层状陶瓷医疗植入物的制作方法

专利名称：层状陶瓷医疗植入物的制作方法
技术领域：
本发明涉及由锆或锆合金制造的层状陶瓷金属医疗植入物。新型组合物已用于例 如医疗植入物的关节连接和非关节连接(non-articulating)表面。本发明还涉及包含新 型组合物的矫形(orthopedic)植入物、制造新型组合物的方法和制造包含新型组合物的 医疗植入物的方法。虽然本植入组合物在硬对软(hard-on-soft)应用(例如，本发明的医 疗植入组件以关节与聚乙烯正对连接)中是有用的，本发明还包括该新型医疗植入组合物 在髋、膝、脊柱或其他植入物中的硬对硬(hard-on-hard)应用中的用途(例如，本组合物以 关节与其本身或其他硬质材料和陶瓷正对连接)。
背景技术：
医疗植入材料，特别地矫形植入材料，寻求组合高强度、耐蚀性和组织相容性。植 入物的长寿命是最重要的，尤其当植入物的接受者相对年轻时，因为期望植入物在患者的 终生都起作用。因为某些金属合金具有需要的机械强度和生物相容性，因此它们是用于假 体制造的理想候选物。此类合金包括316L不锈钢、铬-钴-钼合金(CoCr)、钛合金和更近 以来已被证明是最适合于制造载荷和非载荷假体的材料的锆合金。为此目的，已显示氧化的锆矫形植入物显著减少以关节与聚乙烯表面正对连接的 氧化的锆矫形植入物的聚乙烯磨损。氧化物表面例如氧化的锆在矫形应用中的用途最早由 戴维逊(Davidson)在美国专利5，037，438中展示。之前已对在锆合金部件上产生氧化的 锆层以增加它们的耐磨性作了许多努力。一个这样的方法描述于授予沃森(Watson)的美 国专利3，615，885，该专利公开了用于在锆合金2和锆合金4上产生厚(达到0. 23mm)氧化 层的方法。然而，该方法导致显著的维度变化，并且产生的氧化膜不展示特别高的耐磨性。授予沃森的美国专利2，987，352公开了在锆合金部件上产生深蓝色氧化层以增 加它们的耐磨性的方法。深蓝色是在表面上形成的氧化锆的外观。美国专利2，987，352和 美国专利3，615，885都通过空气氧化在锆合金上产生氧化锆层。美国专利3，615，885继续 进行空气氧化长至足以产生比美国专利2，987，352的深蓝色层更厚的浅褐色层。之所以看 到浅褐色外观是因为氧化物表面上存在细微裂缝。细微裂缝的存在可导致表面氧化物颗粒 的剥落或去除，从而不可用于许多其中存在两个紧密相邻的工作面的组件。虽然深蓝色层的硬度与浅褐色层的硬度相似，但深蓝色层具有比浅褐色层的厚度 薄的厚度。该深蓝色氧化物层更适用于表面例如假体装置。尽管深蓝色层比浅褐色层更耐 磨损，但其是相对薄的层。如上所论述的，授予戴维逊的美国专利5，037，438公开了产生具有氧化的锆表面 的锆合金假体的方法。授予戴维逊的美国专利5，180，394公开了具有深蓝色氧化锆或氮化 锆表面的矫形植入物。授予沃森的美国专利2，987，352公开了产生具有氧化的锆表面的锆支撑物(bearing)。所产生的氧化物层在厚度上不总是均勻的并且非均勻地减少锆合金与 氧化物层之间结合的整体性以及氧化物层内的结合的整体性。美国专利2，987，352和美国 专利5，037，438视同全文引用，合并入本文中。在美国专利6，447，550和6，585，772以及美国专利公开号2006/0058888中，亨特 (Hunter)等人描述了用于获得均勻厚度的氧化的锆层的方法。亨特教导这可通过应用预氧 化处理技术和利用基体微结构的控制来获得。均勻厚度的氧化物层的使用导致增加的抗由 体液的作用产生的腐蚀的性能和其他益处，所述氧化物层是生物相容的并且在患者中终生 稳定。美国专利6，447，550和6，585，772以及美国专利公开号2006/0058888视同全文引 用合并入本文中。锆合金通常是软的。此类合金的硬度范围可在1.5至3Gpa之间。因为此类合金是软的，所以它们可用容易地被更硬的材料磨损。如现有技术中所描述的，锆合金的耐磨性 可通过氧化或氮化此类合金来提高。聚乙烯对氧化的锆表面的磨损的显著减小归功于氧化 物的更硬的陶瓷性质。氧化锆表面的硬度大约为12Gpa。氧化的锆植入物通常具有5至6 微米厚的陶瓷表面(氧化锆)，该表面通过空气中热驱动扩散过程形成。氧化锆的下面是 大约1.5至2微米的坚硬的富氧扩散层。扩散区下面是更软的锆合金基体。

