钴合金人工关节类金刚石薄膜表面改性

摘要

目前人工关节中使用最广泛的是钴合金-超高分子量聚乙烯(UHWMPE)假体，而二者摩擦过程中产生的磨屑是其失效的主要原因。为了降低钴合金关节在体液中释放离子的潜在危害，减少与UHWMPE摩擦过程中磨屑的产生，本文利用电子回旋共振-等离子体增强化学气相沉积(ECR-PECVD)的方法在钴合金表面制备氢化非晶碳膜。
　　 本文采用乙炔和氢气作为反应气体制备氢化无定形碳膜(a-C∶H)，研究氢气流量和偏压对薄膜结构和性能的影响。利用拉曼光谱(Raman)，傅里叶红外光谱(FTIR)等方法研究薄膜的结构；利用基片曲率法(Curvature method)测量薄膜内部的残余应力，利用纳米硬度的方法检测薄膜的硬度，利用划痕法和压痕法评价薄膜与基体的结合强度，通过往复式摩擦磨损检测薄膜的耐磨性。
　　 研究结果表明，在相同的脉冲偏压下(-400V)，随氢气流量增加，薄膜沉积速率降低，而薄膜sp3键含量、残余内应力、硬度和弹性模量增大；在氢气流量不变(40sccm)的情况下，较低偏压(-100V)制备的薄膜出现聚合结构，随基体偏压的增加，薄膜沉积速率降低，残余内应力增大，氢含量降低，薄膜与基体之间结合力增强。
　　 为了提高薄膜的力学性能以及耐磨性，利用乙炔和氩气作为反应气体制备四面体氢化无定形碳膜(ta-C∶H)，研究了偏压对薄膜结构和性能的影响。随着偏压增大，薄膜sp3键含量降低、硬度降低、内应力提高、结合力下降，-800V制备的薄膜具有最优异的耐磨性。
　　 采用制备过渡层的方法提高薄膜与基体的结合强度。利用等离子体浸没离子注入的方法制备的氮化过渡层和利用磁过滤真空电弧镀的方法制备的ta-C过渡层使薄膜和基体之间的结合力得到提高，其中ta-C过渡层提高结合力的效果更为显著。
　　 研究同时发现，不同基体(硅片、玻璃片、钴合金)上制备的类金刚石薄膜结构、性能不同，玻璃片上沉积的薄膜氢含量较高、力学性能差、结合力弱；硅片和钴合金表面制备的薄膜sp3键含量和硬度都很高。
　　 选择ECR-PECVD方法制备的ta-C/ta-C∶H和FCVA方法制备的ta-C薄膜，与超高分子量聚乙烯在小牛血清之中进行摩擦。结果显示，相比未改性的钴合金，两种改性涂层都显著降低了钴合金表面的磨损情况。