人工关节用超高分子量聚乙烯材料表面微细织构加工方法

摘要

一种人工关节用超高分子量聚乙烯材料表面微细织构加工方法，属于生物摩擦学领域。本发明通过UV-LIGA的部分工艺，制备带有表面凸台阵列的金属转印模板，利用该模板在超高分子量聚乙烯表面压制出具有凹坑阵列的表面织构，从而提高其作为人工关节材料的摩擦学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种人工关节用超高分子量聚乙烯材料表面微细织构加工方法，属于生物摩擦学领域。

背景技术

超高分子量聚乙烯(UHMWPE)具有优越的生物相容性、极高的化学稳定性、承受较大的冲击载荷等特性，所以自从1963年John Charnley首次设计出直径22.5mm的不锈钢股骨头与超高分子量聚乙烯髋臼组合的髋关节假体以来，超高分子量聚乙烯已经广泛的应用在人工关节置换中。

表面织构(Surface texture)，即在摩擦副表面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的点阵，实践已被证明，该类微小沟槽点阵是改善表面摩擦学特性的一种有效手段。

超高分子量聚乙烯已经成为了目前应用最广泛的人工关节软骨材料，但是随着置换关节使用年限的增长，超高分子量聚乙烯与陶瓷或金属配副在体内长期摩擦，仍然存在诸多摩擦、磨损方面的问题。首先相对于天然活体关节，超高分子量聚乙烯的摩擦系数较大，远高于天然活体关节0.005～0.002的摩擦系数范围。其次，由磨损产生的超高分子量聚乙烯磨屑会造成假体周围骨质溶解和无菌松动。

现有研究表明，采用数控铣床在UHMWPE表面加工出具有一定深度的圆柱型凹坑阵列可以有效的降低UHMWPE表面与对磨钢球的摩擦系数和磨损率。对UHMWPE进行N+、O+、C+等离子注入改性，碳素纤维填充等，可明显提高该类材料表面硬度、改善其抗磨性能。但对其减摩性能改进不大，甚至比没有离子注入的超高分子量聚乙烯摩擦系数更大。此外还有采用γ射线辐射、改变浸润性等方法。

发明的内容

本发明目的在于提供一种能够改善超高分子量聚乙烯材料表面摩擦学性能的表面微细织构加工方法。

一种人工关节用超高分子量聚乙烯材料表面微细织构加工方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1：金属片经过表面打磨，作为基体；

步骤2：在步骤1后的金属材料表面均匀涂覆光刻胶；

步骤3：对步骤2后的试件进行烘烤；

步骤4：利用掩膜板，对步骤3的试件进行曝光；

步骤5：显影漂洗，得到具有光刻掩膜的金属薄片；

步骤6：以金属盐溶液为电镀液，对步骤5中的经过显影漂洗的金属薄片进行微电铸，在金属薄片表面得到预设高度的微柱体，制成转印模板；其中所述金属盐中金属元素与基体金属元素相同；

步骤7：以步骤6中所得到的转印模板和粉状超高分子量聚乙烯同时装入模具，通过预压制、高温烧结、压制成型及脱模工艺得到具有表面织构的超高分子量聚乙烯试件。

本发明通过UV-LIGA的部分工艺，制备带有表面凸台阵列的金属转印模板，利用该模板在超高分子量聚乙烯表面压制出具有凹坑阵列的表面织构，从而提高其作为人工关节材料的摩擦学性能。

具体实施方式

下面为一具体实施例：

1.选取一块金属铜片材料，进行表面打磨，其粗糙度控制在Ra 0.02～0.025μm

2.涂胶：在步骤1后的材料表面均匀涂覆BN308-450负型光刻胶，温度控制在20℃～25℃，湿度60％以下

3.前烘：对步骤2后的试件进行烘烤，90℃，20min

4.曝光：选择合适的掩膜版，对步骤3的试件进行曝光

5.显影漂洗：得到具有光刻掩膜的金属薄片

6.微电铸：以硫酸铜溶液为电镀液，对步骤5中的铜薄片进行微电铸，控制电铸参数，在铜薄片表面得到设定高度的铜微柱体，制成转印模板

7.烧结，压制：以步骤6中所得到的转印模板和粉状超高分子量聚乙烯同时装入模具，通过预压制、高温烧结、压制成型及脱模等工艺得到如上图中所示的具有表面织构的超高分子量聚乙烯试件。

通过上述方法得到可以得到的人工关节用超高分子量聚乙烯材料表面微细织构的特征参数如下：

微坑直径20～200μm；面积比2％～20％；微坑深度2～15μm