图1显示了由 戴维逊和亨特教导的此类氧化的锆结构(在本文中称为“戴维逊型”氧化的锆)的示意性 横截面图，图2显示了戴维逊型氧化的锆的硬度分布曲线(profile) (Μ. Long,L. Reister和 G. Hunter,Proc.24th Annual Meeting of the Society For Biomaterials, April 22-26, 1998, San Diego, California, USA)。氧化的锆相对于常规钴铬和不锈钢合金取得了巨大进步。仍然存在改进的空 间。硬化区的整体(氧化物+扩散硬化合金)使得植入物能够耐微观磨损(例如，来自第 三体例如骨水泥、骨碎片、金属碎片等的)和抗宏观撞击(外科器械和来自与金属髋臼杯 (acetabular shell)的脱位/半脱位接触)的性能略微降低。虽然亨特和米什拉(Mishra) (美国专利6，726，725)已提出这样的用途，但此类植入物的更小的硬化深度使得它们对于 硬对硬应用来说不是最理想的。亨特‘725教导为了进行此类应用可将氧化物厚度增加至 20微米。具有此类厚度的戴维逊型氧化物组合物，虽然高度耐磨，但当氧化物厚度增加至 20微米时可具有许多氧化物层缺陷。此类缺陷可导致氧化物的局部剥落。此外，在氧化物 下面的戴维逊型组合物中，存在相对小的扩散硬化区。因此，虽然戴维逊型组合物展示与许 多常规金属相比更优的耐磨性，但仍有存在改进的空间。在硬对硬应用例如在髋关节中，材料以关节与其本身或另一种硬化或非硬化金属 而非聚乙烯正对连接。这样的类型的植入物的磨损率可以高至每年1微米。由于硬化层整 体(氧化物层和扩散层)具有不到7微米(大约5微米氧化物和2微米的氧化物下扩散硬 化层)的厚度，因此戴维逊型氧化的锆植入物，虽然在最初引入时代表现有技术水平并且 仍然相当有用，但在此类应用中具有改进的空间。目前存在两个主要类型的可商购获得的硬对硬髋部植入物，即金属对金属和陶瓷 对陶瓷类型。金属对金属植入物的目前标准材料是高碳Co-Cr合金。对于金属对金属植 入物的主要担心是金属离子从关节释放以及其对人体生理的未知作用。金属对金属植入 物的有利方面是它们可以以更大的尺寸使用。植入物的更大尺寸使得植入物能够具有更 大的活动度和稳定性。还已显示金属对金属植入物对于其中期望骨头保留的关节面重建(resurfacing)类型的应用是有用的。在这样的更大的关节中，常规或交联的聚乙烯不是优选的，金属对金属可以是唯一可获得的选择。更大的大小要求聚乙烯衬里更薄。更薄的衬 里机械强度可能不强，可能更易蠕动或可导致增加的磨损和骨质溶解(osteolysis)以及 最终植入的失败。其他常用的硬对硬植材料是陶瓷对陶瓷。陶瓷对陶瓷植入物的目前标准 材料是氧化铝。氧化铝的表面硬度为大约20至30GPa.。对于此类植入物，金属离子的释放 通常不是个问题。但由于陶瓷的有限韧性和易碎性质，难以在更大的尺寸上制造此类植入 物。陶瓷组件具有有限的破裂概率，因而导致潜在的连接失效和与关节骨折相关的并发症。提高氧化的锆的表面硬度的方法之一是形成氮化锆而非氧化锆。肯普(Kemp)(美 国专利5，399，207)描述了使用流化床加热炉制造氧化的或氮化的锆组合物的方法。肯普 声称可从1300° F(700°C )至1600° F(870°C )进行氮化。肯普教导使用纯氮气而非空气 或氧气来获得表面的氮化。授予戴维逊的美国专利公开了具有深蓝色氧化锆或氮化锆表面 的矫形植入物。要指出的是，氮化锆通常呈现金黄色，从而可与深蓝色氧化锆相区别。戴维 逊教导氮化物层可在氮气氛中在800°C下于大约1个小时内形成。这样的高温的使用可导 致微观结构变化例如晶粒增长。此类变化接着可影响基体的机械性质。更高的温度处理还 可在维度上扭曲正在制造的组件。应当指出，氮化锆可以不附着以及同样地氧化锆也不附 着锆合金基体。还应当指出，在所有现有技术中，所使用的方法可制造氧化锆或制造氮化 ,告。之前已描述了增加钛合金中硬化深度的技术。其主要包括通过在富氧环境 中处理，然后在缺氧惰性环境中热处理物件来在物件表面上形成氧化物的方法。由 Takamura(Trans JIM，第3卷，1962，p. 10)提供的一个方法是氧化钛样品，然后在惰性气体 例如氩气中对其进行处理。这显然是让氧气在基体中扩散并且形成厚扩散区。氧在扩散层 中的存在导致硬化。由Dong等人(美国专利6，833，197)提出的另一个方法是使用真空或 惰性气体获得缺氧环境，从而在氧化后实现扩散硬化。由Takamura和Dong等人确定的用 于氧化的优选温度是850°C以及用于扩散硬化(真空处理)的优选温度是850°C。这样的 高温的使用可导致微观结构变化例如晶粒生长。此类变化接着可影响基体的机械性质。更 高的温度处理还可在维度上扭曲正在制造的组件。Dong等人提出用于钛和锆以及钛/锆 合金的该方法。关于此类方法，特别地用于锆合金的方法的一个问题是氧化和扩散硬化温 度非常高，并且在扩散硬化后可在基体中导致厚且破裂的(有缺陷的)氧化物以及裂缝。 Dong使用钛合金演示了其方法；未曾显示过关于基于锆/铌或基于钛/锆/铌的合金的实 例。此外，Dong和Takamura都要求在惰性气氛例如氩气中或真空中将氧化物完全溶解在基 体中。Dong还教导了作为该氧化物的完全溶解的结果的扩散硬化被组成图案的金属区的S 形硬度分布曲线。