CN101172167A - 氧化铝涂层植入物和组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及医疗植入物装置或其组件，所述医疗植入物装置或其组件包括金属基体、中间涂层和氧化铝外涂层，以及制备所述医疗植入物装置或其组件的方法。

Description

氧化铝涂层植入物和组件

发明领域

本发明涉及医疗植入物装置及其组件，以及制备医疗植入物及其组件的方法。

发明背景

由于医疗植入物接受者人群中的人口统计学变化，对于具有更长寿命的医疗假体植入物的关注增加了。如同一般人那样，医疗植入物接受者的预期寿命稳定地递增。另外，更年轻且更活动性的植入物接受者的人数也在增加。这些每一个趋势都突出了在接受者的生存期间较少可能需要替换即修复的更持久、高性能的矫正外科植入物的重要性。

因此，重要的是，这样的更持久的植入物应当能够经受住多年的磨损和各种与植入体内有关的应力。关节替代植入物必需具有足够的强度以便经受变化的机械负荷，同时把部分负荷转移给周围的骨组织。另外的要求是，关节替代植入物的支承(关节联接)表面必需抵抗腐蚀性环境，并且经受住与关节运动有关的身体和表面触点压力以及粘性和研磨的磨损过程。适合经受住多年的机械负荷和磨损的机械和物理特性是很难在单一材料中找到的。

目前，金属包括金属合金，被用作医疗植入物的结构材料。金属合金，例如钢、钴合金和钛合金，显示了一定的强度、硬度和耐疲劳性。而且，这些金属可以通过金属制造方法来形成并进行机械加工。一般地，植入物包括金属支承表面，所述金属支承表面具有与第二支承表面相对运动的形体，而所述第二支承表面是由低摩擦力聚合物例如超高分子量聚乙烯(UMWHPE)或另外的金属组件组成的。已经知道，一旦被植入体内，微粒和碎屑由于磨损过程而从这些植入物上脱离下来。这些脱离的微粒成为问题，因为脱离的微粒分布于组织周围并引起周围组织发炎和降解。这种炎性反应能够导致关节疼痛并使植入物松弛。最终，所述状况将需要通过复杂而棘手的手术取出并更换植入物。坚硬的微粒例如接合剂微粒(在用接合剂植入的装置中)或从植入物的多空或网纹固定表面上剥离的金属，会积聚在聚合植入物的关节联接表面，或者夹在相对的关节联接表面之间，并且刮擦先前圆滑的金属表面，从而降低植入物的性能，增加关节联接相对面的磨损，并且甚至导致其它表面材料的脱离。

以前减少金属植入物表面磨损的努力包括表面改良，例如离子植入、气体渗氮和高温氧化。每一种方法都具有局限性。例如，一般情况下，通过离子植入和渗氮获得的表面最高硬度，不如通过其它表面改良例如陶瓷覆盖涂层获得的最高硬度那样高。离子植入法在所改良材料的表面深度方面还具有理论和经济上的限制。通过高温氧化产生的表层下面的基体(例如Zr-2.5Nb合金)的强度和硬度不如其它基体金属(例如CoCrMo或钛合金)那样高，并且可能不能与在生长表面结构中产生多孔组织的常规方法相容。

在不同的方法中，植入物中的大块金属基体已经被大块陶瓷代替，例如在某些包括大块氧化物陶瓷股骨头的髋关节植入物中。这样的陶瓷在体内不腐蚀，耐磨损，并且能够经受住巨大的压力负荷。然而，较之金属，疏松陶瓷往往僵硬且更容易破碎。报导显示，某些疏松陶瓷植入物易于灾难性破碎，从而需要立即修复。

为了获得没有破碎风险的疏松陶瓷有利的磨损性质，已经进行了将陶瓷涂层应用到金属植入物的关节联接表面的尝试。这些陶瓷植入物的性质有很对变化，者取决于陶瓷的类型和应用的方式。然而，用特殊陶瓷(例如氧化铝)涂层的植入物的开发受到限制。对于用于矫形外科支承表面来说，应用特殊陶瓷涂层的技术导致涂层要么太薄、在体内不稳定，要么对下层金属表面的粘附不良。

