一種激光沖擊微造型鈦合金人工髖關(guān)節(jié)臼杯的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光沖擊微造型鈦合金人工髖關(guān)節(jié)臼杯的方法，屬于醫(yī)學(xué)骨外科植入物領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]中國人口現(xiàn)在已經(jīng)逐漸進(jìn)入老齡化階段，隨著人體的老年化以及各種疾病、創(chuàng)傷對(duì)人體髖關(guān)節(jié)的影響，致使髖關(guān)節(jié)部分功能或者全部損壞失效，致使患者的行動(dòng)能力嚴(yán)重受到限制。在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)上解決這一問題，通常是采用手術(shù)進(jìn)行人工關(guān)節(jié)的的置換，稱之為人工關(guān)節(jié)置換術(shù)。通過此方法不僅可以徹底的消除關(guān)節(jié)的疼痛，而且可以恢復(fù)關(guān)節(jié)的正常功能，使患者能夠輕松自如的從事日常活動(dòng)，投入正常的生活工作中。
[0003]人體的大部分活動(dòng)都離不開髖關(guān)節(jié)，是負(fù)荷較大的關(guān)節(jié)之一，如日常生活中行走、坐、跑、跳都離不開髖關(guān)節(jié)。髖關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)頻率高、載荷大等特點(diǎn)，故臨床研宄發(fā)現(xiàn)其病變率也高。綜上述髖關(guān)節(jié)的特點(diǎn)，人工假體髖關(guān)節(jié)擁有良好的耐磨性能是非常重要的，否則可能會(huì)由于摩擦磨損引起關(guān)節(jié)松動(dòng)。在現(xiàn)階段，關(guān)鍵性問題就是如何增強(qiáng)人工髖關(guān)節(jié)白杯的耐磨性問題。
[0004]人工髖關(guān)節(jié)白杯在髖關(guān)節(jié)中代替人體髖關(guān)節(jié)，與人工股骨球頭組合形成運(yùn)動(dòng)以及負(fù)荷的承載面。人工髖關(guān)節(jié)白杯主要由鈦合金、陶瓷、鈷鉻鉬合金、塑料等制造。在臨床的實(shí)際應(yīng)用中，人工髖關(guān)節(jié)臼杯的耐磨性能直接影響人工髖關(guān)節(jié)的性能。傳統(tǒng)的醫(yī)用鈦合金改性技術(shù)中大多采用化學(xué)或熱處理加工方法，如上海大學(xué)華子愷的人工髖關(guān)節(jié)杯白(專利號(hào):201310057757.X)，加工條件苛刻，而且采用化學(xué)處理的方法可能會(huì)引起人體組織的病變。采用等離子噴涂技術(shù)在材料表面制備涂層，能有效降低表面摩擦系數(shù)，但與基體結(jié)合強(qiáng)度不高容易開裂。采用離子注入技術(shù)制備改性層提高耐磨性能，但產(chǎn)生的磨粒中可能含有對(duì)人體有害的化學(xué)元素，引起周圍組織的病變。另外，一旦人工髖關(guān)節(jié)植入人體后，由于上述缺陷導(dǎo)致髖關(guān)節(jié)不能夠正?；顒?dòng)，需要對(duì)病人進(jìn)行二次手術(shù)，這將給患者帶來嚴(yán)重的痛苦和昂貴的醫(yī)療費(fèi)用，因此醫(yī)用鈦合金人工髖關(guān)節(jié)臼杯的耐磨性能亟須解決。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明提供一種激光沖擊微造型鈦合金人工髖關(guān)節(jié)白杯的方法，采用激光沖擊微造型技術(shù)屬于冷加工表面處理，不需要引入其他化學(xué)成分，對(duì)人體無任何副作用。
[0006]技術(shù)方案:為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的一種激光沖擊微造型鈦合金人工髖關(guān)節(jié)臼杯的方法，該加工裝置包含激光器、聚焦透鏡和工作臺(tái)，包括以下步驟:
[0007](I)將鈦合金臼杯底部易磨損區(qū)域拋光，然后用酒精清洗干凈并干燥，在易磨損區(qū)域噴涂一層黑漆作為能量吸收層；
