專利名稱：：一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼的表面處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼的表面處理方法。
背景技術(shù)：
：隨著老齡化社會的到來，骨關(guān)節(jié)病的發(fā)病日益增多，人工關(guān)節(jié)置換是目前治療嚴(yán)重骨關(guān)節(jié)疾病最有效的方法。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全球每年僅全髖關(guān)節(jié)置換就達(dá)80萬例。隨著社會、科技與醫(yī)學(xué)的發(fā)展，人工關(guān)節(jié)、人工關(guān)節(jié)材料的需求量將越來越大。超高分子量聚乙烯材料制成的人工關(guān)節(jié)臼配合金屬或陶瓷制成的關(guān)節(jié)頭是目前臨床普遍使用的人工關(guān)節(jié)摩擦副。人工關(guān)節(jié)臼用超高分子量聚乙烯材料要求具有柔軟、耐磨的特性柔軟性可使關(guān)節(jié)臼很好地與金屬或陶瓷制成的關(guān)節(jié)頭配合；而耐磨性則能保證人工關(guān)節(jié)臼的使用壽命。但在長期的臨床應(yīng)用中，卻發(fā)現(xiàn)超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼的耐磨性不盡如人意。在關(guān)節(jié)的長期活動中，超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼會因磨損會產(chǎn)生磨屑，而磨屑的出現(xiàn)會剌激人體內(nèi)的生物反應(yīng)，引起組織發(fā)炎，發(fā)生無菌松動，并最終導(dǎo)致人工關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)期失效及其它并發(fā)癥，使患者不得不進(jìn)行二次手術(shù)，增加了患者的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，帶來巨大痛苦。因此，通過對超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼進(jìn)行表面改性處理，在不改變材料基體內(nèi)部組織的情況下有效地改善它們的耐磨性能，有利于提高人工關(guān)節(jié)臼的使用壽命。目前針對超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼進(jìn)行表面改性的處理方法有Y輻射交聯(lián)和高能離子注入改性兩種。Y輻照是指對超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼用Y射線進(jìn)行照射，從而改變超高分子量聚乙烯材料的交聯(lián)度，從而提高了超高分子量聚乙烯的磨損性。但由于進(jìn)行了Y射線的照射，會加速超高分子量聚乙烯的表面老化，降低了其使用壽命。高能粒子注入法是指在超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼表面，通過高能離子注入機(jī)將能量高達(dá)數(shù)百Kev的氮、氧等離子注入超高分子量聚乙烯，注入的高能離子在超高分子量聚乙烯表面誘發(fā)交聯(lián)，從而提高其耐磨性；然而注入的高能離子也會增強(qiáng)超高分子量聚乙烯的剪切強(qiáng)度，增強(qiáng)超高分子量聚乙烯的表面粗糙度，使其摩擦系數(shù)增加，不能在超高分子量聚乙烯表面形成良好的生物潤滑狀態(tài)，并且高能粒子注入法設(shè)備復(fù)雜，對工作人員技術(shù)要求高。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的就是提供一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼的表面處理方法，該方法消除了人工關(guān)節(jié)臼表面的弱邊界層，提高了表面交聯(lián)度，表面硬度和耐磨損能力提高；但不改變?nèi)斯りP(guān)節(jié)臼基質(zhì)的性能，不會加速超高分子量聚乙烯的老化，表面粗糙度不變。并且其使用的設(shè)備簡單，工藝環(huán)保，無污染，操作簡單。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的，所采用的技術(shù)方案是一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼的表面處理方法，其具體步驟是A、將超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼放入電子回旋共振微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置的真空室中，真空室抽真空至0.5X10—3Pa2X10—3Pa;3B、向真空室內(nèi)通入氧氣或氬氣，至壓力為0.5Pa2.5Pa;C、設(shè)置沉積裝置的微波源功率為400800W，開啟微波電源，進(jìn)行氣體放電，形成等離子體；同時，開啟沉積裝置的偏壓電源，對人工關(guān)節(jié)臼進(jìn)行1030分鐘的表面處理，處理時偏壓電源的頻率為1540kHZ，占空比10%50%，幅值-100_500V。