发明概述

本发明提供了医疗植入物装置或其组件，所述医疗植入物装置或其组件包括除钢以外的金属基体、除氧化铝以外的中间涂层和氧化铝外涂层。特别是，本发明提供了医疗植入物或植入物组件，所述医疗植入物装置或植入物组件包括除钢以外的金属基体，粘着到基体表面上的除氧化铝以外的材料的中间涂层，和粘着到中间涂层的至少一部分上的氧化铝外涂层，所述外涂层是通过物理汽相淀积而淀积到中间涂层的至少一部分上。

本发明还提供了制备医疗植入物装置或其组件的方法。该方法包括(a)提供医疗植入物装置或其组件，其包括除钢以外的金属基体，(b)把除氧化铝以外的材料的中间涂层施加到表面基体上，以及(c)通过物理汽相淀积将氧化铝外涂层淀积到中间涂层的至少一部分上。

发明详述

本发明提供了医疗植入物或其组件，所述医疗植入物装置或其组件包括除钢以外的金属基体、除氧化铝以外的中间涂层和氧化铝外涂层。

医疗植入物或其组件可以包括任何适宜的医疗植入物装置或其组件。适宜的医疗植入物或其组件包括，但不限于，用于髋、膝盖、踝、肩、肘和脊柱的矫正外科的假体。示例性的医疗植入物装置包括整个或部分膝关节成形术假体、整个或部分髋关节成形术假体、整个或部分肘关节成形术假体、整个或部分腕关节成形术假体、整个或部分肩关节成形术假体、整个或部分踝关节成形术假体和整个或部分关节联接椎骨节段关节成形术假体。示例性医疗植入物装置组件包括股骨组件(例如替代一个或多个股骨骨节)或膝盖假体(例如单隔室或整个膝关节成形术假体)的胫骨组件(例如替代至少部分邻近胫骨顶)、股骨组件(例如替代至少股骨的邻近部分或股骨头)或髋关节假体的髋臼杯(例如替代髋骨的股骨窝)、肱骨组件(例如替代肱骨的远侧部分)或肘关节成形术的尺骨组件(例如替代尺骨的邻近部分)、掌骨组件(替代一个或多个掌骨的至少一部分)或腕关节成形术的桡骨组件(替代桡骨的远侧部分)、肱骨组件(例如替代肱骨的邻近部分或肱骨头)或关节窝组件(例如替代肩胛骨的关节窝或窝部分)、胫骨组件(例如替代胫骨的远侧部分)或者踝关节成形术的距骨组件(例如替代距骨的邻近部分)，以及脊椎盘假体的终板组件(例如为了接触颈、腰或胸椎的上部或下部)或间隔组件(例如为了插在终板组件之间)。

金属基体可以是除钢以外的任何适宜的金属基体。除非本文中另外指明，术语“金属”是指纯金属和金属合金。术语“金属基体”可以是实质上形成医疗植入物装置或其组件的全部或接近全部的结构，或者“金属基体”可以是实质上形成医疗植入物装置或其组件的部分结构，实质上形成医疗植入物装置或其组件的结构的剩余部分包含其它材料。当金属基体是实质上形成医疗植入物装置或其组件的结构的部分时，金属基体可以是实质上形成医疗植入物装置或其组件的结构的全部表面或部分表面。

