层状陶瓷医疗植入物制造技术

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。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】层状陶瓷医疗植入物交叉引用相关申请本申请要求2007年6月11日提交的美国临时专利申请系列号60/943,180的优先权，其以其全文引用的形式合并入本文。
本专利技术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。本专利技术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，本专利技术的医疗植入组件以关节与聚乙烯正对连接)中是有用的，本专利技术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)。专利技术背景医疗植入材料，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匀的并且非均匀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匀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。均匀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)(M.Long，L.Reister和G.Hunter，Proc.24thAnnualMeetingoftheSocietyForBiomaterials，April22-26，1998，SanDiego，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(acetabularshell)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。但本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2007-6-11 60/9431801.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，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，并且所述陶瓷区中的层的厚度范围是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，其中陶瓷区中的层包含锆、氧、氮、硼、碳或其任何组合。3.权利要求2的医疗植入物，其中基体还包含钛、钽、铪、铌、或其任何组合。4.权利要求2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。5.权利要求2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。6.权利要求2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，其包含锆和氧。7.权利要求2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。8.权利要求2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。9.权利要求1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。10.权利要求1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。11.权利要求10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。12.权利要求11的医疗植入物，其中所述扩散硬化物类包括氧和/或氮。13.权利要求11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。14.权利要求10的医疗植入物，其中所述扩散硬化区的第一层的厚度大于或等于第二层和任何附加层的厚度，如果存在所述任何附加层。15.权利要求10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。16.权利要求10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。17.权利要求10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。18.权利要求10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％。19.权利要求1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1％(w/w)的铌含量。20.权利要求1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。21.权利要求1的医疗植入物，其中所述医疗植入物选...

【专利技术属性】
技术研发人员：V帕瓦，SC贾尼，C韦弗，
申请(专利权)人：史密夫和内修有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]