CN101405424A - 扩散硬化技术的应用 - Google Patents

Abstract

一种装置，例如一种医用植入物，和一种制备该装置的方法，所述装置具有金属和金属合金基材(例如CoCr)、和一个扩散硬化的金属表面(例如等离子渗碳表面)，与个非－扩散硬化的表面或一个扩散硬化表面接触，所述扩散硬化表面用不同于相对表面的扩散硬化材料进行扩散硬化。

Description

扩散硬化技术的应用

相关申请的交叉参考

[0001]本申请要求美国临时专利申请序号60/759,843(2006年1月18日提交)的优先权，美国临时专利申请序号60/759,843通过引用全文结合到本文中，如同在此充分公开一样。

技术领域

[0002]本发明涉及具有金属表面的装置，所述金属表面可以接触其他金属的表面。在优选的实施方案中，本发明涉及硬碰硬(hard-on-hard)医用植入物。优选地，本发明涉及具有金属基材(substrate)或金属合金基材和关节咬合(articulating against)非-渗碳表面的渗碳表面的医用植入物。

发明背景

[0003]医用植入材料，特别是整形植入材料，必须具有强度大、耐腐蚀性和组织相容性高的综合特点。植入物的长使用寿命是最重要的，尤其是如果植入的接受者相对年轻时，因为希望所述植入物能为患者终生发挥功效。某些金属合金由于具有所需要的机械强度和生物相容性，可将它们作为制备假体的理想的候选材料。这些合金包括316L不锈钢、铬-钴-钼合金(CoCr)、钛合金和较近期的锆合金，所述合金被证明是制作承重假体和非承重假体的最合适的材料。

[0004]常规的髋部植入物中，CoCr合金股骨头关节是抗聚乙烯的。由于每一个组成关节的元件的相对硬度，经常将这类植入物作为本领域内的硬-对-软的植入物(hard-on-soft)。CoCr合金为关节联接配对(articulating couple)中的硬性元件，而聚乙烯则为相应的软性元件。在植入物的寿命期内，聚乙烯的磨损超过硬性元件。所述聚乙烯的磨损碎片反过来可导致骨质溶解和植入物的松弛。本领域在早期的研究中经过了大量的努力以减少这种磨损。途径之一是已经改变了聚乙烯的特性以改善其磨损特征，例如通过交联。另一途径是已经改变了股骨头的特性。Davidson已提出一种这样的方法(美国专利5,037,438号)。Davidson建议使用氧化锆表面以减少聚乙烯的磨损。尽管这些方法已经显著减少了聚乙烯的磨损，但存在对更多耐磨损植入物的不断增长的需求。这种需求来自那些年轻而充满活力的患者，他们期望在关节置换后可以回到他们的正常生活中。这些年轻而充满活力的患者的另一个需求是关节的稳定性。通常，较大的解剖学上的关节连接点比小关节稳定。聚乙烯由于其较低的强度，不能制作超出一定尺寸的关节联接，因此限制了其在年轻而充满活力的患者中的应用。这必然导致硬-对-硬金属植入物的出现。

[0005]目前，有两种主要类型的商业上可获得的硬对硬髋关节植入物。它们是金属对金属(包括金属合金对金属合金)和陶瓷对陶瓷的。目前金属对金属植入物的标准材料是高碳cocr合金。对于金属对金属植入物关注的主要问题是金属离子从关节联合中的释放及其对人体未知的生理影响。金属对金属植入物的优点是它们可以被制成较大的尺寸而使用。较大尺寸的植入物可允许更大范围的运动并且可为关节提供更高的稳定性。所述金属对金属植入物也表现出在表面重修类型中应用的作用，而这种表面重修对骨的保护是非常需要的。在这样的较大的关节中，常规的或交联聚乙烯并不是优选的，而金属对金属可能是唯一可利用的选择。所述较大尺寸的联接需要更薄的聚乙烯内衬。一个较薄的内衬可能机械强度不高，可能会有更多的蠕动或可导致磨损和骨质溶解增加，最后导致植入的失败。通常，硬对硬植入物的类型可显著扩大。它可以包括互相相对的关节联接的元件，所述互相相对的联接关节的元件用金属或陶瓷或它们的任何组合制备。在本公开中，所述术语“硬”指金属和/或陶瓷。因此“硬对硬”可以是金属对金属、金属对陶瓷以及陶瓷对陶瓷。在前文中，“金属”包括纯金属和金属合金。

