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非晶碳膜改性CoCrMo人工腰椎间盘生物摩擦学性能研究

由腰椎间盘退行性病变导致的腰背痛是导致人类残疾的主要原因之一，人工腰椎间盘置换术是一种理想的手术治疗方案。人工腰椎间盘假体可取代病变腰椎间盘，恢复腰椎间隙高度，重建脊柱运动等生理功能，但目前CoCrMo材质的人工腰椎间盘假体摩擦磨损问题严重影响其服役寿命，高耐磨假体研发成为临床亟需。本文针对现有CoCrMo假体摩擦磨损问题，利用非晶碳膜对CoCrMo合金进行表面改性以提高人工腰椎间盘生物摩擦学性能。

本文使用UBMS方法成功地在CoCrMo合金上制备了Cr-GLC、Zr-GLC、Ta-GLC、Ti-GLC、Cu-GLC和Si-GLC等6种掺杂类GLC薄膜，综合研究其微观结构、机械性能、结合力、腐蚀性能、生物摩擦学性能和细胞相容性。其中Cu-GLC显示出纳米晶均匀镶嵌在非晶碳结构中的微观结构特征，相比于其他薄膜，其具有最好的膜基结合力，且磨损率低，生物摩擦学性能好，同时具有一定的抗菌性，Cu靶材相对便宜，易于产业化，可作为新一代CoCrMo人工腰椎间盘假体的涂层材料。在假体设计方面，根据中国人腰椎尺寸，设计了适合中国人腰椎结构的CoCrMo人工腰椎间盘假体。揭示了传统制造CoCrMo假体在模拟腰椎运动工况下的球窝磨损机理，其呈现“飞鸟”状、“线条”状等多种磨损形貌，发生了严重的磨粒磨损、黏着磨损、鳞片状磨损和犁沟痕迹。而含Cu-GLC涂层的CoCrMo假体表面磨损较轻微，相比于未涂层假体，磨损质量降低了50倍。本文同时研究了金属3D打印CoCrMo假体在人工腰椎间盘领域应用的可能性。含Cu-GLC改性金属3D打印CoCrMo合金显著增强了原有假体生物摩擦学性能，为金属3D打印后续个性化、多孔梯度化设计在人工腰椎间盘假体领域应用提供科学依据。球窝假体体外磨损产生的磨屑颗粒和离子释放分析结果显示，CoCrMo假体磨屑以团簇形态存在，而含Cu-GLC涂层的CoCrMo假体磨屑以纳米颗粒形态存在，显著地减少了CoCrMo金属离子的释放。

本文成功制备了一种耐磨损、抗腐蚀、高结合力、具有一定抗菌性和良好细胞相容性的Cu-GLC薄膜，并用于CoCrMo人工腰椎间盘假体表面改性，全方位评估了Cu-GLC薄膜改性传统制造和金属3D打印CoCrMo合金在人工腰椎间盘假体领域应用的生物摩擦学性能，为国产人工腰椎间盘产业化提供一定的理论依据。

关键词：CoCrMo；非晶碳膜；人工腰椎间盘；摩擦磨损；掺杂