S形扩散硬化区分布曲线需要氧化物完全溶解在基体中。另一个方法由 Pawar等人(美国专利申请号20070137734)提出。Pawar等人教导了通过小心地控制氧化 以及真空扩散处理的温度和时间获得硬化的深度和无缺陷陶瓷表面的方法。Pawar等还教 导了形成扩散硬化区的误差函数型层状硬度分布曲线的方法。然而，给方法教导了只有一 种类型的无缺陷陶瓷层例如氧化物或氮化物的形成。美国专利6，833，197和美国专利公开 号20070137734视同全文引用合并入本文中。之前显示的方法以降低表面层至基体的附着和限制硬化深度为代价来增加表面 硬度，或相反地，通过以产生表面变形和不利地影响表面硬度为代价在惰性气体氛围中通过加热来增加硬化深度。在一些方法中，获得具有增加的硬化深度的无缺陷陶瓷层。在所 有此类方法中，表面只具有一层陶瓷层。本发明的发明者已发现可使用反应性气体而不使 用真空或惰性气氛。该反应性气体接着将使表面层转化成不同类型的陶瓷例如氮化物或氧 化物或氮氧化物。这产生了未曾在现有技术中出现的组合物的层状陶瓷结构。因此可定制 该层状陶瓷结构以利用形成的陶瓷表面。例如，表面上的第一层可以是坚硬的氮化锆，其为 高度反光的金黄色外观表面。该氮化物下面的层可以是深蓝色氧化锆。可产生几个这样的 层组合来获得表面硬度和此类陶瓷层的特定特征。发明概述在本发明的一个实施方案中，存在医疗植入物，其包括含有锆或锆合金的基 体；与所述基体接触的扩散硬化区，所述扩散硬化区包含锆或锆合金以及扩散硬化物类 (species)，所述扩散硬化区具有大于2微米的厚度；和任选地，具有包含至少两层的层状 结构的陶瓷区，其中所述陶瓷区与所述扩散硬化区接触，并且所述陶瓷层厚度范围在0. 1 至25微米之间；和其中陶瓷区和扩散硬化区的总厚度为5微米或更大。在一些实施方案中，陶瓷区存在并且包括包含至少两层的层状结构，其中所述陶 瓷区与所述扩散硬化区接触，并且所述陶瓷层厚度范围在0. 1至25微米之间。在一些实施方案中，陶瓷区中的层包含锆、氧、氮、硼、碳或其任何组合。在一些实施方案中，基体还包含钛、钽、铪、铌或其任何组合。在一些实施方案中，层状陶瓷区包括三层并且具有包含锆和氮的表面层、与表面 层相邻的第二层，其包含锆、氧和氮；和与所述第二层相邻的第三层，其包含锆和氧。在一些实施方案中，层状陶瓷区包括两层并且具有包含锆、氧和氮的表面层；和 与所述表面层相邻的第二层，其包含锆和氧。在一些实施方案中，层状陶瓷区包括两层并且具有包含锆和氮的顶层；和与所 述顶层相邻的第二层，其包含锆和氧。在一些实施方案中，层状陶瓷区的单层具有0. 1微米至10微米的厚度。在一些实施方案中，层状陶瓷区的总厚度是0. 5微米至50微米。在一些实施方案中，陶瓷区形成所述植入物的表面以及所述层状扩散区位于所述 陶瓷区的下方。在一些实施方案中，根据金相分析，扩散硬化区具有包括至少两个不同层的层状 结构。在一些实施方案中，扩散硬化区包含选自氧、氮、硼、碳和其任何组合的扩散硬化 物类。在一些实施方案中，扩散硬化物类包括氧和/或氮。在一些实施方案中，扩散硬化区具有朝基体方向上减少的氧浓度，所述氧浓度 的减少是由选自误差函数、指数函数、近似单值分布函数(near uniform distribution function)和其任何顺序组合的函数来确定的。在一些实施方案中，所述扩散硬化区的第一层的厚度大于或等于所述第二层和任 何附加层(如果存在任何所述附加层的话)的厚度。在一些实施方案中，扩散硬化区具有5至70微米的厚度。在一些实施方案中，扩散硬化区具有10至50微米的厚度。
在一些实施方案中，扩散硬化区具有2微米至100微米的厚度。在一些实施方案中，扩散硬化区的厚度比基体的厚度厚至少10%。在一些实施方案中，基体包含锆和铌的合金，并且具有至少(w/w)的铌含量。在一些实施方案中，基体包含锆和铌的合金，并且具有至少(w/w)的铌含量。在一些实施方案中，医疗植入物选自肩植入物、肘矫形植入物、脊椎植入物、髋部 植入物、膝植入物和脊柱植入物。在一些实施方案中，存在制造层状医疗植入物的方法，包括步骤形成所述锆或锆 合金的医疗植入物；在500至1000°C的温度下在形成陶瓷的物类存在的情况下处理所述植 入物大于2分钟；和，之后在500至1000°C的温度下在反应性气体中处理所述植入物。在一些实施方案中，重复形成所述锆或锆合金的医疗植入物；在500至1000°C 的温度下在形成陶瓷的物类存在的情况下处理所述植入物大于2分钟；和，之后在500至 1000°C的温度下在反应性气体下处理所述植入物的步骤。在一些实施方案中，进行所述在500至1000°C的温度下在形成陶瓷的物类存在的 情况下处理所述植入物大于2分钟的步骤5分钟至12小时。在一些实施方案中，进行所述在500至1000°C的温度下在反应性气体下处理所述 植入物的步骤15分钟至30小时。在一些实施方案中，在氮中进行所述之后在反应性气体下处理所述植入物的步
