一种具有碳基膜的关节头制造技术

本实用新型专利技术公开了一种具有碳基膜的关节头，包括金属关节头基体以及在金属关节头基体表面设置的碳基膜，碳基膜由自下而上依次设置的钽-钛多层的底层、钽-钛-碳过渡层及钽-碳多层的顶层组成；所述钽-钛多层的底层为钽单层和钛单层交替的叠层；所述钽-碳多层的顶层为钽-碳复合单层及非晶碳单层交替的叠层；所述钽-碳复合单层由非晶碳基体及碳化钽晶粒构成，所述钽-碳复合单层中钽的原子百分比为20～40at％，碳的原子百分比为60～80at％，碳化钽晶粒尺寸为2～6nm。该镀覆耐磨碳基膜的金属关节头具有高生物相容性、高承载能力、高耐腐蚀及高耐磨的特点，提高金属关节头的使用寿命，并提高其生物安全性。

【技术实现步骤摘要】

本技术设及金属关节头表面改性技术，具体设及具有碳基膜的关节头。
技术介绍
人工髓关节置换术作为一种治疗关节疾病的有效方法，历经一个多世纪的发展， 已经成为治疗关节损伤的一种常见方法，全世界每年接受髓关节置换手术的患者已超过50 万。目前，常用的人工髓关节为金属对聚乙締，金属对金属和陶瓷对陶瓷髓关节假体。陶瓷 对陶瓷髓关节假体具有优异的耐磨损性能，然而由于陶瓷本身为硬脆性材料，其碎裂问题 一直令人担屯、，此外，术后异响运一问题目前也并未得到解决。金属对聚乙締髓关节假体是 过去40年里最广泛使用的人工髓关节，金属对金属髓关节假体字自推出W来在临床上被 迅速认可和使用。金属关节头具有良好的机械性能，然而其金属离子问题自其诞生就一直 悬而未决。总体来看，人工关节头的性能不单纯决定于其是否耐磨损，其生物相容性，磨损 颗粒大小，形态和导致的机体反应同样重要，因此，研究具有优异生物相容性和稳定的化学 惰性，高耐磨及自润滑的新型植入材料具有重要的价值。根据对植入人体的人工髓关节界 面摩擦磨损和力学性能的要求，在金属关节头上制备超硬耐磨、自润滑和生物相容性优异 的碳基薄膜，有希望大幅度提高人工髓关节等植入类医疗器件的使用寿命，对未来人工髓 关节的发展具有重要的指导意义。 非晶碳薄膜具有较高的硬度，良好的化学稳定性，低摩擦系数及高耐磨性，但由于 薄膜具有很高的内应力，使其与金属基底的结合强度降低，并限制薄膜生长的厚度，且在使 用过程中容易发生剥落。为降低内应力对碳基薄膜的影响，通常采用制备梯度层及元素渗 杂的方法。然而不同的梯度结构，不同的渗杂元素，渗杂元素量的多少均会影响薄膜的性 能，如常发生的提高摩擦磨损性能的同时硬度减小，因此对薄膜结构及成分的设计至关重 要。 粗灯a)具有良好的耐腐蚀性和生物相容性，在医疗上可用来制成薄片或者细线 缝补破坏的组织。粗易与碳成键形成碳化物，适合作为碳基薄膜的渗杂元素。
技术实现思路
阳〇化]本技术的目的是要针对现有人工金属关节头存在的问题，提供一种具有碳基 膜的关节头，具有较高硬度，良好生物相容性，高膜基结合强度及超耐磨性能。 为实现上述目的，本技术的技术方案为： 一种具有碳基膜的关节头，包括金属关节头基体W及在金属关节头基体表面设置 的碳基膜，碳基膜由自下而上依次设置的粗-铁多层的底层、粗-铁-碳过渡层及粗-碳多 层的顶层组成；所述粗-铁多层的底层为粗单层和铁单层交替的叠层；所述粗-碳多层的 顶层为粗-碳复合单层及非晶碳单层交替的叠层；所述粗-碳复合单层由非晶碳基体及碳 化粗晶粒构成，所述粗-碳复合单层中粗的原子百分比为20~40at%，碳的原子百分比为 60~80at%，碳化粗晶粒尺寸为2~6皿。 可选的，所述粗单层及铁单层厚度一致，厚度范围为5-8nm。 可选的，所述粗-铁多层的底层的厚度范围为150-250皿。 可选的，所述粗-铁-碳过渡层的厚度为350-450nm。 可选的，粗-碳复合单层及非晶碳单层厚度一致，厚度范围为5-8nm。 可选的，粗-碳多层的顶层的厚度范围为1200-1700皿。 可选的，所述碳基膜的厚度为1800-2550nm。 可选的，所述金属关节头的材料为医用铁合金、钻铭钢合金或粗合金。 可选的，所述粗-铁-碳过渡层中，从基体一端至碳基膜顶层一端，铁含量逐渐减 少，碳含量和粗含量逐渐增加，且铁含量逐渐减少的速率大于粗含量逐渐增加的速率。 可选的，铁含量呈梯度均匀逐渐减少，粗、碳含量呈梯度均匀逐渐增加。 本技术提供的具有碳基膜的关节头，在金属关节头基体上设置有粗-铁纳米 多层的底层、粗-铁-碳过渡层和粗-碳纳米多层构成的碳基膜。所述的粗-铁多层的底层 是由粗单层和铁单层交替沉积而成，所述的粗-碳多层是由粗-碳复合单层和非晶碳单层 交替沉积而成。