尽管金属基体可以是医疗植入物装置或其组件的任何适宜的部分，但金属基体有必要包括支承表面。如本文所用，“支承表面”是指医疗植入物装置或其组件的部分，所述部分成一定形状，以便当医疗植入物装置或其组件植入患者体内时，所述部分能够与第二表面接合或相对于第二表面移动。第二表面可以是骨、软骨以及身体的其它天然材料。更一般地，第二表面是医疗植入物装置或其组件中的另一即第二支承表面。例如，在本发明的某些实施方案中，设计涂层支承表面(包括基体、中间涂层和氧化铝外涂层)是为了支承相同和不同医疗植入物装置或其组件的第二支承表面，其中第二支承表面可以包括任何适宜的材料，例如金属、陶瓷、聚合物或其组合。典型地，第二支承表面包括聚合物例如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)，所述聚合物被广泛地用作聚合支承表面，例如在膝关节植入物和髋关节植入物中。第二支承表面还可以包括另外的涂层支承表面或未涂层金属支承表面。

示例性支承表面包括(a)在膝关节假体的股骨组件的末端的表面，所述表面与假体的胫骨组件上的第二支承表面接合，(b)髋关节假体的股骨头组件的表面，所述表面与假体的髋臼杯组件的第二支承表面接合，(c)肘关节成形术假体的接合表面，例如尺骨组件近端的肱骨(humoral)组件的末端表面，所述表面彼此接合，(d)肩关节假体的肱骨(humoral)头组件的表面，所述表面与假体的浅窝组件接合，(e)踝关节假体的距骨组件的表面，所述表面与关节成形术的胫骨组件接合，以及(f)脊柱盘替代假体的终板组件的表面，所述表面与位于两个假体的终板之间的另一终板或核/间隔组件接合。

金属基体可以包括任何适宜的金属、合意地是生物相容性金属，基本上由或由这样的金属组成。合意的金属包括具有适用于关节替代假体的机械性质的金属。金属优选在意欲置入医疗植入物装置或其组件的患者中不会轻易腐蚀，并且优选具有适宜的强度和疲劳特性。示例性优选的金属基体包括钴、钴合金、钛、钛合金以及它们的混合物。适宜的钴铬合金包括，但不限于，例如ASTM Standards F75-Ol、F799-02和Fl 537-00所分别描述的铸造、锻造和精炼(wrought)钴-28-铬-6-钼(Co28Cr6Mo)合金。适宜的钛铝合金包括，但不限于，例如ASTM Standard F2146-0l中所描述的钛-3-铝-2.5-钒合金(Ti-3A1-2.5V)，以及例如ASTM Standard F136-02a中所描述的钛-6-铝-4-钒(Ti-6A1-4V)合金。ASTM标准可以从ASTM International(WestConshohocken，PA)的印刷和电子媒体获得。

除氧化铝材料以外的中间涂层是粘着到金属基体上的。中间涂层可以包括任何适宜的材料或材料的组合，基本上由或由任何适宜的材料或材料的组合组成。示例性中间涂层包括氮化铝钛(TiAIN)、氮化铝铬(CrAIN)、氮化铝(AIN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化钛(TiN)、铝化钛(titanium aluminide)(TiAl)、氧化铬(Cr₂O₉.)、氮化铬(CrN)及其组合。中间涂层材料优选具有一种或多种物理或化学性质(例如热膨胀系数、弹性模数、晶体结构和/或化学相容性)，这些性质在金属基体与氧化铝外涂层的物理或化学性质之间，以便提供这些性质在医疗植入物装置或其组件的表面上的转变梯度。通过这种机械和物理性质的转变梯度，中间涂层可以在金属基体和氧化铝外涂层之间提供合乎需要的粘着水平。

中间涂层可以是任何适宜的厚度。中间涂层合宜地具有厚度约0.001μm，例如约0.01μm或以上，0.05μm或以上，约0.1μm或以上，或者约0.2μm，或者约0.4μm或以上。中间涂层合宜地具有厚度约10μm或以下，例如约5μm或以下，约2μm或以下，或者约1μm或以下。

可以通过任何适宜的技术，例如物理汽相淀积(PVD)、化学汽相淀积(CVD)和热喷雾淀积(例如等离子体喷雾)，把中间涂层粘着到金属基体上。通常，PVD由于其能够产生很多金属和陶瓷化合物的高质量密度的涂层，因而是优选的。

