shè)備例如用于濺射或蒸發(fā)的設(shè)備以及高真空泵。對于操作環(huán) 境的較低要求有益于在工業(yè)應(yīng)用中處理大型零件。作為特定的實(shí)例，由于經(jīng)處理的不銹鋼的硬度增大，現(xiàn)在較低鎳含量的304不銹 鋼可代替通常在植入物中使用的316不銹鋼。而且，設(shè)計了新型表面處理設(shè)備，使得其能夠容納具有復(fù)雜形狀和大尺寸的金屬 醫(yī)用植入物。在形成本公開的一部分的權(quán)利要求書中，非常詳細(xì)地指出了描述本發(fā)明特性的新 穎性的各個特征。為了更好地理解本發(fā)明、其操作優(yōu)點(diǎn)，以及通過其使用所實(shí)現(xiàn)的特定目 的，應(yīng)當(dāng)參看附圖和下面的描述，其中示例和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。


圖IA表示用于在不銹鋼骨髓內(nèi)釘上通過轟擊形成納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備示意圖；圖IB表示圖IA中的設(shè)備在不帶腔室蓋子和球體的情況下的俯視圖；圖2A表示用于在長的不銹鋼骨板上通過轟擊形成納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備示意圖；圖2B表示用于在兩塊短的不銹鋼骨板上通過轟擊形成納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備示意圖；圖3A表示圖3B中的設(shè)備蓋子的俯視圖；圖3B表示用于形成納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備示意圖，其中一個空間的頂高可調(diào)節(jié)；圖3C表示圖3B中的設(shè)備的示意圖，其中，兩個人工關(guān)節(jié)通過固定裝置安裝，并且 分別在由柵欄隔開的兩個空間內(nèi)采用轟擊進(jìn)行處理；圖4表示在NiTi絲材上通過轟擊形成納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備和固定裝置；圖5A表示在450°C下等離子氮化的原樣不銹鋼骨板的顯微硬度和根據(jù)本發(fā)明通 過形成納米結(jié)構(gòu)的預(yù)處理以及在450°C下等離子氮化不同時間的不銹鋼骨板的顯微硬度；圖5B表示圖5A中的不銹鋼骨板的氮化物層的厚度；圖5C表示在450°C下等離子氮化的原樣不銹鋼骨板的動電位(potentiodynamic) 掃描圖以及根據(jù)本發(fā)明通過形成納米結(jié)構(gòu)的預(yù)處理和在450°C下等離子氮化不同時間的不 銹鋼骨板的動電位掃描圖；圖6A表示200mm原樣NiTi絲材的氧化鈦厚度以及根據(jù)本發(fā)明通過形成納米結(jié)構(gòu) 3分鐘進(jìn)行預(yù)處理并且在10% H2O2溶液中、80°C氧化24小時的NiTi絲材的氧化鈦厚度；圖6B表示在環(huán)境溫度(20°C至25°C )下將20cm長的圖6A中的NiTi絲材浸泡于50ml 0. 9% NaCl溶液中的Ni的釋放。
具體實(shí)施例方式圖IA表示了在不銹鋼骨髓內(nèi)釘(10)上通過轟擊生成納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備示意圖以及 該設(shè)備在不帶腔室(21)蓋子(20)和球體(22)時的俯視圖。通過螺母(201)將蓋子(20) 緊固于所述腔室。根據(jù)圖1，較長的旋轉(zhuǎn)的不銹鋼植入物(10)上通過轟擊生成納米結(jié)構(gòu)的 原理是通過使用以給定頻率運(yùn)行的兩個超聲波發(fā)生器(23)使球體(22)運(yùn)動，所述超聲波 發(fā)生器(23)置于用于投射出具有完全球形的球體(22)的兩個空間的底部。可選取的音極 (sonotrode) (23)的運(yùn)動幅度為從幾微米至幾百微米。球體(22)從所述音極的運(yùn)動獲取能 量并以不定的和多個入射的角度撞擊旋轉(zhuǎn)著的所述植入物的表面許多次，使得每次撞擊產(chǎn) 生在任一方向上的合金晶粒的彈性形變。接觸所述植入物而失去能量的球體彈回所述音極 以獲取新速度，從所述植入物看去所述速度的方向似乎隨機(jī)，但所述速度的方向由物理定 律確定。