[0006]另一个常用的硬对硬关节连接点是陶瓷对陶瓷。目前陶瓷对陶瓷植入物的标准材料是矾土。对这些植入物而言，金属离子的释放通常不是问题。但是由于陶瓷的韧性和脆性的限制，很难将其制成较大尺寸的植入物。陶瓷元件具有断裂从而导致潜在的关节联接失败和与关节断裂有关的并发症的有限可能性。

[0007]通过将金属和陶瓷元件结合减少金属离子释放和使断裂风险最小化，是现有技术最多的课题。Fisher等(美国专利申请2005/0033442)和Khandkar等(美国专利6,881,229号)提出具有金属对陶瓷关节联接(articulation)的植入物的应用。Fisher等提出金属元件和陶瓷元件之间硬度的差异微至少4000MPa.Khandkar等特别提出氮化硅陶瓷元件用于针对金属元件的关节联接中的用途。在这两个例子中，其目的都是减少配对联接的磨损。但是这两个例子中，陶瓷断裂的风险依然很大。在这两个例子中，陶瓷元件的强度影响了较大尺寸的关节的制作。应该注意到这两个例子中都是将陶瓷表面与金属表面配对。如同下文详述中的讨论，本发明的目的是在两个表面元件都是天然金属时，减少配对联接的磨损。在另一个途径中，Lippincott和Medley(美国专利号6,059,830)提出在配对髋关节元件中应用几何学约束。’830专利讲述这种半径差异小于50微米的配对元件的应用。这种半径的小差异将促使形成较厚的液体膜并且因此减少配对金属元件的磨损。这一方法的缺点是这种复杂的制作步骤需要非常小的误差(tight tolerances)才能生产所述元件。

[0008]与减少硬对硬金属配对的磨损相关的问题不是医学植入领域独有的问题，同样也存在于其他领域，这些例子包括自动化和航空元件。其他方向的申请将同样从改进的配对中获益。

[0009]本发明的发明人发现苛求的生产方法并不是必需的，因为减少磨损的显著改善可以通过在两个接触面的一个表面进行不同的处理而实现，特别是当所述接触面关节联接(articulate)互相相对时。

发明简述

[0010]本发明涉及一种医用植入物，和一种制备该植入物的方法，所述植入物具有金属或金属合金基材(如CoCr)，及扩散硬化的表面(如等离子渗碳表面)，所述表面与非扩散硬化的表面或扩散硬化的表面接触，而扩散硬化的表面具有与其相对的表面不同的扩散硬化材料(species)。

