CoCrMo合金沉積DLC膜的摩擦學(xué)性能及金屬離子釋放研究.pdf

1、鈷鉻鉬合金因具有優(yōu)良的力學(xué)性能、耐磨性和耐腐蝕性而成為目前骨科植入物領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的材料之一。但是臨床應(yīng)用中,鈷鉻鉬合金中由于鈷、鉻離子的釋放和毒性成為關(guān)節(jié)置換中的隱患,嚴(yán)重影響著人工關(guān)節(jié)的使用壽命。類金剛石薄膜具有高硬度、低摩擦系數(shù)、生物相容性等優(yōu)異的綜合性能,可用作關(guān)節(jié)植入器件的表面保護(hù)層以減少磨損顆粒的形成和阻礙金屬離子從基體中釋放出來。在醫(yī)用鈷鉻鉬合金表面制備DLC膜,可以改善鈷鉻鉬合金的耐磨性,減少金屬材料的磨屑,降低人工關(guān)

2、節(jié)植入后無菌松動的發(fā)生率,并且可以解決金屬離子釋放問題,提高人工關(guān)節(jié)的生物相容性,對醫(yī)用CoCrMo合金在人工關(guān)節(jié)中更好的應(yīng)用有著重要的意義。
　　本文采用離子源和中頻磁控濺射復(fù)合技術(shù)在鈷鉻鉬合金表面沉積類金剛石薄膜。利用拉曼光譜、X射線衍射儀和能譜儀等儀器對 CoCrMo合金表面沉積DLC膜的成分結(jié)構(gòu)、表面形貌、硬度、膜厚和結(jié)合力、接觸角以及耐腐蝕性等一系列基本性能進(jìn)行表征;利用Abaqus軟件計(jì)算沉積DLC膜后對試樣應(yīng)力產(chǎn)生的

3、影響;考察沉積DLC膜后分別與氧化鋯球和超高分子量聚乙烯銷配副在不同生物溶液潤滑條件下的摩擦學(xué)性能;在生理鹽水中浸泡沉積 DLC膜的試樣和CoCrMo合金,提取浸泡液測量離子濃度,考察離子釋放情況;最后,對CoCrMo合金和沉積DLC膜后的試樣分別進(jìn)行血液相容性包括血小板消耗率、溶血率和細(xì)胞毒性實(shí)驗(yàn),考察DLC膜的生物相容相關(guān)性能。
　　結(jié)果表明:利用離子源和中頻磁控濺射復(fù)合技術(shù)在 CoCrMo表面沉積 DLC膜,表面平整并伴有少

4、許孔洞,硬度提高,厚度約3μm,結(jié)合力為4.5 N。DLC膜在去離子水和生理鹽水中的接觸角下降,在生理鹽水中腐蝕電位正移、腐蝕電流密度降低,潤濕性、耐腐蝕性等綜合性能較CoCrMo基體有所改善。薄膜的存在使系統(tǒng)的整體應(yīng)力增大,Mises應(yīng)力在膜基結(jié)合處產(chǎn)生突變;摩擦系數(shù)對表面的應(yīng)力大小和分布影響顯著,對界面處影響很小。
　　摩擦磨損試驗(yàn)表明,沉積DLC膜后的試樣與ZrO2配副時,在干摩擦以及兩種潤滑條件下的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.1左右

5、,與CoCrMo基體相比,摩擦系數(shù)減小,波動程度輕微。鈷鉻鉬基體與ZrO2球配副時,磨損機(jī)制主要為磨粒磨損;而DLC膜磨損程度輕,僅顯示出光亮的磨損痕跡。與UHMWPE配副時,沉積DLC膜后,在干摩擦以及兩種潤滑條件下的摩擦系數(shù)和波動程度與CoCrMo比均有不同程度的降低,不僅降低基體材料的磨損率,也使 UHMWPE的磨損率明顯降低,減摩抗磨效果顯著。
　　金屬離子釋放及相關(guān)性能試驗(yàn)表明,CoCrMo基體材料表面浸泡后形成大面積的

6、材料剝落和明顯的腐蝕痕跡,而沉積DLC膜表面出現(xiàn)腐蝕針孔;沉積DLC膜試樣中的Cr離子釋放緩慢,對Cr離子的封裝起到一定的效果;而Co離子濃度隨著時間的增大顯著減小,但均大于基體材料中的 Co離子濃度。沉積 DLC膜后試樣的血小板消耗率由12.8％降為10.2%,溶血率從1.49%降為0.55%,說明沉積DLC膜對鈷鉻鉬合金的血液相容性有不同程度的提高。沉積DLC膜試樣與細(xì)胞接觸后的吸光度值與基體材料相比增加了9.8%,說明沉積DLC膜