[发明专利]全金属关节头和臼杯表面镀覆碳/碳:碳化钛纳米多层薄膜

说明书

技术领域

本发明涉及一种组合式全金属人工关节技术，具体说，涉及一种全金属关节头和臼杯表面镀覆碳/碳:碳化钛纳米多层薄膜。

背景技术

人工关节的设计通常由关节头和关节臼杯组成。为了降低主要由假体界面磨损及其磨屑诱发的骨溶解等制约人工关节假体长期生存的问题，对作为植入人体中的人工关节的头-臼杯界面要求润滑作用佳，耐磨性高；生物相容佳，组织学反应低，有效降低磨屑诱导的骨溶解以及耐腐蚀性强，材料性能稳定，在人体中不释放有害金属离子，无不良组织反应和无过敏反应等综合性能。

近60年来，在获得临床应用的植入人体人工关节中，关节头-臼杯/衬界面有金属-金属，金属-超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，陶瓷-超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，陶瓷-陶瓷等材料体系。CoCrMo合金、钛合金(Ti6Al4V)、不锈钢和钽合金，常被用于制造人工关节的关节头-臼杯。然而全金属界面人工髋关节较低的硬度和耐磨性能，在人体运动时的接触应力下金属-金属界面会发生较严重的磨粒磨损、粘着磨损和疲劳磨损现象，导致大量的磨屑进入人体引发并发症，并使关节头与臼间的匹配变差，人工髋关节假体发生松动，术后4-8年中假体的翻修率明显增高。同时，人体是一个高腐蚀性环境，合金植入物在人体内各种生化反应的作用下会发生腐蚀，生成各种金属离子进入血液和产生氧化膜。CoCrMo合金植入物的线性腐蚀速度达到0.05mm/年，病人血液中金属离子浓度超出标准2-7倍。合金植入物表面氧化膜在摩擦接触过程中易发生剥落，剥落的硬质氧化物磨屑又会加速金属关节表面的磨粒磨损，且合金磨屑会引发人体的排异反应。

而关节头-臼杯/衬界面采用金属或陶瓷材料的金属-超高分子量聚乙烯，陶瓷-超高分子量聚乙烯的人工关节组合，由于金属或陶瓷材料与UHMWPE在力学性能上的较大差异，使植入人工关节服役过程中UHMWPE每年由于磨损产生10¹⁰以上个颗粒。这些颗粒聚集在关节附近，引起炎症或排斥反应，被人体巨噬细胞吞噬后出现肉芽肿损害、骨质溶解和骨吸收，从而导致关节无菌松动而失效。

高硬度和良好耐磨性的氧化铝作为关节植入材料被大量地应用于临床。虽然现代氧化铝生物陶瓷的可靠性有了明显的提高，但由于生物陶瓷存在的固有脆性问题，采用最新工艺制造的陶瓷球头碎裂率仍有0.05％，且90％的碎裂发生在假体植入后的36个月内。同时，还存在一定比例的陶瓷植入物的术中边缘破损。特别是陶瓷材料与骨材料在弹性模量等力学性能上较大的差异，在将负荷有效地、更均匀地传递到周围健康骨的能力和可靠性方面远不如钛合金等金属假体。因此，对合金材料表面强化和提高关节头-臼杯/衬界面的润滑与耐磨性能是人工关节假体制造技术的发展趋势。

碳材料具有优异的化学惰性、生物相容性和高耐蚀性，在人体中无不良组织反应和无过敏反应而具有高安全性能。不同C-C结构的碳基薄膜由于材料中sp²与sp³键的变化而表现不同的力学性能。随着材料中sp³键数量的增加，碳基薄膜的硬度可从约20GPa增高到60GPa以上，大大高于氧化铝生物陶瓷的硬度(约20GPa)。传统的DLC薄膜(高含量sp³键)有高的硬度和耐磨性，但由于薄膜中较大的内应力，与多数合金基体的结合力都不高(划痕试验临界载荷＜20N)，在重载荷(＞1.4GPa)或者动载荷冲击下容易出现膜层破裂或剥落，并且DLC膜的摩擦学性能对环境作用敏感，在人体环境中的耐磨性远不及在空气中优异。

发明内容

本发明的目的是针对现有人工关节头-臼杯界面磨损及其磨屑诱发的骨溶解、关节无菌松动等制约人工关节假体长期生存的问题，提供一种全金属关节头和臼杯表面镀覆碳/碳:碳化钛纳米多层薄膜。

本发明的全金属关节头和臼杯表面镀覆碳/碳:碳化钛纳米多层薄膜，其特征是在合金关节头和臼杯表面镀覆由单层厚度为15～30nm的碳层与单层厚度为15～30nm的碳:碳化钛复合层相互交叉构成的多层薄膜，纳米多层薄膜含有质量百分比为：88～96％碳，4～12％TiC，纳米多层薄膜的总厚度为2.0～3.0μm。

本发明中，所述的碳层中C-C结构sp²键含量25～45％，sp³键含量55～75％；碳:碳化钛复合层中碳材料C-C结构sp²键含量45～65％，sp³键含量35～55％。