[0011]在一个装置的实施方案中，所述装置包括：第一部分(所述第一部分具有第一接触面)、第二部分(所述第二部分具有第二接触面)；其中第一部分和第二部分由金属或金属合金组成，而且其中第一接触面和第二接触面互相接触；并且，其中条件(a)和(b)之一得到满足：(a)所述第一和第二接触面之一含有扩散硬化的金属表面，所述表面用扩散硬化材料进行扩散硬化，而所述第一和第二接触面中的另一个接触面是未经扩散硬化的金属表面；(b)所述第一接触面和第二接触面均含有扩散硬化金属表面，其中所述第一接触面至少用第一种扩散硬化材料进行扩散硬化，而所述第二接触面至少用第二种扩散硬化材料进行扩散硬化，并且其中所述第一种扩散硬化材料不同于所述第二种扩散硬化材料；其中所述扩散硬化材料选自由碳、氮、氧、硼及其任何组合。在另一个实施方案中，所述装置是医用植入物。在某些实施方案中，所述第一部分含有的金属或金属合金不同于所述第二部分含有的金属或金属合金。在所述装置的某些实施方案中，所述金属或金属合金是CoCr。在所述装置的某些实施方案中，所述接触面的一个或两个接触面含有等离子硬化表面。在所述装置的某些实施方案中，所述等离子硬化表面选自等离子渗碳表面、等离子渗氮表面、等离子氧化表面、等离子硼渗表面及其任何组合。在某些实施方案中，其中所述装置是医用植入物，所述医用植入物是髋部植入物。在某些髋部植入物的实施方案中，所述第一部分和第二部分之一是含有股骨头的股骨元件，其中所述股骨头具有一个接触面；而其中所述第一部分和第二部分的另一个是髋臼元件，所述髋臼元件具有内表面，其中所述内表面含有一个接触面。在某些髋部植入物的实施方案中，所述接触表面的一面或两面含有等离子硬化表面。在某些髋部植入物的实施方案中，所述等离子硬化表面选自等离子渗碳表面、等离子渗氮表面、等离子氧化表面、等离子硼渗表面及其任何组合。在某些医用植入物实施方案中，所述医用植入物是膝部植入物。在某些膝部植入物的实施方案中，所述第一部分和第二部分之一是含有至少一个髁关节(condyle)的股骨元件，所述至少一个髁关节含有一个接触面；并且其中所述第一部分和第二部分中的另一部分是胫骨元件，所述胫骨元件含有一个接触面。在某些膝部植入物的实施方案中，所述接触面的一面或两面含有等离子硬化表面。在某些膝部植入物的实施方案中，所述等离子硬化表面选自等离子渗碳表面、等离子渗氮表面、等离子氧化表面、等离子硼渗表面及其任何组合。在某些医用植入物的实施方案中，所述医用植入物选自肩部植入物、肘部植入物、手指植入物、椎骨植入物和颞-下颌骨植入物。在所述装置的某些实施方案中，所述第一和第二接触面的关节联接互相相对。在所述装置的某些实施方案中，所述装置在所述第一和第二接触面中的一面或两面上进一步含有沉积的陶瓷层(coating)。在所述含有沉积的陶瓷层的装置的某些实施方案中，所述沉积的陶瓷层选自氧化物陶瓷，氮化物陶瓷，碳化物陶瓷，硼化物陶瓷及其任何组合。在所述装置的某些实施方案中，所述装置在所述第一接触面和第二接触面中的一面或两面上进一步含有金刚石或类金刚石碳薄层。在所述装置的某些实施方案中，所述第一和第二接触面均含有扩散硬化的金属表面，且其中所述第一接触面是渗碳扩散和氧化扩散的，而所述第二接触面是渗碳扩散的。在所述装置的某些实施方案中，适用条件(b)，用于所述第一接触面的所述扩散硬化材料选自碳、氮、硼及其任何组合；而用于所述第二接触面的所述扩散硬化材料选自碳、氮、氧、硼及其任何组合，经历的条件是所述接触面之一用扩散硬化材料进行扩散硬化，而另一个接触面不存在这样的扩散硬化材料，而另一个接触面不存在这种扩散硬化材料。在所述装置的某些实施方案中，所述扩散硬化材料选自碳、氮、氧及其任何组合。在所述装置的某些实施方案中，所述装置是自动化和航空装置。

[0012]在另一个制备这种装置的方法的实施方案中，所述方法包括下述步骤：用金属或金属合金制备装置，所述装置含有第一部分(所述第一部分具有第一接触面)和第二部分(所述第二部分具有第二接触面)，其中所述第一和第二接触面互相接触；通过扩散硬化法在所述装置上形成扩散硬化的金属表面，所述扩散硬化步骤用选自由碳、氮、氧、硼及其任何组合的扩散硬化材料进行，所述扩散硬化步骤根据步骤(a)或(b)进行：(a)在所述第一和第二接触面中的一个接触面并且仅仅是一个接触面上进行扩散硬化，以形成扩散硬化金属表面；(b)在所述第一和第二接触面的两个接触面上进行扩散硬化，以形成扩散硬化金属表面，其中所述第一接触面至少用第一种扩散硬化材料进行扩散硬化；而所述第二接触面至少用第二种扩散硬化材料进行扩散硬化，并且其中所述第一种扩散硬化材料不同于所述第二种扩散硬化材料。在某些实施方案中，所述制备装置的步骤包括制备金属植入物。在某些实施方案中，所述用包含第一部分和第二部分的金属和金属合金制备装置的步骤，包括用不同的金属或金属合金制备所述第一部分和所述第二部分。在某些实施方案中，所述金属或金属合金是CoCr。在某些实施方案中，所述扩散硬化的步骤包括等离子硬化。在某些制备医用植入物的实施方案中，所述制备医用植入物的步骤包括制备髋部植入物。在某些制备髋部植入物的实施方案中，所述第一部分和第二部分之一是髋臼元件，而所述第一部分和第二部分中的另一个是股骨元件。在某些制备医用植入物的实施方案中，所述制备步骤包括制备膝部植入物。在某些制备膝部植入物的实施方案中，所述第一部分和第二部分之一是胫骨元件，而所述第一部分和第二部分中的另一个是股骨元件。在某些制备医用植入物的实施方案中，所述制备医用植入物的步骤包括制备选自肩部植入物、肘部植入物、手指植入物、椎骨植入物和颞-下颌骨植入物的医用植入物。在某些实施方案中，所述方法进一步包括在所述第一和第二接触面中的一面或两面上沉积陶瓷层的步骤。在某些实施方案中，所述方法进一步包括在所述第一和第二接触面中的一面或两面上沉积金刚石或类金刚石碳薄层的步骤。在某些实施方案中，所述在第一和第二接触面两面均通过扩散硬化法形成扩散硬化的金属表面的步骤，包括在所述第一接触面形成渗碳扩散表面和氧化扩散表面，而在所述第二接触面形成渗碳扩散表面。在其中适用条件(b)的某些实施方案中，用于所述第一接触面的所述扩散硬化步骤用选自碳、氮、硼及其任何组合的扩散硬化材料进行；而用于所述第二接触面的所述扩散硬化步骤用选自碳、氮、氧、硼及其任何组合的扩散硬化材料进行，经历的条件是所述接触面的一面用扩散硬化材料进行扩散硬化，所述扩散硬化材料与另一接触面的扩散硬化材料不同。在某些实施方案中，所述用于形成扩散硬化金属表面的扩散硬化步骤用选自碳、氮、氧及其任何组合的扩散硬化材料进行。

