CoCrMo合金沉积DLC膜的摩擦学性能及金属离子释放研究

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钴铬钼合金因具有优良的力学性能、耐磨性和耐腐蚀性而成为目前骨科植入物领域应用最为广泛的材料之一。但是临床应用中,钴铬钼合金中由于钴、铬离子的释放和毒性成为关节置换中的隐患,严重影响着人工关节的使用寿命。类金刚石薄膜具有高硬度、低摩擦系数、生物相容性等优异的综合性能,可用作关节植入器件的表面保护层以减少磨损颗粒的形成和阻碍金属离子从基体中释放出来。在医用钴铬钼合金表面制备DLC膜,可以改善钴铬钼合金的耐磨性,减少金属材料的磨屑,降低人工关节植入后无菌松动的发生率,并且可以解决金属离子释放问题,提高人工关节的生物相容性,对医用CoCrMo合金在人工关节中更好的应用有着重要的意义。本文采用离子源和中频磁控溅射复合技术在钴铬钼合金表面沉积类金刚石薄膜。利用拉曼光谱、X射线衍射仪和能谱仪等仪器对CoCrMo合金表面沉积DLC膜的成分结构、表面形貌、硬度、膜厚和结合力、接触角以及耐腐蚀性等一系列基本性能进行表征;利用Abaqus软件计算沉积DLC膜后对试样应力产生的影响;考察沉积DLC膜后分别与氧化锆球和超高分子量聚乙烯销配副在不同生物溶液润滑条件下的摩擦学性能;在生理盐水中浸泡沉积DLC膜的试样和CoCrMo合金,提取浸泡液测量离子浓度,考察离子释放情况;最后,对CoCrMo合金和沉积DLC膜后的试样分别进行血液相容性包括血小板消耗率、溶血率和细胞毒性实验,考察DLC膜的生物相容相关性能。结果表明:利用离子源和中频磁控溅射复合技术在CoCrMo表面沉积DLC膜,表面平整并伴有少许孔洞,硬度提高,厚度约3μm,结合力为4.5N。DLC膜在去离子水和生理盐水中的接触角下降,在生理盐水中腐蚀电位正移、腐蚀电流密度降低,润湿性、耐腐蚀性等综合性能较CoCrMo基体有所改善。薄膜的存在使系统的整体应力增大,Mises应力在膜基结合处产生突变;摩擦系数对表面的应力大小和分布影响显著,对界面处影响很小。摩擦磨损试验表明,沉积DLC膜后的试样与ZrO2配副时,在干摩擦以及两种润滑条件下的摩擦系数稳定在0.1左右,与CoCrMo基体相比,摩擦系数减小,波动程度轻微。钴铬钼基体与ZrO2球配副时,磨损机制主要为磨粒磨损;而DLC膜磨损程度轻,仅显示出光亮的磨损痕迹。与UHMWPE配副时,沉积DLC膜后,在干摩擦以及两种润滑条件下的摩擦系数和波动程度与CoCrMo比均有不同程度的降低,不仅降低基体材料的磨损率,也使UHMWPE的磨损率明显降低,减摩抗磨效果显著。金属离子释放及相关性能试验表明,CoCrMo基体材料表面浸泡后形成大面积的材料剥落和明显的腐蚀痕迹,而沉积DLC膜表面出现腐蚀针孔;沉积DLC膜试样中的Cr离子释放缓慢,对Cr离子的封装起到一定的效果;而Co离子浓度随着时间的增大显著减小,但均大于基体材料中的Co离子浓度。沉积DLC膜后试样的血小板消耗率由12.8%降为10.2%,溶血率从1.49%降为0.55%,说明沉积DLC膜对钴铬钼合金的血液相容性有不同程度的提高。沉积DLC膜试样与细胞接触后的吸光度值与基体材料相比增加了9.8%,说明沉积DLC膜有效地降低试样对细胞的毒性。
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