马聚o在一些实施方案中，在甲烷中进行所述之后在反应性气体下处理所述植入物的步
马聚o在一些实施方案中，通过将植入物置于固体反应性混合物来进行所述处理的步
马聚o在一些实施方案中，在氮气氛下进行在500至1000°C的温度下在形成陶瓷的物类 存在的情况下处理所述植入物大于2分钟的步骤。在一些实施方案中，在氮和氩混合物中进行在500至1000°C的温度下在形成陶瓷 的物类存在的情况下处理所述植入物大于2分钟的步骤。在一些实施方案中，在甲烷和氮混合物中进行在500至1000°C的温度下在形成陶 瓷的物类存在的情况下处理所述植入物大于2分钟的步骤。在一些实施方案中，所述反应性气体以低于10_4至760托的分压存在。在一些实施方案中，所述反应性气体以0. 05至500托的分压存在。在一些实施方案中，在500至1000°C的温度下在形成陶瓷的物类存在的情况下处 理所述植入物大于2分钟的步骤和之后在500至1000°C的温度下在反应性气体中处理所 述植入物的所述步骤包括用选自氧、氮、硼、碳和任何其组合的扩散硬化物类处理所述植入 物。在一些实施方案中，方法还包括将植入物经历表面制备技术以形成附着氧化物。在一些实施方案中，方法包括步骤在对流加热炉中在635°C下在空气中(大约 760托)氧化锆-2. 5wt%铌合金样品110分钟，将样品置于真空加热炉并且控制氮的分压， 将加热炉的压力泵至10_4托以下，在大约1小时内加热样品至685°C，导入高纯度氮气并且 将分压维持在400至500毫托，在685°C下在氮气氛中维持样品，进行7. 5小时，在30分钟内将样品在氮气氛下冷却至室温；和，将样品进行切片并且使用金相技术评估样品。为了可以更好地理解随后的本发明的详细说明，上述内容已相当广泛地概括了本 发明的特征和技术有利方面。在下文中将描述形成本发明的权利要求的主题的本发明的 另外的特征和有利方面。本领域技术人员应了解，公开的概念和特定的实施方案可被容易 地用作改进或设计用于进行本发明的相同目的的其他结构的基础。本领域技术人员还应认 识到，此类等同的结构不背离所述权利要求中所示的本发明的精神和范围。根据下列描述 (当与附图结合起来考虑时)将更好地理解据认为是本发明的特征的新特征(关于其组织 和操作方法的)与其他目的和有利方面。然而，将很容易理解，每一个图只是提供用来举例 说明和描述的而不旨在作为对本发明的限制的界定。附图概述为了更全面地理解本发明，现参考下列与附图结合的描述，其中图1显示戴维逊型氧化的锆材料的横截面；图2显示图1的戴维逊型氧化的锆的硬度分布曲线；图3显示具有陶瓷表面和扩散区的层状结构的横截面的示意图；图4显示陶瓷表面和扩散区的横截面的示意图，其中陶瓷表面具有三层；图5显示具有陶瓷表面和扩散区的层状结构的的横截面的示例性示意图，其中陶 瓷表面具有两层；图6显示具有表面和扩散区的层状陶瓷结构的金相学横截面；图7显示本发明的层状陶瓷的原子浓度的曲线图；图8显示戴维逊型氧化的锆的原子浓度的曲线图；图9显示图案化的(patterned)陶瓷结构的表面的示例性示意图；和图10显示图案化的陶瓷结构的横截面的示例性示意图。图11显示在真空扩散处理(685°C，进行10小时)后，在5Nb样品上获得的 硬度分布曲线。起始氧化物代表真空扩散处理前的氧化物厚度。在635°C下进行氧化，进行 不同的时间，以产生不同的起始氧化物厚度。发明详述如本文中所使用的，“a”或“an”意指一个或多个。除非另外指出，否则单数包括 复数以及复数包括单数。例如，当指“a”层时，除非另外指出或根据上下文明白所指物用于 表示单层，否则其应当理解为意指“一或多”层。如本文中所使用的，“锆合金”定义宽泛，包括具有至少5% (w/w)锆的合金。除了 锆以外，合金可包含钛、铪和铌的一种或多种。合金可以是多晶的或无定形的或单晶的或其组合。如本文中所使用的，“陶瓷”被定义为金属(或合金中的金属成分)与一种或多种 非金属包括碳、氧、氮、硼和其组合的化合物。如本文中所使用的，“陶瓷层”被定义为由形成 更大的材料的一部分的陶瓷组成的材料的层。如本文中所使用的，术语“陶瓷涂层”是指存 在于合金或金属基体上的表面转化层、表面膜、表面氧化物、氮化物、碳化物、硼化物(或其 组合)。如本文中所使用的，“形成陶瓷的物类”被定义为氧、碳、氮、硼和其任何组合。优选 形成陶瓷的物类在陶瓷层形成的过程中以气相存在，虽然其中形成陶瓷的物类可能以除了气相外的相存在并且在本发明的范围内。非气相实施方案的一个非限定性实例是其中将形 成陶瓷的物类在固相中与其将被引入至的基体接触。形成陶瓷的物类，除了形成陶瓷外，还 在扩散区的形成中用作扩散硬化物类。“扩散区”被定义为陶瓷表面下的区，其包含扩散硬化物类。“扩散硬化物类”被定 义为碳、氧、氮、硼或其任何组合。