[0013]在另一个医用植入物的实施方案中，所述医用植入物包括：第一部分(所述第一部分具有第一接触面)、第二部分(所述第二部分具有第二接触面)；其中第一部分和第二部分由金属或金属合金组成，而且其中第一和第二接触面互相接触；并且，其中条件(a)和(b)之一得到满足：(a)所述含有扩散硬化表面的第一和第二接触面之一和未经扩散硬化的所述第一和第二接触面中的另一个接触面；(b)所述第一和第二接触面均含有扩散硬化表面，其中所述第一接触面用第一种扩散硬化材料进行扩散硬化，而所述第二接触面用第二种扩散硬化材料进行扩散硬化，并且其中所述第一种扩散硬化材料不同于所述第二种扩散硬化材料；其中在(a)和(b)中的所述扩散硬化表面选自渗碳扩散表面和渗氮扩散表面。在某些实施方案中，含有所述第一部分的金属或金属合金不同于含有所述第二部分的金属或金属合金。在具体的实施方案中，所述金属或金属合金是CoCr。在具体的实施方案中，所述扩散硬化表面是等离子硬化表面。在某些实施方案中，所述等离子硬化表面选自等离子渗碳表面、等离子渗氮表面和具有等离子渗碳和等离子渗氮两者的表面。在某些实施方案中，所述医用植入物是髋部植入物。在具体的髋部植入物的实施方案中，所述第一部分是含有股骨干和股骨头的股骨元件，其中所述股骨头含有所述第一接触面；其中所述第二部分是髋臼元件，所述髋臼元件含有内表面，且其中所述内表面含有所述第二接触面。在具体的髋部植入物的实施方案中，所述扩散硬化表面是等离子硬化表面。在具体的髋部植入物的实施方案中，所述等离子硬化表面选自等离子渗碳表面、等离子渗氮表面和具有等离子渗碳和等离子渗氮两者的表面。在某些实施方案中，所述医用植入物是膝部植入物。在具体的膝部植入物的实施方案中，所述第一部分是至少含有一个髁关节的股骨元件，所述至少一个髁关节含有所述第一接触面；并且其中所述第二部分是胫骨元件，所述胫骨元件含有所述第二接触面。在具体的膝部植入物的实施方案中，所述扩散硬化表面是等离子硬化表面。在具体的膝部植入物的实施方案中，所述等离子硬化表面选自等离子渗碳表面、等离子渗氮表面和具有等离子渗碳和等离子渗氮两者的表面。在其他的实施方案中，所述医用植入物选自肩部植入物、肘部植入物、手指植入物、椎骨植入物和颞-下颌骨植入物。在具体的实施方案中，所述第一接触面和第二接触面的关节联接互相相对。在某些实施方案中，所述植入物在所述第一和第二接触面中的一面或两面进一步含有陶瓷层。在某些实施方案中，所述植入物在所述第一和第二接触面中的一面或两面进一步含有金刚石或类金刚石碳薄层。