與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明的有益效果是—、經(jīng)等離子體處理，由于氧或氬低溫等離子體的能量略高于聚合物中化學(xué)鍵能，通過電場加速，氧、氬低溫等離子體的能量會引起聚合物表面的各種化學(xué)鍵發(fā)生斷裂和重新組合。弱邊界層中的分子鏈被打斷，形成一些氣態(tài)的小分子，被真空泵抽走，使弱邊界層得到消除；而化學(xué)鍵的重新組合則使得聚合物表面交聯(lián)度提高，從而使其表面硬度和耐磨損能力得到提高。實(shí)驗(yàn)證明，經(jīng)本發(fā)明方法處理后，人工關(guān)節(jié)臼的表面硬度提高了50%。納米劃痕實(shí)驗(yàn)和摩擦磨損實(shí)驗(yàn)也表明經(jīng)本發(fā)明方法處理后的人工關(guān)節(jié)臼的耐磨性能得到明顯提高。二、采用等離子體對超高分子量聚乙烯材料進(jìn)行表面處理，處理的深度僅涉及表面數(shù)十個納米范圍，與現(xiàn)有的Y幅照方法相比，本發(fā)明方法的超高分子量聚乙烯材料基體性質(zhì)不受影響，不影響超高分子量聚乙烯基體材料的化學(xué)物理性能，不會加速超高分子量聚乙烯的老化，使用壽命長。三、與現(xiàn)有的高能離子注入法相比，微波電子回旋共振等離子體密度由充入氣體的數(shù)量和微波源的功率確定；等離子體能量則由偏壓電源的相關(guān)參數(shù)確定，因此等離子的密度和能量可分別控制，工藝簡單，效果明顯。而高能離子注入機(jī)設(shè)備復(fù)雜，高能離子的數(shù)量和能量不便分別控制，對操作人員要求較高。此外高能離子注入只能以直線方式注入，對具有凹陷形狀的關(guān)節(jié)臼表面處理很難保障處理效果的均勻性；而微波等離子處理時，關(guān)節(jié)臼完全浸沒在等離子體中，處理效果均勻性好。微波放電屬于無電極放電，不存在電極污染，工藝環(huán)保。由于低溫氧、氬等離子體的能量略高于聚合物中化學(xué)鍵能，它不會增強(qiáng)表面粗糙度，從而能保持良好的生物潤滑狀態(tài)，使用壽命長。下面結(jié)合附圖和具體的實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。圖1是經(jīng)實(shí)施例1方法處理及未處理的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼納米劃痕實(shí)驗(yàn)得到的載荷與壓入深度的關(guān)系曲線圖。圖中橫軸為載荷，單位為毫牛頓(mN);縱軸為壓入深度，單位為微米(ym);曲線A為經(jīng)本例方法處理后的人工關(guān)節(jié)臼的載荷與壓入深度的關(guān)系曲線；曲線B為未經(jīng)本例方法處理的人工關(guān)節(jié)臼的載荷與壓入深度的關(guān)系曲線。圖2A和圖2B分別是用實(shí)施例一方法處理及未處理的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼的納米劃痕實(shí)驗(yàn)后的形貌圖。圖3A和圖3B分別是用本發(fā)明實(shí)施例一方法處理及未處理的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼的摩擦實(shí)驗(yàn)后的磨痕形貌圖。圖4是用本發(fā)明實(shí)施例二方法處理后的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼的摩擦實(shí)驗(yàn)后的磨痕形貌圖。具體實(shí)施方式實(shí)施例1本發(fā)明的一種具體實(shí)施方式為一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼的表面處理方法，其具體步驟是A、將超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼放入電子回旋共振微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置的真空室中，真空室抽真空至2X10—3Pa;B、向真空室內(nèi)通入氧氣，至壓力為2Pa;C、設(shè)置沉積裝置的微波源功率為400W，開啟微波電源，進(jìn)行氣體放電，形成等離子體；同時，開啟沉積裝置的偏壓電源，對人工關(guān)節(jié)臼進(jìn)行10分鐘的表面處理，處理時偏壓電源的頻率為15kHZ，占空比10%，幅值_300V。對本例方法處理后的得到的人工關(guān)節(jié)臼進(jìn)行測試，其結(jié)果如下1、顯微硬度測試測試條件努氏壓頭，載荷10克，保載15秒。測試結(jié)果表明，經(jīng)本例方法處理后的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼表面硬度為6kg/mm2;而未經(jīng)處理的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼的表面硬度為4kg/mm2。處理后人工關(guān)節(jié)臼的表面硬度提高了50%。2、納米劃痕實(shí)驗(yàn)圖1為納米劃痕實(shí)驗(yàn)(CSEMNanoScratchTester,載荷O.110mN)測出的人工關(guān)節(jié)臼載荷與壓入深度的關(guān)系曲線圖。圖1中的曲線B為未經(jīng)處理超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼的載荷與壓入深度的關(guān)系曲線；曲線A表示經(jīng)本例方法處理后的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼的載荷與壓入深度的關(guān)系曲線。