“扩散硬化区”被定义为硬度为基体硬度的至少1. 1倍的 扩散区的部分。如本文中所使用的，“生物相容性合金”被定义为目前用于矫形工业的合金组合。 此类合金的实例包括钴_铬-钼、钛-铝-钒、镍-钛和锆_铌。涉及的其他生物相容性合 金是由锆或钛或钽或铌或铪或其组合制造的合金。如本文中所使用的，术语“真空”是指低于大约10_2托的压力。反应性气体是与材 料反应以饱和材料或形成陶瓷层的气体。反应性气体的非限定性实例包括氮、甲烷、氨气、 一氧化亚氮、乙炔、丁烷等。惰性气体是不与材料反应的气体。惰性气体的实例包括氦气、 氖气、氩气和氪气。在本发明的一个方面中，存在医疗植入物，其包括包含锆或锆合金的基体；与基 体接触的扩散硬化区，包含锆或锆合金和扩散硬化物类的扩散硬化区，具有大于2微米的 厚度的扩散硬化区；和与扩散硬化区接触的层状陶瓷层。层状陶瓷表面包括至少两层。单 个陶瓷层包含锆(Zr)和氧、氮、硼或碳。通常，单个陶瓷层包含锆(Zr)和氧、氮、硼和/或 碳的任何组合。扩散硬化区还包括具有至少两层的层状结构。扩散区包含氧、氮、硼或碳或 其任何组合。图3显示具有陶瓷表面和扩散区的层状结构的横截面的示意图。在特定的实例中，层状陶瓷可由三层组成，其中层状陶瓷的表面层包含锆和氮。与 表面层相邻且直接在其下的第二层包含锆、氧和氮。与第二层相邻的第三层包含锆和氧。在 层状陶瓷表面下面的是层状扩散区。层状扩散区包括至少两层。在两层中，氧都是扩散物 类。图4显示具有三层陶瓷结构和两层层状扩散区的基体(例如医疗植入物的)的实例。 扩散硬化区的层状结构可利用本领域技术人员已知的金相分析技术来检测。此类技术包括 但不限于阳极化、热染(heat tinting)、X-射线衍射、奥格光谱学(Auger spectroscopy), 深度剖析(depth profiling)等。在另一个特定的实例中，层状陶瓷由两层组成，其中层状陶瓷的表面层包含锆、氧 和氮。与表面层相邻和直接在其下面的第二层包含锆和氧。在层状陶瓷表面下面的是层状 扩散区。层状扩散区包含至少两层。在层状扩散区的每一层中，氧都是扩散物类。图5显 示示例性层状结构。在一些备选实例中，扩散区的扩散硬化物类可以是氧和/或氮。图6 显示具有两层的陶瓷结构和扩散硬化区金相横截面。图7提供了本发明的一种组合物的成 分数据，而图8提供了戴维逊型氧化的锆的模拟数据。戴维逊型氧化的锆显示0和&，然而 图7中所示的组成显示&、0和N的浓度。使用X-射线光电子分光镜检查进行图7和图8 中显示的分析。在用离子枪溅射的同时分析表面。应当指出最上面100埃的分析受到表面 污染的影响，从而可被忽略。应当理解，虽然本文中的实例可集中于锆合金，但非合金的锆金属也可用作本发 明的范围内的基体。在另一个实例中，层状陶瓷由两层组成，其中表面陶瓷层包含锆、氧和氮。在顶层 下面的第二陶瓷层主要包含锆和氧。在第二陶瓷层下面是由两层组成的扩散硬化层。在扩散硬化层的每一层中，扩散硬化物类是氧。上述层状结构可通过下列步骤产生1.在对流加热炉中在635°C下在空气中氧化锆-2. 5wt%铌合金，进行110分钟2.然后将样品置于具有控制氮分压的能力的真空加热炉中。3.将加热炉的压力泵至低于10_4托。4.然后在大约1小时内将样品加热至685°C。5.然后导入高纯度氮气，并且将分压维持在400至500m托。6.将样品在氮气氛下在685°C下维持7. 5小时。7.将样品在氮气氛下在30分钟内冷却至室温。然后将样品进行切片，使用本领域内已知的金相技术进行评估。时间、温度、压力和气体组成在上述步骤中可被改变以产生本发明的不同实施方 案。例如，为了在表面上形成碳化锆，可使用甲烷或任何其他含碳气体。在另一个实施例中， 为形成碳氮化锆，使用甲烷和氮的组合。在特定的情况下，氨气用作氮的来源。可通过调整 压力、温度和时间来控制表面陶瓷层的厚度。通常，更低的温度、时间和压力可导致更薄的 陶瓷层厚度。通常，在层状陶瓷结构下的扩散硬化金属区的第一层的厚度大于或等于所述第二 层和任何随后层(如果存在的话)的厚度。在本发明的不同实施例中，扩散硬化区具有范 围在5至70微米之间的厚度。在其他实施例中，扩散硬化区具有范围在10至50微米之间 的厚度。在另外的实施例中，扩散硬化区具有范围在15至30微米之间的厚度。通常，扩散 硬化区的厚度比基体的厚度厚至少10%。扩散硬化区包含氧。然而，扩散硬化区可包含氧、 氮、碳、硼或其任何组合。扩散硬化区具有在朝基体方向上减小的氧浓度，所述氧浓度的减 小由选自误差函数、指数函数、近似单值分布函数和其任何顺序组合的函数来确定。改变扩散硬化区的硬度分布的一种方法是在真空扩散硬化步骤之前小心地控制 氧化物厚度。图11显示了在真空扩散处理后在&_2.5Nb上获得的4条硬度分布曲线。所 获得的4个分布曲线是分布曲线1 (单值函数(uniform function))、分布曲线2 (单值函数 和指数函数的组合)、分布曲线3 (指数函数和误差函数的组合)、分布曲线4 (误差函数)。 