一种具有碳基膜的关节头的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及金属关节头表面改性技术，具体涉及具有碳基膜的关节头。
【背景技术】
[0002] 人工髋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，全世界每年接受髋关节置换手术的患者已超过50 万。目前，常用的人工髋关节为金属对聚乙烯，金属对金属和陶瓷对陶瓷髋关节假体。陶瓷 对陶瓷髋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 一直令人担心，此外，术后异响这一问题目前也并未得到解决。金属对聚乙烯髋关节假体是 过去40年里最广泛使用的人工髋关节，金属对金属髋关节假体字自推出以来在临床上被 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，研宄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髋关节界 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髋关节等植入类医疗器件的使用寿命，对未来人工髋 关节的发展具有重要的指导意义。
[0003] 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掺 杂的方法。然而不同的梯度结构，不同的掺杂元素，掺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。
[0004] 钽（Ta)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。钽易与碳成键形成碳化物，适合作为碳基薄膜的掺杂元素。
【发明内容】
[0005] 本发明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。
[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案为：
[0007] 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。
[0008] 可选的，所述钽单层及钛单层厚度一致，厚度范围为5_8nm。
[0009] 可选的，所述钽-钛多层的底层的厚度范围为150-250nm。
[0010] 可选的，所述钽-钛-碳过渡层的厚度为350-450nm。
[0011] 可选的，钽-碳复合单层及非晶碳单层厚度一致，厚度范围为5-8nm。
[0012] 可选的，钽-碳多层的顶层的厚度范围为1200-1700nm。
[0013] 可选的，所述碳基膜的厚度为1800-2550nm。
[0014] 可选的，所述金属关节头的材料为医用钛合金、钴铬钼合金或钽合金。
[0015] 可选的，所述钽-钛-碳过渡层中，从基体一端至碳基膜顶层一端，钛含量逐渐减 少，碳含量和钽含量逐渐增加，且钛含量逐渐减少的速率大于钽含量逐渐增加的速率。
[0016] 可选的，钛含量呈梯度均匀逐渐减少，钽、碳含量呈梯度均匀逐渐增加。
[0017] 本发明提供的具有碳基膜的关节头，在金属关节头基体上设置有钽-钛纳米多层 的底层、钽-钛-碳过渡层和钽-碳纳米多层构成的碳基膜。所述的钽-钛多层的底层是 由钽单层和钛单层交替沉积而成，所述的钽-碳多层是由钽-碳复合单层和非晶碳单层交 替沉积而成。所述的钽-碳复合单层是由碳化钽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， 钽-钛纳米多层提高薄膜与人工金属关节头的结合强度，可以起到提高承载能力，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Hall-Petch效应及纳米复合超硬效应，控制 碳化钽晶粒的尺寸，以及钽-碳复合层中钽和钽的原子百分比，提高碳基膜的机械性能。
[0018] 进一步的，所述钽-钛-碳过渡层中钛含量逐渐减少，碳含量和钽含量逐渐增加， 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钽的应用的目 的，从而实现成本的降低。
【附图说明】
[0019] 为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，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发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0020] 图1示出了根据本发明实施例的具有碳基膜的关节头的剖面结构示意图。
[0021] 其中为钽-钛多层的底层，2、3分别为钽-钛多层底层中的钛单层和钽单层，4 为钽-钛-碳过渡层，5为钽-碳纳米多层的顶层，6、7分别为钽-碳纳米多层中的钽-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】
[0022] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的【具体实施方式】做详细的说明。
[0023] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明 的【具体实施方式】做详细的说明。
[0024] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以 采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的 情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
[0025] 本发明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8以 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钽-钛多层的 底层1、钽-钛-碳过渡层4及钽-碳多层的顶层5组成；所述钽-钛多层的底层1为钽单 层3和钛单层2交替的叠层；所述钽-碳多层的顶层5为钽-碳复合单层6及非晶碳单层 7交替的叠层；所述钽-碳复合单层6由非晶碳基体及碳化钽晶粒构成，所述钽-碳复合单 层6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〇
[0026] 在本发明实施例中，所述钽单层2及钛单层3厚度可以基本相同，厚度范围为 5-8nm，所述钽-钛多层的底层1的厚度范围可以为150-250nm ;所述钽-钛-碳过渡层4的 厚度可以为350-450nm ;钽-碳复合单层及非晶碳单层厚度一致，厚度范围为5-8nm，钽-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。
[0027] 在本发明实施例中，所述钽-钛-碳过渡层4中，从基体8 -端至碳基膜顶层5 - 端，钛含量逐渐减少，碳含量和钽含量逐渐增加，且钛含量逐渐减少的速率大于钽含量逐渐 增加的速率，更优地，钛含量呈梯度均匀逐渐减少，钽、碳含量呈梯度均匀逐渐增加，通过钛 含量的梯度均匀减少以及钽、碳的含量的梯度增加，能够显著的降低膜层的内应力。
[0028] 在本发明中，金属关节头基体为医用金属材料，优选为医用钛合金、钴铬钼合金或 钽合金。在金属关节头基体上镀覆上述的碳基膜，解决金属关节头基体的金属离子浓度 的问题，该碳基膜采用了-钛纳米多层的底层、钽-钛-碳过渡层和钽-碳纳米多层的结 构，钽-钛多层的底层是由钽单层和钛单层交替沉积而成，所述的钽-碳多层是由钽-碳 复合单层和非晶碳单层交替沉积而成。所述的钽-碳复合单层是由碳化钽晶粒和非晶碳 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，钽-钛纳米多层提高薄膜与人工金属关节头的结合强度，可 以起到提高承载能力，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。从而，使得表面改性后 的金属关节头具有较高硬度、良好生物相容性、高膜基结构强度以及超耐磨性，同时，根据 Hall-Petch效应及纳米复合超硬效应，控制碳化钽晶粒的尺寸，以及钽-碳复合层中钽和 钽的原子百分比，提高碳基膜的机械性能。