超高分子量聚乙烯的表面改性及其耐磨性能研究.pdf

1、人工關(guān)節(jié)置換是治療嚴(yán)重骨關(guān)節(jié)疾病最終最有效的方法。目前由UHMWPE制成的人工關(guān)節(jié)臼配合金屬或陶瓷制成的關(guān)節(jié)頭已成為臨床最普遍使用的人工關(guān)節(jié)摩擦副。然而在人工關(guān)節(jié)的長(zhǎng)期活動(dòng)中，UHMWPE人工關(guān)節(jié)臼，會(huì)因磨損產(chǎn)生磨屑，而磨屑會(huì)刺激人體內(nèi)的生物反應(yīng)，引起組織發(fā)炎，發(fā)生無菌松動(dòng)，并最終導(dǎo)致人工關(guān)節(jié)的遠(yuǎn)期失效及其它并發(fā)癥。在現(xiàn)有的技術(shù)和醫(yī)療水平下，UHMWPE的使用還將持續(xù)一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，因此通過物理或化學(xué)的手段對(duì)UHMWPE進(jìn)行各種改性，

2、提高其表面硬度和耐磨損性能是解決人工關(guān)節(jié)無菌松動(dòng)與遠(yuǎn)期失效的一種有效手段。本文對(duì)UHMWPE的表面改性正是為了提高其耐磨性能，達(dá)到延緩和減少UHMWPE磨屑之目的。本文對(duì)UHMWPE的表面改性，包含“低溫等離子體活化/強(qiáng)化預(yù)處理”和“DLC薄膜沉積”的雙重改性，低溫等離子體處理和DLC薄膜沉積均采用微波ECR等離子體技術(shù)。全文首先研究了微波ECR等離子體處理對(duì)UHMWPE表面成分與結(jié)構(gòu)、表面形貌、表面能、表面力學(xué)性能及表面摩擦學(xué)性能的影

3、響；然后通過正交實(shí)驗(yàn)詳細(xì)研究了微波ECR等離子過程參數(shù)對(duì)沉積DLC結(jié)構(gòu)的影響；在此基礎(chǔ)上最后通過ECR-PECVD方法在UHMWPE表面沉積DLC薄膜，并對(duì)DLC的結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能及摩擦學(xué)性能進(jìn)行了研究。為了降低DLC與UHMWPE基體間彈性模量的不匹配程度以及UHMWPE在等離子成膜時(shí)的電荷累積效應(yīng)，本文還研究了金屬過渡層(Ti)對(duì)沉積DLC結(jié)構(gòu)和性能的影響。主要結(jié)果如下：
　　 ⑴經(jīng)等離子體處理，UHMWPE表面生成了含氧基團(tuán)

4、和反式乙烯基基團(tuán)，同時(shí)UHMWPE的表面交聯(lián)度和結(jié)晶度也都得到了提高?；钚曰鶊F(tuán)的引入改善了UHMWPE的表面能(潤濕性能)，特別是氧等離子體處理，對(duì)UHMWPE表面能的改善最為顯著；而交聯(lián)度和結(jié)晶度的變化則提高了UHMWPE的表面力學(xué)性能。經(jīng)等離子體處理，UHMWPE表面硬度、抗塑性變形能力都不同程度得到提高，其中經(jīng)O或N等離子體處理其表面綜合力學(xué)性能提高最大(適宜的硬度和韌性等)。
　　 ⑵經(jīng)等離子體處理，UHMWPE表面形貌

5、產(chǎn)生了明顯變化。其中經(jīng)O、H、Ar等離子體處理，UHMWPE表面粗糙度都增加，但差別不明顯；經(jīng)N等離子體處理UHMWPE其表面粗糙度略有降低。
　　 ⑶經(jīng)等離子體處理，UHMWPE的摩擦學(xué)性能產(chǎn)生明顯變化。經(jīng)等離子體處理后，UHMWPE的摩擦系數(shù)都有所增大，但其體積磨損率卻不同程度的有所下降。特別是經(jīng)N或O等離子體處理，UHMWPE磨損率最低。在等離子體的表面改性效果中，對(duì)UHMWPE磨損率影響最大的因素是UHMWPE的表面力學(xué)

6、性能和表面能(潤濕性)。UHMWPE的磨損率隨著UHMWPE表面力學(xué)性能(硬度、抗形變能力)和表面能的增加而降低。
　　 ⑷采用ECR-PECVD技術(shù)制備DLC薄膜時(shí)，不同過程參數(shù)對(duì)沉積DLC中sp3/sp2鍵比例影響的重要性次序?yàn)椋何⒉üβ?氣體流量比>基底偏壓>沉積室壓強(qiáng)。其中sp3/sp2隨著微波功率的增大而減少；隨著C2H2/Ar中Ar分量的增大而增大；隨著基底偏壓的增加而略為增加；隨著沉積室壓強(qiáng)的增加而略為降低。ECR

7、-PECVD技術(shù)中不同過程參數(shù)對(duì)沉積DLC中氫含量影響的重要性次序?yàn)椋夯灼珘?氣體流量比>沉積室壓強(qiáng)>微波功率。其中氫含量隨微波功率增大而增大；隨著真空室壓強(qiáng)的增大而增大；隨著C2H2/Ar中Ar分量的增大而增大；但是隨著基底偏壓的增加，DLC中氫含量逐漸減少。
　　 ⑸利用ECR-PECVD技術(shù)在等離子體活化后的UHMWPE表面成功制備出一種含氫DLC薄膜。UHMWPE經(jīng)等離子體活化提高了其表面能和表面粗糙度，增強(qiáng)了與DLC

8、間的膜基結(jié)合強(qiáng)度。DLC薄膜的沉積，進(jìn)一步提高了UHMWPE的表面硬度、表面抗擦傷能力和耐磨損能力。
　　 ⑹UHMWPE表面金屬過渡層的引入，提高了DLC薄膜的沉積速率和薄膜中sp3鍵的含量，進(jìn)一步提高了UHMWPE的耐磨損性能
　　 ⑺本文采用的“低溫等離子體活化/強(qiáng)化預(yù)處理+DLC薄膜沉積”的雙重表面改性技術(shù)對(duì)提高UHMWPE的耐磨性來說將起到雙重保障作用。將該技術(shù)應(yīng)用于UHMWPE人工關(guān)節(jié)臼的表面改性具有潛在的重