通过氧化物厚度、氧化和真空处理温度和时间小心地控制所得的硬度分布曲线的形状。在 该特定实施例中，通过在635°C的恒定温度下改变氧化时间来改变起始氧化厚度。分别氧化 样品5分钟、15分钟、30分钟和60分钟。在685°C下真空处理所有样品10小时。在真空处 理后，四个样品产生如图11所示的四条不同的分布曲线。对于分布曲线4，氧化物保留在样 品上，对于分布曲线1、分布曲线2和分布曲线3，氧化物完全溶解在样品上。为了获得具有 分布曲线1的样品的陶瓷层状结构，再氧化样品以形成至少1微米的氧化物。可在600°C 下进行氧化大约1小时。然后将样品置于具有控制氮压的能力的真空加热炉中。将样品在 真空下加热至650°C，然后导入氮气并且保持50至500毫托的氮分压。可进行该步骤至少 1小时。这将导致氮氧化锆在与氧化锆相邻的表面上形成。氧化锆与具有近似均勻空间分 布曲线的扩散硬化区相邻。进行相似处理以获得具有分布曲线2、分布曲线3和分布曲线4 的样品。此外，因为氧化物保留在具有分布曲线4的样品上，所以可略过再氧化步骤，并且 可将在氮气氛中直接处理样品以形成氧氮化锆或氮化锆。本发明的医疗植入物可以是任何医疗植入物，但优选是髋植入物、膝植入物或脊 柱植入物。在特定的实例中，层状陶瓷形成髋植入物的表面，其以关节与相似的层状陶瓷植入物正对连接。此类植入物的配合面(mating surface)可以是不同的陶瓷或金属表面。 例如，富氮表面可以以关节正对连接富碳表面。在一个实例中，可将层状陶瓷结构与金属植 入物例如CoCr、Ti-6A1-4V、不锈钢等偶联和以关节与其正对连接。在其他实例中，可将层 状陶瓷结构与陶瓷组件例如氧化铝、氧化锆、氧化锆增韧氧化铝、氮化硅等偶联和以关节与 其正对连接。此外，可将层状陶瓷植入物以关节与聚合物组件例如由超高分子聚乙烯或交 联聚乙烯制造的聚合物组件正对连接。作为备选的举例说明性实例，将层状陶瓷植入物以 关节与硬化的CoCr或硬化的Ti-6A1-4V植入物正对连接。可使用本领域内已知的技术实 现CoCr和Ti-6A1-4V植入物的硬化，所述技术的实例包括并且不限于渗碳、氮化和硼化或 其任何组合。如之前所述的，可用于本发明的其他植入物包括但不限于例如膝植入物、肩植 入物、髋植入物和脊柱植入物。在本发明的另一个方面，使层状陶瓷表面图案化。以使至少两种类型的陶瓷暴露 在表面的方式获得图案结构。图9显示这样的结构的实例。所述表面以两种不同类型的陶 瓷表面为特征。图9只显示两个这样的区域，但容易设想许多可以以有规则的或随机导向 的方式产生这样的区域。图10显示图9中所示的结构的横截面。该图案化的表面可通过 选择性地将氧化的表面暴露于反应性气体物类来制造。例如，用可忍受扩散硬化温度和处 理的涂层使氧化的锆表面图案化。表面的图案结构可通过本领域内已知的技术来实现。典 型的步骤是将光致抗蚀(photo-resist)材料用于表面。然后使用照射例如紫外光和光罩 (mask)选择性交联或硬化材料。在使用照射硬化后，使用有机溶剂溶解未交联或硬化的区 域。这产生将只允许选择的区域暴露于氮气的图案。该处理导致只在如图9中所述的区域 中形成氮化物。然后通过化学或机械方法除去交联的光致抗蚀剂涂层，从而产生图9和图 10中所示的结构。当图案化的表面产生后，立即将图案化的表面与之前所述的金属或陶瓷 植入物以关节连接。除了金属或陶瓷植入物以外，可将图案化的层状结构以关节与相似的 图案化的层状结构正对连接。通常，单个陶瓷层的厚度在0. 1至10微米的范围内，陶瓷层的总厚度在0. 5微米 至50微米的范围内。这些范围是非限定性的，存在其中陶瓷层的厚度在该范围外的实例。 在一些情况下，扩散硬化区的总厚度在2微米至100微米的范围内。在本发明的医疗植入物中，可用与制造其的元素不同的元素掺杂陶瓷层。例如，在 这样的结构中，用氮或碳或硼或其任何组合掺杂氧化锆。这可使用本领域内已知的技术来 实现。一个实现该掺杂的方法是使用氮离子枪。将氧化的样品置于真空室中，然后将高能 氮离子在氧化物的表面上进行轰击。这样，可将氮离子整合入氧化锆表面。还可利用允许 氮离子在氧化物中重排的真空中的后加热步骤。制造层状陶瓷医疗植入物的典型方法包括步骤(a)形成锆或锆合金的医疗植入 物；(b)在500至1000°C的温度下在形成陶瓷的物类存在的情况下处理植入物大于2分钟； 和，(c)之后在真空或惰性气体或反应性气体例如氮和/或甲烷中在500°C至1000°C的温 度下处理植入物。变化是可能的，例如在一些情况下，在600°C至700°C的温度下进行步骤 (c)。在一些实例中，重复步骤(a)、(b)和(c)多次。可以以许多方式改变该方法。