[0014]在本发明的另一个实施方案中，所述医用植入物包括：第一部分(所述第一部分具有第一接触面)、第二部分(所述第二部分具有第二接触面)；其中第一部分和第二部分由金属或金属合金组成，而且其中第一和第二接触面互相接触；并且，其中条件(a)和(b)之一得到满足：(a)所述含有氧化扩散表面的第一和第二接触面之一和未经扩散硬化的所述第一和第二接触面中的另一接触面；(b)所述第一和第二接触面之一含有氧化扩散表面，而所述第一和第二接触面的另一接触面是渗碳扩散、渗氮扩散、或渗碳扩散和渗氮扩散二者。在某些实施方案中，所述第一接触面和第二接触面的关节联接互相相对。在具体的实施方案中，所述金属或金属合金是CoCr。在某些实施方案中，所述医用植入物是髋部植入物。在某些实施方案中，所述医用植入物是膝部植入物。在某些实施方案中，所述植入物在所述第一和第二接触面中的一面或两面进一步含有陶瓷层。在某些实施方案中，所述植入物在所述第一接触面和第二接触面中的一面或两面进一步含有金刚石或类金刚石碳薄层。

[0015]在本发明的另一个实施方案中，制备医用植入物的方法包括下述步骤：用金属或金属合金制备医用植入物，所述医用植入物包括第一部分(所述第一部分具有第一接触面)和第二部分(所述第二部分具有第二接触面)，其中所述第一和第二接触面互相接触；根据步骤(a)或(b)对所述医用植入物进行扩散硬化：(a)在所述第一和第二接触面中的一个并且仅仅是一个接触面上进行扩散硬化；(b)在所述第一和第二接触面的两个接触面上进行扩散硬化，其中所述第一接触面用第一种扩散硬化材料进行扩散硬化；而所述第二接触面用第二种扩散硬化材料进行扩散硬化，并且其中所述第一种扩散硬化材料不同于所述第二种扩散硬化材料；其中在(a)和(b)中的扩散硬化表面选自渗碳扩散表面和渗氮扩散表面。在某些实施方案中，所述第一部分含有与所述第二部分不同的金属或金属合金。在具体的实施方案中，所述金属或金属合金是CoCr。在具体的实施方案中，所述扩散硬化的步骤包括等离子硬化。在某些实施方案中，所述制备医用植入物的步骤包括制备髋部植入物。在某些实施方案中，所述制备医用植入物的步骤包括制备膝部植入物。在某些实施方案中，所述制备医用植入物的步骤包括制备选自肩部植入物、肘部植入物、手指植入物、椎骨植入物和颞-下颌骨植入物的医用植入物。在某些实施方案中，所述方法进一步包括在所述第一和第二接触面中的一面或两面上沉积陶瓷层的步骤。在某些实施方案中，所述方法进一步含有在所述第一接触面和第二接触面中的一面或两面上沉积金刚石或类金刚石碳薄层的步骤。

[0016]在本发明的另一个实施方案中，制备医用植入物的方法包括下述步骤：用金属或金属合金制备医用植入物，所述医用植入物包括第一部分(所述第一部分具有第一接触面)和第二部分(所述第二部分具有第二接触面)，其中所述第一和第二接触面互相接触；根据步骤(a)或(b)对所述医用植入物进行扩散硬化：(a)在所述第一和第二接触面中的一个并且仅仅是一个接触面上进行氧化扩散，而所述第一和第二接触面中的另一个接触面不进行扩散硬化；(b)在所述第一和第二接触面之一进行氧化扩散，在所述第一和第二接触面中的另一接触面进行扩散硬化；其中在(b)上的扩散硬化步骤选自渗碳扩散表面和渗氮扩散表面。在某些实施方案中，所述第一部分含有与所述第二部分不同的金属或金属合金。在具体的实施方案中，所述金属或金属合金是CoCr。在某些实施方案中，所述扩散硬化表面是等离子硬化表面，所述氧化扩散表面是等离子氧化表面，或者所述扩散硬化表面是等离子硬化表面，所述氧化扩散表面是等离子氧化表面。在某些实施方案中，所述制备医用植入物的步骤包括制备髋部植入物。在某些实施方案中，所述制备医用植入物的步骤包括制备膝部植入物。在某些实施方案中，所述制备医用植入物的步骤包括制备选自肩部植入物、肘部植入物、手指植入物、椎骨植入物和颞-下颌骨植入物的医用植入物。在某些实施方案中，所述方法进一步含有在所述第一和第二接触面中的一面或两面上沉积陶瓷层的步骤。在某些实施方案中，该方法进一步含有在所述第一和第二接触面中的一面或两面上沉积金刚石或类金刚石碳薄层的步骤。

