钻石烯人工关节及制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明属于人工关节技术领域，涉及一种人工关节，特别涉及一种钻石烯钻石烯人工关节及制备方法。
【背景技术】
[0002]为了治疗关节强直、关节畸形和各种破坏性骨关节等疾病，1962年出现了把超高分子量聚乙烯和钴铬合金组成的人工关节，并用骨水泥(甲基丙烯酸脂)固定，应用于人体；自此人工关节置换术进入实际应用的新阶段。在超过50年的历史中，人工全关节置换术已发展为目前临床治疗严重关节损伤和关节坏死疗效最好的一种方法。据报道，在我国需要进行人工关节置换的约有3000万人，由于人体关节功能复杂，特别是具有多个方向的活动能力，且承受一定的拉、压、折、屈等负荷，所以对材料性能的选择要求非常高。譬如:髋关节由关节头和关节窝组成，用于连接股骨头和骨盆的关节窝。全髋关节置换术包括三个部分:
1.用超高分子量聚乙烯关节窝置换髋关节窝；2.用金属关节头置换碎裂的股骨头;3.用金属杆插入股骨干来增加人工关节的稳定性。通常连接股骨的金属杆为钴铬合金或钛合金材料制成，插入髋关节窝的股骨顶端的球状物则由钴铬合金或是精制氧化铝陶瓷材料制成，髋关节窝本身通常为超高分子量聚乙烯半球构成，可直接植入骨盆。临床研究表明，基于超高分子量聚乙烯等材料的人工关节植入人体的有效工作年限为10?15年。
[0003]人工全关节置换术虽然是目前临床最为有效和成熟的手术之一，但超高分子量聚乙烯等材料都有使用寿命，植入人体后同样面临失效的危险，在长期的使用过程中，承受着较大载荷以及与合金、陶瓷等硬质材料相对往复运动，容易因磨损引起诸多问题:超高分子量聚乙烯的硬度和耐磨损性能相对较低，长期使用过程中发生蠕变而使置换关节产生较大磨损;磨损产生的磨肩聚积并诱发软组织产生一系列不良的生物学反应，使固定良好的人工关节松动，大大缩短了人工关节植入体的使用寿命。临床研究表明，植入人体中的人工关节使用10?15年后会因磨损而逐渐失效，近30%的患者10年内需要进行翻修手术。另有一部分患者，为了避免二次手术，强忍疼痛等到坚持不住的时候再治疗。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种硬度高、耐磨性好且使用寿命长的钻石烯人工关节及制备方法。
[0005]为实现上述目的，本发明采用以下技术方案:钻石烯人工关节，包括相互配合的关节头和关节窝，关节头包括金属基体，金属基体外面设有超细钻石烯层，超细钻石烯层由纳米钻石稀组成;关节窝由纳米钻石稀和聚乙稀制得，其中纳米钻石稀和聚乙稀的体积比为2:3或1:1;关节窝的表面粗糙度小于0.1微米;纳米钻石烯为层片状单晶结构，纳米钻石烯中同一片层的碳原子之间为同一片层的碳原子之间为sp3轨道杂化碳键连接，层与层之间的碳原子之间为sp2杂化碳键连接;纳米钻石稀的晶格间距为0.21nm;纳米钻石稀的平均粒径为R，20 <R< 500nm;纳米钻石烯的C含量为99?100%。
[0006]进一步地，超细钻石烯层的厚度小于3微米。
[0007]进一步地，超细钻石稀层中的纳米钻石稀的平均粒径为R，20 < R < 50nm。
[0008]钻石烯人工关节的制备方法，
其一，关节头的制备方法如下:先对关节头的金属基体进行表面净化处理，再采用化学沉积法或物理沉积法，以纳米钻石烯为原料，在金属基体表面形成超细钻石烯层，得到成品;
其二，关节窝的制备方法如下:选取纳米钻石烯和聚乙烯，其中纳米钻石烯与聚乙烯的体积比为2:3或1:1，加入粘结剂后连续搅拌至混合均匀后，再放入模具中制成胚体，冷却后进行表面处理，得到成品。
[0009]进一步地，粘结剂采用改性环氧树脂。
[0010]纳米钻石烯的制备工艺，包括以下步骤:
酸洗提纯:将金刚石原料粉碎成8000目以上的细粉，依次采用浓硫酸与浓硝酸混合液、稀盐酸、氢氟酸对该细粉酸洗，然后使用去离子水清洗至清洗液pH接近于7;分选:将清洗后的物料进行离心分离，取上层液体进行1-5天沉淀分选，去除上层清液，将下层沉淀物干燥后即得成品纳米钻石烯。