中间涂层可以由一层或多层构成，其能够通过任何适宜的技术来涂敷并彼此粘着。每一层合意地包括本文所述的用于中间涂层的材料，并且可以通过本文所述的用于中间涂层的技术来涂敷。

在选择中间涂层的材料和厚度时，需要合意地考虑下面的一个或多个事项。中间涂层的材料和厚度优选促进氧化铝外涂层对金属基体的粘着。因此，较之外涂层对相同基体的直接粘着(即没有中间涂层)，外涂层的材料和厚度合意地提高外涂层对金属基体的间接粘着。测定陶瓷涂层在金属上粘着的普通放过包括刮擦和切痕试验。适宜的试验描述于例如Steinmann等人，Thin Solid Films 154：333-349(1987)，Jindal等人，Thin Solid Films 154：361-375(1987)，Vidakis等人，Journal of Materials Processing Technologies  143-144：481-485(2003)，和the German standard VDI 3198。理想地，中间涂层的材料和厚度提供了一种或多种物理或化学性质(例如热膨胀系数、弹性模数、晶体结构和/或化学相容性)，这些性质在金属基体与氧化铝外涂层的物理或化学性质之间，以便提供这些性质在医疗植入物装置或其组件的表面上的转变梯度。同样合宜地，在制备和/或植入患者体内后，中间涂层的材料和厚度提高外涂层对磨损和剪切抵抗力力(相对于没有中间涂层的外涂层的抵抗力)。

氧化铝(也称作Al₂O₃或矾土)涂层粘着到中间涂层的至少一部分上。对外涂层如此命名，是因为较之金属基体和位于金属基体和外层涂层之间的中间涂层，外涂层在医疗植入物装置或其组件的最外面。氧化铝可以是任何适宜的氧化铝。合宜地，氧化铝是在生物相容和热力学稳定的α-相，具有下述晶体结构：具有六方密堆积氧原子和铝原子，占据八面体晶格空隙的三分之二。外涂层优选包括单一相α氧化铝的层。α相不同于亚稳κ-相和γ-相氧化铝。据报导，当植入患者体内时，这些氧化铝的不太稳定的形式可能会溶解。参见例如Toni等人，J Arthroplasty，9：4(1994)。

外涂层可以是任何适宜的厚度。外涂层合意地具有厚度约1μm或以上，例如约1.5μm或以上，约2μm或以上，约2.5μm或以上，约3μm或以上，约3.5μm或以上，或约4μm或以上，或约5μm或以上。通常，外涂层厚度的上限是由若干因素决定的，这些因素可以(但不是必要)包括生产成本、涂层粘着力、剩余应力、抗刮擦和抗切痕性、以及基体抗疲劳性和涂层抗疲劳性。外涂层典型地具有厚度约100μm或以下，约50μm或以下，约40μm或以下，约30μm或以下，约20μm或以下，或约10μm或以下。外涂层合宜地具有厚度约15μm或以下，例如约12μm或以下，约10μm或以下，或者约9μm或以下，或者约8μm或以下。

外涂层是通过物理汽相淀积(PVD)到中间涂层的至少一部分上而淀积并粘着到中间涂层上的。PVD技术包括离子电镀、电弧放电蒸发、激活反应性蒸发(ARE)和磁电管喷溅技术。通过反应性蒸发和反应性喷溅氧气氛围中的铝金属靶，并且直接喷溅氧化物靶，来淀积PVD氧化铝膜。优选的PVD技术包括离子磁电管喷溅、脉冲磁电管喷溅、RF磁电管喷溅和AC磁电管喷溅。如本文所用，PVD技术不包括离子束辅助淀积(IBAD)。PVD设备和服务可以购自TeerCoatings，Ltd(Droitwich，Worcestershire，England)和Balzers AG，Principality of Liechtenstein。而且，PVD技术描述于Seino等，J Vac.Sd.Tech.，A20：634-637(2002)，Kelly等人，J Vac.Sci.Tech.，A17：945-953  (2002)，Zywitzki等人，Surface & Coatings Tech.，94-95：303-308(1997)，Zywitzki等人，Surface & Coatings Tech.，86-87：640-647(1996)，和U.S.专利6,210,726。