如果所述球體失去能量，所述球體沿著所述空間的傾斜底面(24)滑下并被收集和 被再使用。所述植入物的每一端均由夾具(25)安裝，并且所述夾具由插入物(26)固定，所 述插入物由螺母(28)固定于管(27)內(nèi)。所述管由兩個支撐件(29)支撐。電機(jī)(30)的轉(zhuǎn) 動通過齒輪組(32)可以傳遞至位于所述管中部的齒輪(31)。在處理期間所述植入物以給 定速度轉(zhuǎn)動，這樣可以處理整個表面。音極(23)和被處理的植入物(10)之間的距離可通 過調(diào)整所述音極的垂直位置加以控制。在圖1中，僅圖示了用于處理細(xì)長植入物的兩個空 間。在處理更長和更寬的植入物的情形中，空間的數(shù)量和排數(shù)能進(jìn)一步增加。根據(jù)圖2A中所示的實(shí)施方式變體，待處理的植入物可為長骨板(11)。所述植入 物的每一端均由夾具(41)安裝，并且所述夾具由插入物(42)固定，所述插入物(42)固定 于管(27)內(nèi)，在處理期間旋轉(zhuǎn)管(27)。在圖2B中，兩個短骨板(12)連接為長骨板進(jìn)行處 理。其他處理情形類似于圖1所示情形。根據(jù)圖3中所示的另一實(shí)施方式變體，待處理的植入物可為人造髖關(guān)節(jié)(13)。由 于其復(fù)雜的形狀，頭部和柄部在兩個空間內(nèi)分別處理。在這種情形中，所述兩個空間由柵欄 (51)分隔開。所述植入物的未處理部分在處理過程中由凹模(52)握持或僅夾至夾塊。所 述凹?；蛩鰥A塊的垂直位置可由螺母(53)控制。對于大幅度的高度調(diào)節(jié)而言，在工作腔 室的蓋子(20)上通過螺母(55)安裝罩(54)。如果處理過程中所述植入物的垂直尺度過于 大，填入蓋子的孔的板(56)可被模具(52)或連接至所述植入物的夾塊替換。在圖3C中， 左側(cè)的人造髖關(guān)節(jié)在處理過程中可以以給定速度旋轉(zhuǎn)。其他處理情形類似于圖1中所示的 情形。圖4表示了在NiTi絲材的卷上通過轟擊生成納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備和固定裝置。左側(cè) 固定裝置(14)能釋放和收集NiTi絲材(15)，右側(cè)固定裝置(16)反轉(zhuǎn)所述絲材的運(yùn)動方 向。最初的絲材從左側(cè)固定裝置的上卷軸(61)釋放出來，并且下卷軸(62)由電機(jī)(63)驅(qū) 動以收集處理后的絲材。電機(jī)(63)的動力由左側(cè)固定裝置(14)上的兩個金屬環(huán)(64)提 供，所述金屬環(huán)與固定在座臺(33)上的兩個彈性電極(65)接觸。滑片(66)通過彈簧壓于 上卷軸(61)的輪緣以對所述絲材施加可調(diào)的張應(yīng)力。所述兩個固定裝置和填充物(67)固 定于管(27)，所述管在處理過程中以給定速度旋轉(zhuǎn)。在圖4中，所述絲材的片段借助輥輪 組(68)通過工作腔室兩次，因此處理時間加倍。通過進(jìn)一步折疊所述絲材可以增加處理時間，例如三倍或更多倍。通過所述絲材通過所述腔室的次數(shù)X(單個空間的寬度X所述空 間的數(shù)量/所述絲材的線性移動速度)計算所述絲材的片段的總處理時間。其他處理情形 類似于圖1中所示的情形。所述設(shè)備不限于上述的實(shí)施方式，而是包括通過機(jī)械方法在金屬植入物上生成納 米結(jié)構(gòu)層的所有可能的實(shí)施方式。選取參數(shù)以根據(jù)本發(fā)明在植入物上生成納米結(jié)構(gòu)的基本原理在于所述球體的動 能越大，底層內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力水平越高。動能上限具體由加熱和所述球體的機(jī)械強(qiáng)度和構(gòu)成 所述植入物的材料的機(jī)械強(qiáng)度確定，所述加熱由在被處理的表面撞擊過程中這種動能的釋 放所導(dǎo)致。所述球體的硬度起作用，尤其是在從所述球體向所述植入物的表面的動能傳遞 中。經(jīng)驗表明，所使用的球體的直徑越大(在大約幾百微米至幾毫米的尺度范圍內(nèi))，所獲 得的納米結(jié)構(gòu)層越大。同樣，處理時間與確定納米結(jié)構(gòu)的厚度有關(guān)。已經(jīng)注意到在給定的時間值(該值 會有所不同并依賴于所述球體的尺寸)內(nèi)，所用時間越長，納米結(jié)構(gòu)層的厚度越厚，直至對 應(yīng)于飽和并且納米層厚度不能再發(fā)生變化的時刻。