例如， 进行步骤(b)5分钟至12小时，进行步骤(c) 15分钟至30小时，在空气中进行步骤(a)，在 纯氮中进行步骤(a)，在甲烷气体中进行步骤(a)和/或通过将样品置于递送形成陶瓷的 物类的固体反应混合物例如木炭粉中来进行步骤。改变制造层状陶瓷医疗植入物的典型方法的另外的实例包括在氮气氛中进行步骤(b)，在氮和氩气混合物存在的情况下进行步 骤(b)，在甲烷和氮的混合物中进行步骤(b)，在反应性和惰性气体例如氩和氮的混合物中 进行步骤(b)，和/或其中步骤(a)和/或(b)中的反应性气体的分压的范围在10_4至760 托之间，对于步骤(b)优选范围在0.05至500托之间。在本发明的某些方面，形成锆或锆 合金的医疗植入物的步骤包括形成具有选自钛、钽、铪、铌和其任何组合的合金化元素的锆 合金的医疗植入物。在特定的实例中，形成由锆和铌制造的合金的医疗植入物的步骤，其中 合金具有至少(w/w)的铌含量。在另外的实例中，形成由锆和铌制造的合金的医疗植入 物的步骤，其中合金具有至少10% (w/w)的铌含量。通常，在形成陶瓷的物类存在的情况下 处理植入物的步骤和其后在真空或惰性气体中处理植入物的步骤包括用选自氧、氮、硼、碳 和其任何组合的扩散变硬物类处理植入物。本发明的医疗植入的表面的外观基于层状结构呈现从青铜色至金黄色的变化，从而可完全将其本身与戴维逊型表面的深蓝色表面相区别。在一个这样的组成中，在植入物 的表面上形成氮化锆层。该富氮表面比氧化物更硬。在该富氮层状陶瓷表面下面是深蓝色 氧化锆，并且在该氧化物下面是比由戴维逊型表面获得的扩散硬化区更厚的扩散硬化区。 该独特结构还克服了氮化锆至锆合金基体的附着问题。将氮化锆表面附着至依次很好地附 着至锆合金基体的氧化锆。重要地要指出，可在随后的制造步骤中完全或部分除去表面陶瓷层。可在扩散硬化步骤后将所得的表面组合物经历多种表面制备技术以形成附着氧化物。此类技术包括但不限于本领域已知的可用于扩散硬化表面的技术。由于组合物的更 大程度的抗损伤性能，预期可对其应用其他更严荷的技术。新型组合物已用于所有种类的医疗植入物。预期特对于关节连接植入物例如但不 限于髋关节和膝植入物中的应用别有益。本发明的医疗植入物可用于其他生物医学应用例 如脊柱装置、小关节、肩关节等。本发明的组合物适用于任何和所有医疗植入物，但特别地适用于关节连接医疗植 入物例如但不限于髋、膝、肩、肘矫形植入物等。脊椎植入物也可适用上述组合物。本发明 还适用于任何和所有非关节连接医疗植入物。在与戴维逊型例如授予戴维逊的美国专利 5，037，438和授予亨特的美国专利6，447，550 ；6，585，772和美国专利公开号2006/0058888 中所述的和由Pawar等人在美国专利公开号20070137734中所述的戴维逊型的氧化物相比 较中看到了此类植入物的改良特征。虽然本发明和其有利方面已得到详细描述，但应当理解可在本文进行各种变化、 置换和改变而不背离由所附权利要求界定的本发明的精神和范围。此外，无意将本发明的 范围限定于本说明书中描述的过程、机器、制造、物质组合、工具、方法和步骤的特定实施方 案。因为本领域技术人员根据本发明的公开内容将很容易地理解可根据本发明利用进行 与本文所述的相应实施方案的功能大体相似或获得与实施其获得的结果大体上相同的结 果的现有的或有待日后开发的过程、机器、制造、物质组合、工具、方法或步骤。因此，所附权 利要求意在将此类过程、机器、物质组合、工具、方法或步骤包括在其范围内。
权利要求
医疗植入物，其包括包含锆或锆合金的基体；与所述基体接触的扩散硬化区，所述扩散硬化区包含锆或锆合金和扩散硬化物类，所述扩散硬化区具有大于2微米的厚度；和，任选地，具有包含至少两层的层状结构的陶瓷区，其中所述陶瓷区与所述扩散硬化区接触，并且所述陶瓷层的厚度范围是0.1至25微米；和其中所述陶瓷区和扩散硬化区的总厚度为5微米或更大。
2.权利要求1的医疗植入物，其还包括具有包含至少两层的层状结构的陶瓷区，其中 所述陶瓷区与所述扩散硬化区接触，以及所述陶瓷层的厚度范围在0. 1至25微米之间。
3.权利要求2的医疗植入物，其中陶瓷区中的层包含锆、氧、氮、硼、碳或其任何组合。
4.权利要求3的医疗植入物，其中基体还包含钛、钽、铪、铌、或其任何组合。
5.权利要求3的医疗植入物，其中层状陶瓷区包括三层且具有 包含锆和氮的表面层，与所述表面层相邻的第二层，其包含锆、氧和氮；和， 与所述第二层相邻的第三层，其包含锆和氧。
6.权利要求3的医疗植入物，其中层状陶瓷区包括两层且具有 包含锆、氧和氮的表面层；和，与所述表面层相邻的第二层，其包含锆和氧。
7.权利要求3的医疗植入物，其中所述层状陶瓷区包括两层且具有 包含锆和氮的顶层，和与所述顶层相邻的第二层，其包含锆和氮。
8.权利要求3的医疗植入物，其中所述层状陶瓷区的单层具有0.1微米至10微米的厚度。
9.权利要求3的医疗植入物，其中所述层状陶瓷区的总厚度为0.5微米至50微米。