通常PVD可以在相对较低的温度下使用。虽然稳定的α相氧化铝涂层的形成需要将被涂层的基体加热，但所需要的温度通常低于热CVD所采用的温度，尽管α-相氧化铝涂层是在1000℃以上形成的(Prengel等人，Surf Coat.Tech.，68-69：217(1994))。因此，例如，稳定的α相氧化铝涂层可以通过PVD，用约1000℃以下，例如约950℃以下，约900℃以下，或者约850℃以下的温度进行涂敷。用PVD，α-相氧化铝涂层可以在温度范围约500℃-约850℃之间，例如约700℃-约800℃之间，约600℃-约700℃中间，或者约500℃-约600℃之间进行涂敷。用于PVD的温度降低，还可以使涂层/基体系统的机械性质最优化。

PVD能够用于制备对支承使用有利的具有精细表面加工的非常细密纹理的氧化铝涂层。医疗植入物装置或其组件的支承表面通常需要抛光，以将支承表面之间的摩擦力和之间联接之间的磨损率最小化。需要较少或不需要涂层后抛光的细密纹理的氧化铝涂层是有利的，因为有确定的抛光能够在造成涂层微结构中的表面缺陷，并且导致植入物上的涂层厚度的不均匀，两者都会降低性能。

本发明还提供了制备本发明医疗植入物装置或其组件的方法。该方法包括(i)提供包含除钢以外的金属基体的医疗植入物装置或其组件，所述基体包含表面，(ii)将除氧化铝以外的材料的中间涂层施加到基体表面，以及(iii通过物理汽相淀积将氧化铝外涂层淀积到中间涂层的至少一部分上。方法的各种原理如前面本发明医疗植入物装置或其组件的上下文中所描述。

所有参考文献，包括本文引用的出版物、专利申请和专利，特此在整体上引用作为参考。

在描述本发明的上下文(特别是在下面的权利要求的上下文)中，本发明术语“一个”和“一种”和“该”以及类似指示的使用，除非本文另外指明或明显地与上下文相矛盾，解释为包括单数和复数。术语“包含”、“具有”、“包括”和“含有”，除非另外指示，解释为开放式术语(即意思是“包括但不限于”)。本文中，值的范围的列举，除非本文另外指出，仅是作为单独提到属于范围内的每一个别的值的方法，并且如同其被单独列举一样，将每一个别的值引用到本说明书中。除非本文另外指明或明显地与上下文相矛盾，本文描述的所有方法可以任何适宜的次序进行。本文提供的任何和所有实例和示例性语言(例如“例如”)的使用，除非另外主张，仅是意图更好地例证说明本发明，而不是对本发明的范围施加限制。在说明书中没有任何语言应当解释为表明实施本发明所必需的任何非要求保护的要素。

本文描述的本发明优选的实施方案，包括本发明者所知的施事本发明的最后方式。对于阅读了上面描述的本领域的技术人员来说，优选实施方案的各种变化是显而易见的。并发明者期待本领域的技术人员适当地使用这样的变化，并且并发明者意图以不同于本文特别描述的方式实施本发明。因此，本发明包括适用的法律所允许的于此附加的权利要求中详述的所有修改和等同方案。而且，除非本文另外指明或明显地与上下文相茅盾，其所有可能的变化的中的上述原理的任何联合，都包括在本发明之内。

Claims (20)