所述的粗-碳复合单层是由碳化粗晶粒和非晶碳基体构成，通过该结构设 计，使得从人工金属关节头至薄膜顶层弹性模量及热膨胀系数等参数较为平滑的过渡。其 中，粗-铁纳米多层提高薄膜与人工金属关节头的结合强度，可W起到提高承载能力，初步 提高硬度，降低薄膜内应力的作用。该碳基膜具有高硬度，优异的耐磨性，良好的生物相容 性和化学稳定性，良好的耐腐蚀能力。同时，根据化11-Petch效应及纳米复合超硬效应，控 制碳化粗晶粒的尺寸，W及粗-碳复合层中粗和粗的原子百分比，提高碳基膜的机械性能。 阳018] 进一步的，所述粗-铁-碳过渡层中铁含量逐渐减少，碳含量和粗含量逐渐增加， 不仅能显著降低碳基膜的内应力和承载能力，也能达到降低昂贵金属元素粗的应用的目 的，从而实现成本的降低。【附图说明】 为了更清楚地说明本技术实施的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的 附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于 本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可W根据运些附图获得其他 的附图。 图1示出了根据本技术实施例的具有碳基膜的关节头的剖面结构示意图。 其中：1为粗-铁多层的底层，2、3分别为粗-铁多层底层中的铁单层和粗单层，4 为粗-铁-碳过渡层，5为粗-碳纳米多层的顶层，6、7分别为粗-碳纳米多层中的粗-碳 复合单层和非晶碳单层，8为金属关节头基体。【具体实施方式】 为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本 技术的【具体实施方式】做详细的说明。 为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本 技术的【具体实施方式】做详细的说明。 在下面的描述中阐述了很多具体细节W便于充分理解本技术，但是本实用新 型还可w采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可w在不违背本实 用新型内涵的情况下做类似推广，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。本技术提供了一种具有碳基膜的关节头，如图1所示，包括金属关节头基体8W及在金属关节头基体8表面设置的碳基膜，该碳基膜由自下而上依次设置的粗-铁多层 的底层1、粗-铁-碳过渡层4及粗-碳多层的顶层5组成；所述粗-铁多层的底层1为粗 单层3和铁单层2交替的叠层；所述粗-碳多层的顶层5为粗-碳复合单层6及非晶碳单 层7交替的叠层；所述粗-碳复合单层6由非晶碳基体及碳化粗晶粒构成，所述粗-碳复合 单层6中粗的原子百分比为20~40at%，碳的原子百分比为60~80at%，碳化粗晶粒尺 寸为2~6nm。 在本技术实施例中，所述粗单层2及铁单层3厚度可W基本相同，厚度范围为 5-8皿，所述粗-铁多层的底层1的厚度范围可W为150-250皿；所述粗-铁-碳过渡层4的 厚度可W为350-450皿;粗-碳复合单层及非晶碳单层厚度一致，厚度范围为5-8皿，粗-碳 多层的顶层的厚度范围为1200-1700nm;所述碳基膜的厚度为1800-2550nm。 在本技术实施例中，所述粗-铁-碳过渡层4中，从基体8 -端至碳基膜顶层 5 -端，铁含量逐渐减少，碳含量和粗含量逐渐增加，且铁含量逐渐减少的速率大于粗含量 逐渐增加的速率，更优地，铁含量呈梯度均匀逐渐减少，粗、碳含量呈梯度均匀逐渐增加，通 过铁含量的梯度均匀减少W及粗、碳的含量的梯度增本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有碳基膜的关节头，其特征在于，包括金属关节头基体以及在金属关节头基体表面设置的碳基膜，碳基膜由自下而上依次设置的钽‑钛多层的底层、钽‑钛‑碳过渡层及钽‑碳多层的顶层组成；所述钽‑钛多层的底层为钽单层和钛单层交替的叠层；所述钽‑碳多层的顶层为钽‑碳复合单层及非晶碳单层交替的叠层；所述钽‑碳复合单层由非晶碳基体及碳化钽晶粒构成，所述钽‑碳复合单层中钽的原子百分比为20～40at％，碳的原子百分比为60～80at％，碳化钽晶粒尺寸为2～6nm。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：涂江平，白文琦，王秀丽，贺凤飞，李玲玲，谢跃军，金攻，
申请(专利权)人：中奥汇成科技股份有限公司，
类型：新型
国别省市：北京;11