這一給定值或者由經(jīng)驗獲得，或者從給 定材料的數(shù)學(xué)模型得到。然而，當(dāng)時間超出所述給定時間后，所述納米結(jié)構(gòu)層的厚度減少。 這一現(xiàn)象歸因于下述事實(shí)所述球體對處理過的表面撞擊產(chǎn)生熱量的釋放，所述熱量的釋 放對材料加熱。從某閾值開始，所述熱量的結(jié)果是金屬晶粒的尺寸增大。被處理的植入物的轉(zhuǎn)速(例如從0. 5rpm至5rpm)是另一參數(shù)。旋轉(zhuǎn)幫助降低被 處理植入物的局部溫度提升，因為背對音極的一側(cè)的轟擊更少，并且有時間間隔供植入物 釋放熱能。轉(zhuǎn)速越高，單位時間內(nèi)積聚在被處理表面的局部區(qū)域的熱能越少，所述轉(zhuǎn)速應(yīng)較 高以避免轟擊產(chǎn)生的局部過熱。對于具有大尺寸的植入物而言，轉(zhuǎn)速可以較低，但是由局部 溫度快速提升導(dǎo)致的晶粒生長也應(yīng)避免。其他參數(shù)也可能對處理過程中納米結(jié)構(gòu)形成起作用。在使用超聲波發(fā)生器以使球 體運(yùn)動的設(shè)備中，聲波產(chǎn)生的聲壓可影響納米結(jié)構(gòu)生長過程。借助冷卻系統(tǒng)可降低植入物 的溫升從而避免對所述植入物晶粒生長產(chǎn)生的過熱效應(yīng)。所述設(shè)備也可置于惰性氣體環(huán)境 中或真空中以避免被處理的金屬植入物的表面氧化。在植入物的被處理表面上生成納米結(jié)構(gòu)導(dǎo)致在被處理區(qū)域的擴(kuò)散定律的修正。從 本質(zhì)上，金屬晶粒的成倍增加也增加了晶粒間的邊界數(shù)。這些邊界構(gòu)成了讓化合物擴(kuò)散的 納米通道。因此，這些化合物能更深和更完全地滲入植入物的被處理表面，這使得獲得具有 優(yōu)異機(jī)械性能和化學(xué)性能的化合物層成為可能。舉例而言，圖5A和圖5B表示了在450°C下被等離子氮化的原樣不銹鋼骨板和通 過生成納米結(jié)構(gòu)預(yù)處理的骨板的顯微硬度和氮化物層厚度。不銹鋼骨板預(yù)處理0. 5分鐘、 1分鐘、2分鐘、4分鐘、8分鐘、15分鐘和30分鐘。所述原樣骨板(未預(yù)處理骨板)和所述 預(yù)處理骨板分別進(jìn)行等離子氮化30分鐘、60分鐘和120分鐘。在維氏顯微硬度測試儀上 測試IOOgf壓痕力下原樣骨板和被氮化骨板的硬度。在顯微鏡下測量橫截面的氮化厚度。 從圖5A可以看出等離子氮化骨板的硬度高于原樣骨板的硬度，所述原樣骨板的硬度僅為 253Hv。在4分鐘之前硬度值隨預(yù)處理時間而升高，并且所述硬度值在1分鐘表面機(jī)械研磨 處理(也稱表面納米化，簡稱SMAT)之后接近或超過ΙΟΟΟΗν。在相同的預(yù)處理時間，硬度值 隨氮化時間的增加而升高。預(yù)處理顯著地增加了氮化層的厚度。例如，未預(yù)處理的骨板的氮化層厚度僅為8. 5mm，而預(yù)處理30分鐘的骨板在等離子氮化120分鐘后氮化層厚度增加 為16.3mm。既然氮化層有比不銹鋼基底更高的硬度，有理由相信預(yù)處理骨板相比未預(yù)處理 骨板在等離子氮化后具有更高的硬度。因此生成的具有高硬度的納米結(jié)構(gòu)層對提升植入物 的耐磨性和疲勞壽命有益。實(shí)際上，納米結(jié)構(gòu)的存在，具體而言是納米擴(kuò)散通道的存在，讓化合物更快速地擴(kuò) 散進(jìn)入金屬器件的表面層。上述結(jié)果證實(shí)了在通過生成納米結(jié)構(gòu)預(yù)處理的不銹鋼骨板上生 長氮化物層要快于在未預(yù)處理的骨板上生長氮化物，也即加速了氮化動力學(xué)過程。此外，光 學(xué)顯微鏡觀察表明預(yù)處理的骨板的氮化層比未預(yù)處理的骨板的氮化層要更為均勻和致密。圖5C表示450°C經(jīng)120分鐘等離子體氮化的原樣不銹鋼骨板的動電位掃描圖和根 據(jù)本發(fā)明通過形成納米結(jié)構(gòu)預(yù)處理和450°C經(jīng)120分鐘等離子體氮化的板的動電位掃描曲 線。環(huán)境條件下，在50ml0. 9% NaCl溶液中用0. 5cm2試驗面積執(zhí)行腐蝕試驗。原樣板具有 0. 31V的擊穿電壓并且試驗后具有腐蝕凹，所述腐蝕凹表明耐孔蝕性低。