[发明专利]一种Mo金属掺杂复合类金刚石涂层钛合金人工骨关节及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种人工骨关节及其制备方法，具体涉及一种Mo金属掺杂复合类金刚石涂层钛合金人工骨关节及其制备方法，属于生物医用材料技术领域。

背景技术

金属、陶瓷和高分子材料是当今三大医用人工骨关节材料，三种材料各有其优缺点：金属和陶瓷在负载荷医疗领域已得到了广泛的应用，但是金属易磨损和腐蚀，而陶瓷则脆性大：高分子材料柔韧性好但耐磨性及硬度较差。钛合金由于具有高强度、韧性及耐腐蚀的特性从而成为新一代的人工骨关节材料。但钛合金与骨之间只是一种机械嵌连性整合，植入体在体内长期服役后，摩擦产生的磨屑会影响其生物惰性，从而引发局部组织炎症，缩短其使用寿命。因此对钛合金进行表面改性以改善其生物相容性引起了研究者的重视。表面改性一般都是通过采用各种表面涂层或薄膜技术在金属基体表面制备抗磨损生物相容涂层用于提高人工骨关节的耐磨损性、抗腐蚀性和生物相容性，改性后的表面一般具有良好的生物活性。

近年来类金刚石涂层(DLC)因具有高硬度（高于25 Gpa）、低摩擦系数（小于0.1）及良好的生物组织细胞相容性在机械加工及生物医学领域受到广泛的关注。DLC是一种致密的亚稳非晶碳(α-C)或包含sp3键的氢化非晶碳(α-C:H)。研究显示，DLC具有较好的骨组织相容性：可以与细胞结合，不损害细胞生长；而且DLC薄膜可以作为造骨细胞的生长载体，造骨细胞可以在DLC上粘附，分散以至于扩散增生整个表面。但是DLC 涂层的存在与衬底结合力差，残余应力大从而导致易剥落的问题，同时显微结构、成分比例及sp3/sp2键态比等因素对植入体的影响和控制途径等问题仍不清楚，严重制约了DLC作为人工关节表面改性材料在生物医学领域的应用。因此，在钛合金人工骨关节上制备具有硬度高，耐磨性好、低摩擦系数、抗粘着性、抗疲劳性好、低内应力同时具有优良生物相容性的DLC表面涂层在人工关节用涂层领域具有重大的应用价值。但由于制备工艺和人工骨关节涂层医用化需求之间的差距，国际国内目前还没有大规模成功制备出具有良好结合力及生物相容性DLC涂层的先例。

本发明针对现行医用人工骨关节的局限，在钛合金人工骨关节表面制备Mo掺杂的复合涂层，提高涂层的表面硬度和结合强度，并增强生物相容性，推动人工骨关节技术的进一步发展。

发明内容

内容

本发明的目的在于为生物医用材料行业提供一种复合类金刚石涂层钛合金人工骨关节，具有硬度高，耐磨性好、低摩擦系数、抗粘着性、抗疲劳性好、低内应力同时具有优良生物相容性。采用该钛合金人工骨关节植入人体后，可以大幅度减少摩擦产生的磨屑及生物惰性，从而有效提高人工骨关节的服役寿命。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种具有良好生物相容性的Mo金属掺杂复合类金刚石涂层钛合金人工骨关节，包括钛合金人工骨关节基体和钛合金人工骨关节基体上附着的类金刚石涂层。

所述的类金刚石涂层由金属结合层Cr、中间过渡层CrN和顶层功能层Mo~DLC构成。

所述的Cr金属结合层厚度为20~50纳米，采用多弧离子镀技术制备；中CrN过渡层厚度为100~300纳米，采用多弧离子镀技术制备；功能层Mo-DLC厚度为800~2000纳米，采用多弧离子镀结合单极脉冲直流磁控溅射技术制备。

所述的顶层功能层为Mo金属掺杂的复合类金刚石涂层，Mo金属掺杂浓度在3 at.%~10 at.%之间；功能层氧含量在0.2 at.%~3 at.%之间。

一种Mo金属掺杂复合类金刚石涂层钛合金人工骨关节的制备方法，包括如下步骤：

（1）钛合金人工骨关节的辉光清洗：当腔室本地真空达到1×10^-4~8×10^-4 Pa时，通入氩气并通过气体流量计控制氩气气压在1.2~3.2 Pa，衬底温度100~300℃、开启基体偏压在700~1200 V，对经过超声清洗的钛合金人工骨关节进行辉光清洗；

（2）金属层的沉积：辉光清洗结束后，偏压降到300~500V，开启多弧Cr金属靶控制电流在30~70A，沉积20~50纳米厚的Cr金属结合层；

（3）过渡层的沉积：金属层沉积结束后，关闭氩气，通入N₂并通过气体流量计控制N₂气压在0.4~1.5 Pa，基体温度80~200℃，基体架转速5~10 rpm，开启多弧Cr靶电流在40~60A，沉积100~300纳米厚的CrN过渡层；