由圖l可見，經(jīng)本例的氧等離子體處理方法處理后材料的壓入深度更淺，其表面硬度提高。圖2A和圖2B為進(jìn)行納米劃痕試驗(yàn)后未經(jīng)處理的和經(jīng)本例方法處理的人工關(guān)節(jié)臼的表面形貌。圖2A表明，試驗(yàn)后，未經(jīng)處理的人工關(guān)節(jié)臼劃痕后表面較粗糙，劃痕邊緣出現(xiàn)開裂；圖2B表明，經(jīng)本例方法處理后的人工關(guān)節(jié)臼，劃痕試驗(yàn)后表面仍然平整光滑。表明經(jīng)本例方法處理后，由于超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼表面弱邊界層被清除，在劃痕邊緣及內(nèi)部不會出現(xiàn)開裂，超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼的耐劃痕能力得到顯著提高。3、摩擦磨損實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ聊p實(shí)驗(yàn)條件載荷5N，銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)，對磨付為①6mm的鈷鉻鉬合金，25%小牛血清溶液，15萬轉(zhuǎn)。圖3A為未經(jīng)處理的人工關(guān)節(jié)臼經(jīng)摩擦實(shí)驗(yàn)后的表面形貌，圖3B為經(jīng)本例方法處理后的人工關(guān)節(jié)臼經(jīng)摩擦實(shí)驗(yàn)后的表面形貌。由圖中可見，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后，未經(jīng)等離子體處理的人工關(guān)節(jié)臼出現(xiàn)了很多的剝落和開裂；而經(jīng)本例方法處理后的人工關(guān)節(jié)臼，除了少量的塑性形變和犁溝外，未見開裂和剝落，表明經(jīng)本例方法處理后，超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼表面的耐磨性得到提高。實(shí)施例2本例方法與實(shí)施例1基本相同，所不同的僅僅是B步中，向真空室充入氬氣。圖4為對本例方法處理后的超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后的磨損形貌圖。實(shí)驗(yàn)條件為與實(shí)施例1中的摩擦實(shí)驗(yàn)相同。由圖4可見，經(jīng)本例的氬等離子體方法處理后的人工關(guān)節(jié)臼，除了少量的塑性形變和犁溝外，未見開裂和剝落，表明超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼表面的耐磨性得到提高。實(shí)施例312實(shí)施例312的操作與實(shí)施例1基本相同，只是操作時的具體參數(shù)有所變化，其具體參數(shù)如下表(為了方便比較，也將實(shí)施例1和實(shí)施例2的參數(shù)列入表中。)<table>tableseeoriginaldocumentpage6</column></row><table>權(quán)利要求一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼的表面處理方法，其具體步驟是A、將超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼放入電子回旋共振微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置的真空室中，真空室抽真空至0.5×10-3Pa～2×10-3Pa；B、向真空室內(nèi)通入氧氣或氬氣，至壓力為0.5Pa～2.5Pa；C、設(shè)置沉積裝置的微波源功率為400～800W，開啟微波電源，進(jìn)行氣體放電，形成等離子體；同時，開啟沉積裝置的偏壓電源，對人工關(guān)節(jié)臼進(jìn)行10～30分鐘的表面處理，處理時偏壓電源的頻率為15～40kHZ，占空比10％～50％，幅值-100～-500V。全文摘要一種超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼的表面處理方法，其作法是A、將超高分子量聚乙烯人工關(guān)節(jié)臼放入電子回旋共振微波等離子體化學(xué)氣相沉積裝置的真空室中，抽真空至0.5×10-3Pa～2×10-3Pa；B、向真空室通入氧氣或氬氣，至壓力0.5Pa～2.5Pa；C、設(shè)置沉積裝置微波源功率400～800W，開啟微波電源；同時，開啟偏壓電源，對人工關(guān)節(jié)臼進(jìn)行10～30分鐘的處理，偏壓電源的頻率15～40kHZ，占空比10％～50％，幅值-100～-500V。該方法消除了人工關(guān)節(jié)臼表面的弱邊界層，提高了表面交聯(lián)度，表面硬度和耐磨損能力提高；該方法不改變?nèi)斯りP(guān)節(jié)臼基質(zhì)的性能，環(huán)保，無污染，操作簡單。文檔編號A61L27/16GK101791430SQ20101010422公開日2010年8月4日申請日期2010年2月2日優(yōu)先權(quán)日2010年2月2日發(fā)明者冷永祥,孫鴻,楊蘋,王進(jìn),謝東,陳俊英,黃楠申請人:西南交通大學(xué)