通過比較電位-電 流曲線和顯微觀察，可以看出，通過0. 5分鐘至4分鐘預(yù)處理和120分鐘等離子氮化處理的 板表現(xiàn)出良好的耐孔蝕性；但是通過8分鐘至30分鐘預(yù)處理以及120分鐘等離子氮化的樣 品表現(xiàn)出全腐蝕。因此，通過0. 5分鐘至4分鐘預(yù)處理和等離子氮化的不銹鋼植入物具有 高表面硬度和良好的耐凹腐蝕性。圖6A表示200mm原樣NiTi絲材的氧化層厚度以及通過經(jīng)3分鐘生成納米結(jié)構(gòu)的 預(yù)處理的和80°C經(jīng)24小時在10% H2O2溶液中氧化的絲材的氧化層厚度。由此可見，NiTi 絲材上自然的氧化鈦層確實(shí)薄，僅約50nm。該厚度由DSIMS(動態(tài)二級離子質(zhì)譜)曲線確 定。氧化鈦層形成是由于Ti較Ni具有更高的0親和性。在H2O2溶液中，0原子富集于NiTi 絲材表面，并且合金基底中的Ti原子可向外擴(kuò)散至表面依據(jù)強(qiáng)化學(xué)驅(qū)動力以形成氧化鈦 化合物，留下富有Ni的亞層(sub-layer)。由于氧化鈦層和基底在本質(zhì)上不同，厚的氧化 鈦層可導(dǎo)致系統(tǒng)的裂紋和結(jié)合問題。通過改變氧化參數(shù)可調(diào)節(jié)氧化鈦厚度。如圖6A所示 的氧化鈦厚度是最佳厚度，根據(jù)我們的經(jīng)驗該厚度不導(dǎo)致層開裂或?qū)觿冸x。所述氧化鈦層 可作為防護(hù)物起作用以阻止絲材植入物中Ni原子向外擴(kuò)散至周圍體液。由圖6B示例該效 果，其代表在環(huán)境溫度(20°C至25°C)下，圖6A的20cm長的NiTi絲材在浸泡6個月之后 50ml0.9% NaCl溶液中的Ni釋放。通過原子吸收光譜測量溶液中Ni含量。Ni釋放減低， 從原樣絲材的26ppb減少至已處理絲材的僅5ppb。有害Ni離子的釋放降低有助于改善由 NiTi絲材制成的支架植入物的生物相容性。同時，NiTi絲材的抗腐蝕性的增加有利于人體 內(nèi)支架植入物的穩(wěn)定性，人體是多方面結(jié)合的復(fù)雜環(huán)境。設(shè)備實(shí)施例在金屬植入物上生成給定的厚度納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備包括可分為多個空間的工作腔 室，用于在每個空間中使給定量的給定尺寸的具有完全球形的球體以給定速度運(yùn)動持續(xù)的 給定時間的裝置、用于在每個空間中連續(xù)反復(fù)使用所述球體的裝置以及用于安裝植入物和 以給定速度旋轉(zhuǎn)植入物以在相同碰撞點(diǎn)獲得可變?nèi)肷浣嵌鹊难b置，這樣所述碰撞點(diǎn)成群地 覆蓋整個植入物的表面。用于金屬植入物表面改性的方法包括在密封腔室中形成保護(hù)性化 合物層或在給定條件的化學(xué)溶液中通過使用納米結(jié)構(gòu)層的高擴(kuò)散性質(zhì)來形成保護(hù)化合物 層。在另一種實(shí)施方式中，工作腔室具有兩個空間，用柵欄分隔所述空間并且至少一個空間具有可調(diào)節(jié)的頂高。在另一種實(shí)施方式中，用于使所述球體運(yùn)動的裝置包括每個空間底部的超聲波發(fā) 生器，該超聲波發(fā)生器導(dǎo)致所述球體以隨機(jī)的方向運(yùn)動，用于反復(fù)使用所述球體的裝置是 每個空間的傾斜底面。在另一種實(shí)施方式中，待處理的植入物是不銹鋼骨髓內(nèi)釘，該骨髓內(nèi)釘?shù)闹睆綖?IOmm,長度為 240mm。在另一種實(shí)施方式中，待處理的植入物是不銹鋼骨板，所述骨板的寬度為40mm，長 度為220mm。在另一種實(shí)施方式中，待處理的植入物是不銹鋼骨板，所述骨板的寬度為50mm，長 度為120mm。在另一種實(shí)施方式中，待處理的植入物是不銹鋼人造髖關(guān)節(jié)，所述髖關(guān)節(jié)柄部長 為90mm，頭部直徑為28mm。在另一種實(shí)施方式中，待處理的植入物是NiTi絲材，所述絲材的直徑為0. Imm至 0. 5mm。在另一種實(shí)施方式中，通過夾具或其他一些固定裝置固定所述植入物，所述夾 具或其他一些固定裝置安裝在管內(nèi)，所述管由電機(jī)通過齒輪驅(qū)動，所述管的旋轉(zhuǎn)速率為 0. 5rpm 至 5rpm。在另一種實(shí)施方式中，NiTi絲材的線性移動速度為10cm/min至40cm/min。