10.权利要求2的医疗植入物，其中所述陶瓷区形成所述植入物的表面并且所述层状 扩散区位于所述陶瓷区下面。
11.权利要求2的医疗植入物，其中根据金相分析，扩散硬化区具有包含至少两个不同层的层状结构。
12.权利要求11的医疗植入物，其中所述扩散硬化区包含选自氧、氮、硼、碳和其任何 组合的扩散硬化物类。
13.权利要求12的医疗植入物，其中所述扩散硬化物类包括氧和/或氮。
14.权利要求12的医疗植入物，其中扩散硬化区具有在朝向基体的方向上减小的氧浓 度，所述氧浓度的减小是由选自误差函数、指数函数、近似单值分布函数和其任何顺序组合 的函数来确定的。
15.权利要求11的医疗植入物，其中所述扩散硬化区的所述第一层的厚度大于或等于 所述第二层和任何附加层的厚度，如果存在所述任何附加层。
16.权利要求11的医疗植入物，其中所述扩散硬化区具有5至70微米的厚度。
17.权利要求11的医疗植入物，其中所述扩散硬化区具有10至50微米的厚度。
18.权利要求11的医疗植入物，其中所述扩散硬化区具有2微米至100微米的厚度。
19.权利要求11的医疗植入物，其中扩散硬化区的硬度比基底的硬度厚至少10%。
20.权利要求2的医疗植入物，其中所述基体包含锆和铌的合金并且具有至少(w/ w)的铌含量。
21.权利要求2的医疗植入物，其中所述基体包含锆和铌的合金并且具有至少10%(w/ w)的铌含量。
22.权利要求2的医疗植入物，其中所述医疗植入物选自肩植入物、肘矫形植入物、脊 椎植入物、髋植入物、膝植入物和脊柱植入物。
23.制造层状陶瓷医疗植入物的方法，其包括步骤形成锆或锆合金的所述医疗植入物；在500至1000°C的温度下在形成陶瓷的物类存在的情况下处理所述植入物大于2分 钟；和，之后，在500至1000°C的温度下在反应性气体中处理所述植入物。
24.权利要求23的方法，其中重复下列步骤形成锆或锆合金的所述医疗植入物；在 500至1000°C的温度下在形成陶瓷的物类存在的情况下处理所述植入物大于2分钟；和，之 后在500至1000°C的温度下在反应性气体中处理所述植入物。
25.权利要求23的方法，其中进行所述在500至1000°C的温度下在形成陶瓷的物类存 在的情况下处理所述植入物大于2分钟的步骤5分钟至12小时。
26.权利要求23的方法，其中进行所述之后在500至1000°C的温度下在反应性气体中 处理所述植入物的步骤15分钟至30小时。
27.权利要求23的方法，其中在氮中进行所述之后在反应性气体中处理所述植入物的 步骤。
28.权利要求23的方法，其中在甲烷中进行所述之后在反应性气体中处理所述植入物 的步骤。
29.权利要求23的方法，其中通过将植入物置于固体反应混合物中进行所述处理的步马聚o
30.权利要求23的方法，其中在氮气氛中进行所述在500至1000°C的温度下在形成陶 瓷的物类存在的情况下处理所述植入物大于2分钟的步骤。
31.权利要求23的方法，其中在氮和氩混合物中进行所述在500至1000°C的温度下在 形成陶瓷的物类存在的情况下处理所述植入物大于2分钟的步骤。
32.权利要求23的方法，其中在甲烷和氮混合物中进行所述在500至1000°C的温度下 在形成陶瓷的物类存在的情况下处理所述植入物大于2分钟的步骤。
33.权利要求23的方法，其中所述反应性气体以10_4至760托的分压存在。
34.权利要求23的方法，其中所述反应性气体以0.05至500托的分压存在。
35.权利要求23的方法，其中在500至1000°C的温度下在形成陶瓷的物类存在的情况 下处理所述植入物大于2分钟的步骤和之后在500至1000°C的温度下在反应性气体中处理 所述植入物的所述步骤包括用选自氧、氮、硼、碳和任何其组合的扩散硬化物类处理所述植 入物。
36.权利要求35的方法，其还包括将植入物经历表面制备技术以形成附着氧化物。
37.权利要求23的方法，包括步骤在对流加热炉中在635°C下在空气中氧化锆-2. 5wt%铌合金样品110分钟，将样品置于真空加热炉并且控制氮的分压，将加热炉的压力泵至10_4托以下，在大约1小时内加热样品至685°C，导入高纯度氮气并且将分压维持在400至500毫托，在685°C下在氮气氛中维持样品进行7. 5小时，在30分钟内将样品在氮气氛下冷却至室温；和，将样品进行切片，并且使用金相学技术评估样品。
全文摘要
新型组合物和由其制造的医疗植入物包含厚扩散硬化区和层状陶瓷表面。公开了包含新型组合物的矫形植入物、制造新型组合的方法和制造包含新型组合物的矫形植入物的方法。
文档编号A61F2/28GK101808595SQ200880102902
公开日2010年8月18日 申请日期2008年6月11日 优先权日2007年6月11日
发明者C·韦弗, S·C·贾尼, V·帕瓦 申请人:史密夫和内修有限公司