[0008](2)將鈦合金白杯安裝在工作臺(tái)上，在能量吸收層上設(shè)有約束層，設(shè)置激光器參數(shù)，激光波長532nm，單脈沖激光能量0J〈E〈2J，脈沖寬度8ns，重復(fù)頻率I?10Hz，光斑直徑Omm<d^ 1mm，激光通過聚焦透鏡照射在鈦合金白杯底部易磨損區(qū)域形成微凹坑；
[0009](3)通過移動(dòng)工作平臺(tái)，激光器在鈦合金白杯底面加工出微凹坑陣列，微凹坑陣列以人工髖關(guān)節(jié)白杯的底部中心為圓心，并以垂直于人工髖關(guān)節(jié)底部并經(jīng)過圓心的直線為中心線形成環(huán)形陣列；
[0010](4)除去鈦合金臼杯表面黑漆，利用超聲波清洗微造型表面。
[0011]作為優(yōu)選，所述步驟(2)中約束層是水，厚度為3mm。
[0012]作為優(yōu)選，所述步驟(3)中環(huán)形陣列相鄰環(huán)之間的距離0〈L〈3d。
[0013]在本發(fā)明中，加工的人工髖關(guān)節(jié)臼杯能夠顯著的提高醫(yī)用鈦合金制成的人工髖關(guān)節(jié)臼杯的耐磨性問題，并且改進(jìn)了其摩擦副的潤滑性能，減小了磨粒產(chǎn)生的可能性以及震動(dòng)的產(chǎn)生，增加了人工髖關(guān)節(jié)的使用壽命。上述的激光沖擊微造型區(qū)域主要分布在人工髖關(guān)節(jié)臼杯的內(nèi)表面底部的易磨損區(qū)域，以人工髖關(guān)節(jié)臼杯的底部中心為圓心，并以垂直于人工髖關(guān)節(jié)底部并經(jīng)過圓心的直線為中心線形成環(huán)形陣列，形成圓形減摩抗磨帶，相鄰環(huán)形帶之間的距離L為0〈L〈3d，d為光斑直徑。
[0014]本發(fā)明的原理:在人工髖關(guān)節(jié)白杯的易磨損內(nèi)表面進(jìn)行激光沖擊微造型，被激光沖擊微造型的臼杯區(qū)域表層金屬的晶粒得到了細(xì)化，晶粒的細(xì)化與耐磨性能有著直接的關(guān)系；其次激光沖擊微造型的微小微凹坑可以作為關(guān)節(jié)液的存儲(chǔ)器，防止干摩擦的產(chǎn)生；最后在中速或者快速走路的情況下，能夠增加髖關(guān)節(jié)摩擦副內(nèi)彈性流體動(dòng)力潤滑的發(fā)生概率。通過本發(fā)明，能夠有效的提高人工髖關(guān)節(jié)白杯的耐磨性能，防止干摩擦，增加浸潤度，減小摩擦副震動(dòng)的產(chǎn)生，增加髖關(guān)節(jié)的使用壽命。
[0015]有益效果:本發(fā)明的激光沖擊微造型鈦合金人工髖關(guān)節(jié)臼杯的方法，相比現(xiàn)有技術(shù)，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0016]1.本發(fā)明采用激光沖擊微造型技術(shù)屬于冷加工表面處理，不需要引入其他化學(xué)成分，對(duì)人體無任何副作用。
[0017]2.激光沖擊微造型鈦合金人工髖關(guān)節(jié)白杯與當(dāng)前人工髖關(guān)節(jié)白杯相比，顯著提高了臼杯底部的耐磨性能。
[0018]3.激光沖擊微造型鈦合金人工髖關(guān)節(jié)白杯，微凹坑可以作為關(guān)節(jié)液的存儲(chǔ)器，防止干摩擦的產(chǎn)生，在中速或快速走步的情況下顯著提高了流體動(dòng)力潤滑的產(chǎn)生，減小了震動(dòng)。
[0019]4.激光沖擊微造型鈦合金人工髖關(guān)節(jié)白杯，微造型產(chǎn)生的微凹坑也可以作為磨粒的捕捉器，減小了磨粒磨損，提高了臼杯的使用壽命。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明的原理示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明加工過的人工髖關(guān)節(jié)臼杯的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為本發(fā)明的加工裝置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0024]如圖1所示，本發(fā)明的原理:在工作臺(tái)11上安裝有靶材5，靶材5的上方設(shè)有激光器10，激光器10發(fā)射的激光束2通過聚焦透鏡I照射在靶材5上，靶材5上依次設(shè)有能量吸收層4和約束層3，激光通過沖擊波7在靶材5的表面形成微凹坑6。
