表面圖案化制備低摩擦高硬度人工髖關節球頭的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種表面圖案化制備低摩擦高硬度人工髖關節球頭的方法，屬于對現有人工髖關節性能的改進。
【背景技術】
[0002]人工關節置換術是目前治療終末期關節疾患最有效的方法，能夠明顯改善患者的運動功能和提高生存質量。由于人口持續老齡化以及人類壽命的顯著延長，迫切需要發展長壽命的人工關節。因此，目前需要解決的關鍵問題就是能否為全球數以億計的骨關節病患者提供質優價廉、長使用壽命、生物相容的人工關節。
[0003]人工關節技術涉及材料學、生物摩擦學和醫學工程等多種學科的交叉，關系到人們的生活質量。人工關節的摩擦磨損性能是評價其質量好壞的一個重要因素。如何提高人工關節摩擦界面的性能，進而顯著提高人工關節的使用壽命已經成為一個眾所關注的世界課題。國內外材料和醫學科技工作者對提高人工關節材料抗磨減摩性能進行了大量研究，目前主要集中于對傳統關節材料進行表面改性處理，以期改善材料表面狀態及物理、化學性能，從而提高人工關節材料的耐磨性能，降低摩擦系數。
[0004]通過表面改性達到改善人工關節材料摩擦學性能的主要手段有表面涂層法、表面接枝改性、等離子處理、表面圖案化等。經過對現有技術的檢索發現，中國發明專利號200810137090.3，公告日2009-01-21，中國發明專利號記載了帶耐磨陶瓷涂層的鈦合金人工髖關節及其制造方法，中國發明專利，201210086231.X，公開日2012-08-08，記載了人工髖關節摩擦副表面膜層及其制備方法，涂層好壞的關鍵在于涂層與基體間界面結合強度的大小，這是涂層中至關重要且較難解決的問題。同時，涂層與基體的熱膨脹系數的差異會導致材料中存在內應力，進而影響人工關節的抗磨能力。
[0005]表面圖案化是在材料表面構建具有規整形狀的微/納米級微囊圖案結構，表面微囊具有儲存潤滑液的作用，從而改善摩擦配副表面的潤滑狀態，實現摩擦學性能的提高。中國發明專利201010103613.X，公告日2010-07-14，記載了人工關節用超高分子量聚乙烯材料表面微細織構加工方法，提高了其作為人工關節材料的摩擦學性能。
[0006]結合表面圖案化的優勢，激光干涉制造在表面圖案化改性方面具有其他技術不可替代的潛力及優勢。該技術利用多光束激光干涉產生的圖案(空間上多周期的能量分布)直接加工或修改材料表面(曲面或平面)形成與圖案相對應的高精度納米級、微米級及微納混合的周期性結構，得到具有特殊物理和化學特性的材料表面。
[0007]因此，本發明將激光干涉制造技術與圖案化技術結合運用于人工髖關節球頭的表面改性方面，克服現有技術的不足，提供一種表面圖案化制備低摩擦高硬度人工髖關節的方法，屬于對現有人工髖關節性能的改進，提高人工髖關節的硬度和摩擦學性能。
【發明內容】
[0008]本發明技術解決問題:克服現有技術的不足，提供一種采用激光干涉光刻技術實現表面圖案化制備低摩擦高硬度人工髖關節球頭的方法，該方法具有優良的可控性、良好的穩定性和耐久性，且具有曝光場面積大、效率高、適合低沉本大批量生產的優點。屬于對現有人工髖關節性能的改進，提高人工髖關節的硬度和摩擦學性能。
[0009]本發明的目的可以通過以下技術措施實現:一種表面圖案化制備低摩擦高硬度人工髖關節球頭的方法，由鈷鉻鉬合金材料制成，其特征在于:在人工髖關節球頭表面形成圖案化酒窩陣列，即在人工髖關節球頭摩擦表面用激光干涉光刻制備圖案化酒窩陣列，包括以下步驟:
[0010]a.對髖關節球頭進行超聲清洗；
[0011]b.建立三光束激光干涉光路系統，刻蝕樣品；
[0012]c.改變三光束干涉參數，獲得結構周期從納米級到微米級可調，深度可控的周期性點陣結構；
[0013]d.優化三光束干涉系統的干涉光強和曝光時間等參數，獲得低摩擦高硬度性能人工髖關節球頭。
[0014]所述圖案化酒窩陣列由大面積周期性微型酒窩有序陣列組成，制備的酒窩陣列周期為1-10 μ m，酒窩深度為0.3-6 μ m。
[0015]所述三光束激光干涉系統由激光器、分束、折光和整形系統組成，由激光器發出一束激光，經分束系統分成三束相干光束，分束系統是由高反鏡、分光鏡、半波片和偏振片組成，經折光系統使三束相干光空間對稱，整形系統在三光束會聚于樣品前進行光束整形，使他們以一定的入射角同時照射到樣品上，改變三束空間光干涉參數，參數包括波長、空間角、入射角、相位角、偏振狀態、干涉光強和曝光時間等，使三光束激光干涉系統干涉圖案的特征尺寸從納米級到微米級可調，在人工髖關節球頭表面上干涉得到不同周期、密度、特征尺寸和不同深度的酒窩點陣結構。
[0016]在三光束會聚于樣品前對三束光分別進行光束整形，整形系統放置角度依據光束的入射角度而定，使光斑能量分布更加均勻，整形成均勻光束。
[0017]所用激光器輸出波長為1064nm，高斯光束整形成均勻光束，曝光時間為10_70s，激光能量密度為0.15-0.26Jcm 2。
[0018]調整人工髖關節球頭表面酒窩陣列的周期、酒窩深度和形貌、得到低摩擦、高硬度性能的表面，獲得摩擦系數減少64%，硬度增強40%的優化人工髖關節。
[0019]本發明與現有方法和系統相比有以下優點:
[0020](I)現有的關節改性技術多是實現了硬度或摩擦學單方面的優化。采用激光干涉方法制備的圖案化酒窩點陣結構，優化了關節摩擦界面間的摩擦學性能，同時激光的瞬時高溫，在燒蝕材料過程中，使晶粒細化，材料硬度同時得以提高。
[0021](2)本發明由于光路中每一束相干光都使用了光學偏振器件，對每一束光的偏振狀態和光強度分別進行調控，以提高干涉圖形的對比度，使干涉圖形的形狀和質量更精確可控等優點。
[0022](3)由于激光干涉技術可以產生納米級到微米級可調的結構圖案，具有圖形特征尺寸小、圖案密度可調性好的優點。
[0023](4)由于激光干涉技術制作本發明所產生的圖案無需掩膜、曝光場面積大、效率高、制作工藝相對簡單，具有快速、大面積、高效、低成本實現人工髖關節球頭圖案化達到減摩擦、高硬度性能的優點。
[0024](5)由于激光干涉技術制作本發明所產生的微納結構可以通過機械移動基片工件臺