1.医疗植入物装置或其组件，包括：

(a)除钢以外的包含表面的金属基体，

(b)粘着到基体表面上的除氧化铝以外的材料的中间涂层，和

(c)通过物理汽相淀积而淀积在中间涂层的至少一部分上的氧化铝外涂层。

2.权利要求1的医疗植入物装置或组件，其中外涂层包含α-氧化铝。

3.权利要求1的医疗植入物装置或组件，其中金属基体包含选自钴、钴合金、钛、钛合金及其混合物的生物相容性金属或金属合金。

4.权利要求1的医疗植入物装置或组件，其中金属基体包含钴铬合金或钛合金。

5.权利要求1的医疗植入物装置或组件，其中金属基体包含Co-28Cr-6Mo、Ti-3A1-2.5V或Ti-6A1-4V。

6.权利要求1的医疗植入物装置或组件，其中中间涂层包括选自下列的材料：氮化铝钛(TiAlN)、氮化铝铬(CrAIN)、氮化铝(AlN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化钛(TiN)、氧化铬(Cr₂O₃)、铝化钛(TiAl)、氮化铬(CrN)及其组合。

7.权利要求1的医疗植入物装置或组件，其中所述装置是用于膝关节、髋关节、肘关节、肩关节、踝关节的假体装置或者关节联接椎骨节段。

8.权利要求1的医疗植入物装置或组件，其中

装置是包含股骨部分的膝关节或髋关节替代假体，

股骨部分包括用于接触(i)胫骨近端关节表面或(ii)髋臼杯的支承表面，并且

支承表面的至少一部分是基体表面。

9.权利要求8的医疗植入物，其中

金属基体包含Co-28Cr-6Mo、Ti-3A1-2.5V或Ti-6A1-4V，并且中间涂层包含选自下列的材料：氮化铝钛(TiAlN)、氮化铝铬(CrAIN)、氮化铝(AlN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化钛(TiN)、氧化铬(Cr₂O₃)、铝化钛(TiAl)、氮化铬(CrN)及其组合。

10.权利要求1的医疗植入物，其中

外涂层包含至少1μm厚的氧化铝，并且

较之没有中间涂层，外涂层对基体表面的粘着力通过中间涂层得到改善。

11.制备医疗植入物装置或其组件的方法，所述方法包括：

(i)提供包含除钢以外的金属基体的医疗植入物装置或其组件，所述基体包含表面，

(ii)将除氧化铝以外的材料的中间涂层施加到基体表面，并且

(iii)通过物理汽相淀积将氧化铝外涂层淀积到中间涂层的至少一部分上。

12.权利要求11的方法，其中外涂层包含α-氧化铝。

13.权利要求11的方法，其中金属基体包含选自钴、钴合金、钛、钛合金及其混合物的生物相容性金属或金属合金。

14.权利要求11的方法，其中金属基体包含钴铬合金或钛合金。

15.权利要求11的方法，其中金属基体包含Co-28Cr-6Mo、Ti-3A1-2.5V或Ti-6A1-4V。

16.权利要求11的方法，其中中间涂层包括选自下列的材料：氮化铝钛(TiAlN)、氮化铝铬(CrAIN)、氮化铝(AlN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化钛(TiN)、氧化铬(Cr₂O₃)、铝化钛(TiAl)、氮化铬(CrN)及其组合。

17.权利要求11的方法，其中所述装置是用于膝关节、髋关节、肘关节、肩关节、踝关节的假体装置或者关节联接椎骨节段。

18.权利要求11的方法，其中

装置是包含股骨部分的(i)膝或(ii)髋替代假体，

股骨部分包括用于接触(i)胫骨近端关节表面或(ii)髋臼杯的支承表面，并且

支承表面的至少一部分是基体表面。

19.权利要求18的方法，其中

金属基体包含Co-28Cr-6Mo、Ti-3A1-2.5V或Ti-6A1-4V，并且

中间涂层包括选自下列的材料：氮化铝钛(TiAlN)、氮化铝铬(CrAIN)、氮化铝(AlN)、碳氮化钛(TiCN)、氮化钛(TiN)、氧化铬(Cr₂O₃)、铝化钛(TiAl)、氮化铬(CrN)及其组合。

20.权利要求11的方法，其中

外涂层包含至少1μm厚的氧化铝，并且较之没有中间涂层，外涂层对基体表面的粘着力通过中间涂层得到改善。