[0025]如圖3所示，本發(fā)明的加工裝置包含激光器10、聚焦透鏡I和工作臺(tái)11，激光器10發(fā)生的激光束2通過聚焦透鏡I照射在工作臺(tái)11上的髖關(guān)節(jié)臼杯8的易磨損區(qū)域9。
[0026]一種激光沖擊微造型鈦合金人工髖關(guān)節(jié)白杯的方法，包括以下步驟:
[0027](I)將鈦合金臼杯底部易磨損區(qū)域9拋光，然后用酒精清洗干凈并干燥，在易磨損區(qū)域9噴涂一層黑漆作為能量吸收層4 ;
[0028](2)將鈦合金臼杯安裝在工作臺(tái)11上，在能量吸收層4上設(shè)有約束層3，約束層3厚度為3mm，設(shè)置激光器10參數(shù)，激光波長532nm，單脈沖激光能量1J，脈沖寬度8ns，重復(fù)頻率I?10Hz，光斑直徑0.6mm，激光通過聚焦透鏡I照射在鈦合金白杯底部易磨損區(qū)域9形成微凹坑，微凹坑形狀為小半球形，凹坑直徑在100-300 μm，凹坑深度1-30 μπι ;
[0029](3)通過移動(dòng)工作平臺(tái)，激光器10在鈦合金白杯底面加工出微凹坑6陣列，微凹坑6陣列呈環(huán)形排列；
[0030](4)除去鈦合金臼杯表面黑漆，利用超聲波清洗微造型表面，人工髖關(guān)節(jié)臼杯8如圖2所示。
[0031]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出:對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種激光沖擊微造型鈦合金人工髖關(guān)節(jié)白杯的方法，該方法的加工裝置包含激光器、聚焦透鏡和工作臺(tái)，包括以下步驟: (1)將鈦合金白杯底部易磨損區(qū)域拋光，然后用酒精清洗干凈并干燥，在易磨損區(qū)域噴涂一層黑漆作為能量吸收層； (2)將鈦合金白杯安裝在工作臺(tái)上，在能量吸收層上設(shè)有約束層，設(shè)置激光器參數(shù)，激光波長532nm，單脈沖激光能量0J〈E〈2J，脈沖寬度8ns，重復(fù)頻率I?10Hz，光斑直徑Omm<d ( 1mm，激光通過聚焦透鏡照射在鈦合金白杯底部易磨損區(qū)域形成微凹坑，微凹坑形狀為小半球形，凹坑直徑在100-300 μ m，凹坑深度1-30 μ m ； (3)通過移動(dòng)工作平臺(tái)，激光器在鈦合金白杯底面加工出微凹坑陣列，微凹坑陣列以人工髖關(guān)節(jié)臼杯的底部中心為圓心，并以垂直于人工髖關(guān)節(jié)底部并經(jīng)過圓心的直線為中心線形成環(huán)形陣列； (4)除去鈦合金臼杯表面黑漆，利用超聲波清洗微造型表面。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光沖擊微造型鈦合金人工髖關(guān)節(jié)白杯的方法，其特征在于:所述步驟(2)中約束層是水，厚度為3mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光沖擊微造型鈦合金人工髖關(guān)節(jié)白杯的方法，其特征在于:所述步驟(3)中環(huán)形陣列相鄰環(huán)之間的距離0〈L〈3d。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種激光沖擊微造型鈦合金人工髖關(guān)節(jié)臼杯的方法，包括以下步驟：(1)將鈦合金臼杯底部易磨損區(qū)域拋光，然后用酒精清洗干凈并干燥，在易磨損區(qū)域噴涂一層黑漆作為能量吸收層；(2)將鈦合金臼杯安裝在工作臺(tái)上，設(shè)置激光器參數(shù)，激光束通過聚焦透鏡照射在鈦合金臼杯底部易磨損區(qū)域形成微凹坑；(3)通過移動(dòng)工作平臺(tái)，激光器在鈦合金臼杯底面加工出微凹坑陣列；(4)除去鈦合金臼杯表面黑漆，利用超聲波清洗微造型表面。本發(fā)明采用激光沖擊微造型技術(shù)屬于冷加工表面處理，不需要引入其他化學(xué)成分，對(duì)人體無任何副作用，通過激光沖擊微造型鈦合金人工髖關(guān)節(jié)臼杯與當(dāng)前人工髖關(guān)節(jié)臼杯相比，顯著提高了臼杯底部的耐磨性能。
【IPC分類】A61F2/34
【公開號(hào)】CN104983487
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510418547
【發(fā)明人】樊玉杰, 郭二彬, 李明堯, 戴毅斌, 劉曉宇, 蔣彭勝
【申請(qǐng)人】江蘇科技大學(xué)
【公開日】2015年10月21日
【申請(qǐng)日】2015年7月16日