[发明专利]一种髋关节假体柄表面纳米生物活性涂层及其制备方法

权利要求书

1.一种髋关节假体柄表面纳米生物活性涂层，其特征是：该生物活性涂层制备在人工髋关节柄近端的1/2-2/3部位，减少与骨组织牢固结合后下端关节柄的应力遮挡效应；涂层总厚度为1-4μm，涂层的成分由里向外呈连续梯度变化，人工髋关节柄表面涂层依次由Ti6Al4V基体(1)，金属Ti层(2)，Ti与致密陶瓷混合层(3)，致密陶瓷层(4)，致密陶瓷与生物活性玻璃/羟基磷灰石/Si混合层(5)和生物活性玻璃/羟基磷灰石/Si多元生物活性层(6)构成；每一层涂层的厚度：金属Ti层为100-200nm，Ti与致密陶瓷混合层为50-100nm，致密陶瓷层为200-300nm，致密陶瓷与生物活性玻璃/羟基磷灰石/Si混合层为100-300nm、生物活性玻璃/羟基磷灰石/Si多元生物活性层为1-3μm；所述的Ti6Al4V基体表面粗糙度小于0.1μm。

2.根据权利要求1所述的一种髋关节假体柄表面纳米生物活性涂层，其特征是：所述的致密陶瓷层为氮化钛、碳化钛、碳氮化钛中的一种或两种。

3.根据权利要求1所述的一种髋关节假体柄表面纳米生物活性涂层，其特征是：所述的生物活性玻璃/羟基磷灰石/Si多元生物活性层制备时所需的生物活性玻璃/羟基磷灰石复合靶材中生物活性玻璃/羟基磷灰石的质量百分比为1:4~3:2。

4.根据权利要求1所述的一种髋关节假体柄表面纳米生物活性涂层，其特征是：所述的生物活性玻璃由下述组分构成，其质量百分比为：SiO₂为55-65%、CaO为20-25%、P₂O₅为1-5%、Na₂O为7-12%、TiO₂为1-2%和B₂O₃为2-5%。

5.根据权利要求1所述的一种髋关节假体柄表面纳米生物活性涂层的制备方法，其特征是：纳米生物活性涂层的制备方法：人工髋关节表面多元纳米梯度复合涂层采用多靶材磁控溅射表面功能化薄膜沉积系统制备，溅射过程保证腔体的本体真空度达到1-5×10^-5Pa之间，靶-基距在60-100mm的范围内调整，基体架转速在5-10r/min的范围内调整，依次包括如下步骤：

①基底预处理：用砂纸打磨抛光Ti6Al4V基体，表面粗糙度达到要求后，放在丙酮和乙醇溶液中分别清洗10-15min；将清洗好的Ti6Al4V合金置于质量百分比为1:1硫酸和盐酸的混合液中对其表面进行酸蚀活化处理，将混合液水浴加热到70℃，保温30min，再次将活化后的基体进行超声波清洗，放在干燥箱中干燥备用；所述的硫酸的质量分数为66.3%，盐酸的质量分数为10.6%；

②溅射清洗：抽真空至溅射系统腔体的本体真空度达到1-5×10^-5Pa范围之间，通入氩气，氩气流量保持在80-150sccm之间，待放电气压达到0.8-3.0Pa之间清洗基体及腔体内壁并活化基体，调节溅射负偏压在-300—-1200V的范围清洗20min；关闭负偏压，打开中频、射频和直流电源分别清洗靶材，采用中频电源清洗Ti靶，清洗工艺条件为：电流0.5-3A，放电气压0.8-3.0Pa，氩气流量80-120sccm；采用射频电源清洗致密陶瓷靶，清洗工艺条件为：功率100-300W，放电气压0.8-1.5Pa，氩气流量80-120sccm；采用直流电源清洗Si靶，清洗工艺条件为：直流1-3A，放电气压0.8-1.5Pa，氩气流量80-120sccm；用射频电源清洗羟基磷灰石/生物活性玻璃复合靶，清洗工艺条件为：功率100-500W，放电气压0.8-1.5Pa，氩气流量80-120sccm，溅射清洗靶材表面污染物20-40min；

③沉积Ti过渡层：溅射靶材为高纯钛靶，Ar离子轰击，Ar气流量为80-150sccm，采用中频电源，放电气压0.6-1.0Pa，电流1-4A，负偏压-200—-500V，沉积时间10-30min；

④沉积致密陶瓷涂层：放电气压0.7-1.0Pa，氩气流量80-120sccm，功率150-400W、偏压-150—-350V，沉积50-100min；以0.2A/min的速度降低中频电源电流至零，逐步减小涂层中的Ti含量；同时打开射频电源Ⅰ，以氮化钛、碳化钛、碳氮化钛靶中的一种或两种作为溅射靶材，以10W/min的速度提高射频电源的功率，逐步增加涂层中TiN、TiC或TiNC的含量，保证涂层成分由金属Ti向TiN、TiC或TiNC梯度过渡；

⑤沉积多元复合生物活性涂层：放电气压0.8-1.2Pa，Ar气流量80-150sccm，保持溅射功率在100-500W之间、溅射偏压在-100—-400V之间，直流0.1-1.0A，沉积时间6-10h；以20W/min的速度降低射频电源Ⅰ的功率至零，逐步减小涂层中TiN、TiC或TiNC的含量；以羟基磷灰石/生物活性玻璃复合靶、Si靶作为溅射靶材，打开射频电源Ⅱ和直流电源沉积涂层，具体操作步骤为：打开射频电源Ⅱ，以10W/min的速度提高射频电源Ⅱ的功率，逐步增加涂层中羟基磷灰石和生物活性玻璃的含量，同时以0.01A/min的速度提高直流电源电流，逐步增加涂层中Si元素掺杂量，保证涂层成分由TiN、TiC或TiNC向羟基磷灰石/生物活性玻璃/Si梯度过渡；

⑥涂层热处理：对制备的纳米生物活性梯度涂层在电阻炉中进行热处理，热处理工艺条件为：水蒸气气氛，升温速率3-5℃/min，保温温度400-700℃，保温时间3-6h，后随炉冷却至室温。