[0011]酸洗步骤前进行球磨整形和气流破碎，先将金刚石原料球磨整形并筛分出800目以上的细料;再将该细料输送至气流破碎机内粉碎并筛分出8000目以上的细粉。
[0012]在球磨整形步骤，金刚石经球磨整形桶的筛网筛出70目以上的颗粒，破碎时间为l-5h;该颗粒经多级振筛机筛分出800目以上的细料，振筛时间为30min-2h;在球磨整形步骤，筛分出的800目以上的细料重复过筛一次以上；在球磨整形步骤，70目以下的粗料返回球磨整形桶进行重新破碎;筛余物返回气流破碎机进行重新破碎;分选步骤中，离心时间为30min-2h，转速为8000rpm-15000rpm;浓硫酸与浓硝酸混合液由质量分数为98%浓硫酸和质量分数为10%浓硝酸按照质量比为5:1混合而成;采用上述方法制备的纳米钻石烯，为层片状单晶结构，同一片层的碳原子之间为sp3轨道杂化碳键连接，层与层之间的碳原子之间为sp2杂化碳键连接;粒度为20-500nm，C含量为99?100%，晶格间距为0.21nmo
[0013]与现有技术相比，本发明的有益效果如下:关节头包括金属基体，金属基体外面设有超细钻石烯层，超细钻石烯层由纳米钻石烯组成，金属基体上覆超细钻石烯层后，使得关节头硬度高、耐磨且能够长期保持形状;关节窝由纳米钻石烯和聚乙烯制得，提高关节窝的结合性、光滑耐磨且耐腐蚀性好;其中纳米钻石烯和聚乙烯的体积比为2:3或1:1，既能够保证原有材料的性能，又加入纳米钻石烯的新特性，提高生物相容性，并能够承受较大载荷，提高抗磨损性能;关节窝的表面粗糙度小于0.1微米，保证表面的光滑，提高润滑性;处理后的关节头和关节窝配合，在长期使用的过程中，不会产生磨肩聚积秀发软组织不良的生物学反应，避免人工关节发生松动，能够与周围软组织结合，不会出现生锈的情况，避免患者术后出现酸疼等不适症状;纳米钻石烯为层片状单晶结构，同一片层的碳原子之间为sp3轨道杂化碳键连接，层与层之间的碳原子之间为sp2杂化碳键连接，纳米钻石烯形貌为多层片状结构，形貌可控，分散性好，无抱团团聚现象发生，且粒径与片厚存在比例关系;纳米钻石稀的晶格间距为0.21 nm;纳米钻石稀的平均粒径为R，20 < R < 500nm，纳米钻石稀粒径集中度高，粒径范围分布窄，粒径为20-500nm，粒径大小可控;纳米钻石烯的C含量为99?100%，结晶性非常强，对人体无毒副作用，可用于人体牙齿、骨头、关节等仿生材质的制备以及其表面处理;多层片状结构的不饱和纳米钻石烯能够将其他材料的粒子吸附于本身的层与层之间牢固结合，采用粘结剂与纳米钻石烯结合后，可达到良好的固结效果，同时纳米钻石烯的多层片状结构使得所制得的成品光滑耐磨、耐腐蚀、硬度高且不易变形。
【附图说明】
[0014]图1是本发明实施例1的结构示意图；
图2是纳米钻石烯的XRD谱图；
图3是纳米钻石稀的TEM分析图；
图4是纳米钻石烯的MAS-NMR谱图；
图5是纳米钻石烯的原子轨道示意图；
图6是纳米钻石稀的Raman光谱。
【具体实施方式】
[0015]实施例1
钻石烯人工关节，如图1所示，包括相互配合的关节头和关节窝3，关节头包括金属基体1，金属基体1外面设有超细钻石烯层2，超细钻石烯层2由纳米钻石烯组成;关节窝3由纳米钻石烯和聚乙烯制得，其中纳米钻石烯和聚乙烯的体积比为2:3;关节窝3的表面粗糙度为
0.09微米;纳米钻石烯为层片状单晶结构，纳米钻石烯中同一片层的碳原子之间为同一片层的碳原子之间为sp3轨道杂化碳键连接，层与层之间的碳原子之间为sp2杂化碳键连接；纳米钻石稀的晶格间距为0.21nm;纳米钻石稀的平均粒径为R，20 < R < 500nm;纳米钻石稀的C含量为99?100%。超细钻石烯层的厚度为2.8微米。超细钻石烯层中的纳米钻石烯的平均粒径R为50nm。
[0016]钻石烯人工关节的制备方法，
其一，关节头的制备方法如下:先采用超声波法对关节头的金属基体1进行表面净化处理，再采用化学沉积法或物理沉积法，以纳米钻石烯为原料，在金属基体1表面形成超细钻石烯层2，得到关节头成品；