在另一種實(shí)施方式中，具有完全球形的球體由不銹鋼制成。在另一種實(shí)施方式中，具有完全球形的球體由氧化鋯制成。在另一種實(shí)施方式中，根據(jù)用戶所需要的納米結(jié)構(gòu)的厚度，所述球體的直徑為 0. 3mm 至 3mmο在另一種實(shí)施方式中，所述球體的數(shù)量為當(dāng)利用超聲使所述球體運(yùn)動的裝置停 止工作時，這些球體所占的表面積大于音極表面的30%。在另一種實(shí)施方式中，所述球體速度為5mps至lOOmps。在另一種實(shí)施方式中，對于給定球體尺寸和給定材料組成的具有給定尺寸的植入 物而言，根據(jù)用戶所需要的納米結(jié)構(gòu)層厚度確定投射時間。在另一種實(shí)施方式中，所述球體的投射時間為30秒至1800秒。在另一種實(shí)施方式中，用于生成納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備包括用于調(diào)節(jié)球體的投射時間和 球體的速度的裝置。在另一種實(shí)施方式中，所述設(shè)備包括用于調(diào)節(jié)球體的噴射源與待處理的植入物之 間的距離的裝置。在另一種實(shí)施方式中，所述距離為20mm至80mm。在另一種實(shí)施方式中，用于形成納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備包括用于對所述植入物的被處理 區(qū)域進(jìn)行局部冷卻的裝置。在另一種實(shí)施方式中，所述的投射步驟在對所述腔室填充惰性氣體之后進(jìn)行。在另一種實(shí)施方式中，所述設(shè)備封閉于真空箱內(nèi)。在另一種實(shí)施方式中，所述設(shè)備封閉于隔音室內(nèi)。在另一種實(shí)施方式中，在不銹鋼植入物上形成保護(hù)性氮化物層的步驟是等離子氮化，其中包括將植入物放置氮?dú)鈿夥罩?，給定溫度為450°C左右、持續(xù)時間為30分鐘至120 分鐘。在另一種實(shí)施方式中，在NiTi絲材上形成保護(hù)性氧化層的步驟包括將NiTi絲材 放在濃度為10%至30%、溫度為60°C至100°C的H2O2溶液中，給定時間為12小時至24小 時。盡管以上記載和強(qiáng)調(diào)了本發(fā)明的基本新特征應(yīng)用于優(yōu)先實(shí)施方式，可以理解，在 不偏離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對其中舉例說明的實(shí)施方式的形式和 細(xì)節(jié)進(jìn)行各種省略、替換和變化。上述實(shí)施方式僅用作示例，對本發(fā)明不構(gòu)成限定，在所附 的專利權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍內(nèi)可以以各種不同方式進(jìn)行修改。
權(quán)利要求
一種提高金屬表面擴(kuò)散率的方法，所述方法包括以下步驟通過表面機(jī)械研磨處理來生成晶體表面結(jié)構(gòu)。
2.一種用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，所述設(shè)備包括可分成 多個空間的工作腔室、用于在每個空間中使給定量的給定尺寸的具有完全球形的球體以給 定速度運(yùn)動持續(xù)給定的時間的裝置、用于在每個空間中連續(xù)地反復(fù)使用所述球體的裝置， 以及用于安裝所述植入物和以給定速率旋轉(zhuǎn)所述植入物以在同一碰撞點(diǎn)獲得可變的入射 角的裝置，這樣所述碰撞點(diǎn)成群地覆蓋所述植入物的整個表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，所述 設(shè)備還包括柵欄以分隔所述工作腔室的所述空間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，其 中，至少一個空間具有可調(diào)節(jié)的頂高。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，所述 設(shè)備還包括位于每個所述房間底部的超聲發(fā)生器，以使所述球體運(yùn)動，導(dǎo)致所述球體以隨 機(jī)方向運(yùn)動。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，所述 設(shè)備還包括每個空間的傾斜底面以反復(fù)使用所述球體。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，其 中，所述植入物是由不銹鋼和MTi金屬絲材制成的骨髓內(nèi)釘、骨板、人工髖關(guān)節(jié)，等等。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，所述 設(shè)備還包括夾具或其他一些固定裝置以固定所述植入物，所述夾具或其他一些固定裝置安 裝在管內(nèi)，所述管由電機(jī)通過齒輪驅(qū)動，所述管的旋轉(zhuǎn)速率為0. 5rpm至5rpm。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，所述 設(shè)備還包括固定裝置以使NiTi金屬絲材以lOcm/min至40cm/min的線性速率運(yùn)動。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，其 中，所述具有完全球形的球體由不銹鋼或氧化鋯制成，根據(jù)用戶所需的所述納米結(jié)構(gòu)的厚 度，所述球體的直徑為0. 3mm至3mm。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，其 中，所述球體的數(shù)量為當(dāng)利用超聲使所述球體運(yùn)動的裝置不工作時，所述球體占據(jù)的表面 積大于超聲音極的表面的30%。
12.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，其 中，所述球體的速率為5mps至lOOmps。
13.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，其 中，對于給定的球體尺寸和構(gòu)成具有給定尺寸的植入物的給定材料而言，根據(jù)用戶所需的 納米結(jié)構(gòu)層的厚度確定的投射時間是30秒至1800秒。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，所 述設(shè)備還包括用于調(diào)節(jié)所述球體的投射時間的裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，其 中，所述球體的發(fā)射源與待處理的所述植入物之間的距離為20mm至80mm。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，所2述設(shè)備還包括用于調(diào)節(jié)所述距離的裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，所 述設(shè)備還包括用于對所述植入物已處理區(qū)域進(jìn)行局部冷卻的裝置。
18.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，其 中，在使用惰性氣體填充所述腔室之后執(zhí)行投射步驟。
19.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用于在金屬植入物上形成給定厚度的納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備，其 中，將所述設(shè)備封閉于真空櫥柜中。
全文摘要
一種提高金屬表面擴(kuò)散率的方法及其在金屬植入物的表面處理方面的應(yīng)用，所述方法結(jié)合機(jī)械方法和化學(xué)方法，其中所述機(jī)械方法增加表面擴(kuò)散率而所述化學(xué)方法形成化學(xué)改性的表面層用于改善適于特定應(yīng)用(尤其在生物醫(yī)藥領(lǐng)域)的金屬材料的性質(zhì)。該表面處理可增加不銹鋼的硬度和耐腐蝕性并且降低由NiTi絲材制成的植入物中Ni的釋放。
文檔編號A61F2/32GK101899554SQ201010148369
公開日2010年12月1日 申請日期2010年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月14日
發(fā)明者付濤, 呂堅, 李廷烽, 溫春生 申請人:香港理工大學(xué)