[0017]本发明前述已广泛概括了本发明的特点和技术优点以便于那个更好地理解本发明的详述。本发明其他的特点和优点将在形成本发明的权利要求的主题的后述中描述。本领域技术人员将理解，所公开的概念和具体的实施方案对于实施与本发明相同目的的其他结构的修饰和设计将是可利用的基础。本领域技术人员也应该认识到，这种等同的构造并不脱离本发明在所附权利要求中提出的精神和范围。当结合伴随的数据一起考虑时，从下文的描述将更好的理解被认为是本发明的特征的所述新特点(包括其结构和操作方法二者)、以及进一步的目的和优点。然而为了更明确的理解，提供各插图仅仅是为了举例说明和描述，并且也不打算作为限制本发明的定义。

插图简述

[0018]为了更全面了解本发明，现结合附图进行以下描述作为参考，其中：

[0019]图1显示在髋部模拟器中毛胚铸件和等离子渗碳金属-对-金属配对的线型磨损。

[0020]图2显示毛胚铸件CoCr合金样品上渗碳层的金相图。

[0021]图3显示髋关节假肢在原位的简图。

[0022]图4是显示离开原位的典型髋关节假肢的简图。

[0023]图5显示膝关节假肢在原位的简图。

[0024]图6是显示离开原位的典型膝关节假肢的简图。

发明详述

[0025]如本文所用，“a”或“an”表示一个或多个。除非另有所指或者内容很清楚，所述单数包括所述复数而所述复数也包括所述单数。

[0026]如本文所用，所述术语“关节联接”(当其涉及多个医用植入物表面时)表示在主要的承重方式中互相接触的表面。应用于本文的所述术语“接触”(当其涉及多个医用植入物表面时)表示所述植入物的任何表面，所述表面与植入物的另一面接触，包括承重接触(即是关节联接表面)和非承重接触二者。因此，所述术语“接触面”范围更宽，并包含术语“关节联接表面”。所述术语“接触面”表示所有接触形式，也包含中间形式的接触，如第二承重方式中的接触。这种医用植入物表面被称为接触表面。当所述植入物用于相对于另一个植入物表面时，应该理解这表示两个表面置于一个位置上，这样它们是彼此相互接触的接触面。医用植入物中的接触面被认为是相互“配对(coupled to)”的。

[0027]如本文所用，“植入物部分”表示医用植入物的任何部分。医用植入物的植入物部分可以是单独的(分离的)部分也可以是一个整体植入物的分离的部分。

[0028]如本文所用，“扩散硬化”表示一种金属或金属合金硬化的常规技术，所述技术将硬化材料扩散到金属或金属合金的表面并进入金属或金属合金体积内。扩散硬化包含“常规的扩散硬化”，即将气体、液体或固相中的扩散硬化材料与金属或金属合金接触，通常在高温下进行；和“等离子硬化”，即将在等离子中的扩散硬化材料与金属或金属合金接触以起到将材料扩散进入金属或金属合金内部的作用。本发明所述扩散硬化材料限定为碳、氮、硼和氧。因此，本文的扩散硬化形成渗碳表面、渗氮表面、氧化表面、硼渗表面或其任何组合。本文中，“等离子硬化”表示等离子渗碳、等离子渗氮、等离子硼化、等离子氧化或其任何组合。“等离子硬化表面”表示等离子渗碳表面、等离子渗氮表面、等离子硼渗表面、等离子氧化表面或其任何组合。

[0029]如本文所用，“扩散硬化金属表面”被定义为用所述方法进行扩散硬化的金属或金属合金表面，以避免在表面形成陶瓷层，或移出扩散硬化过程中形成的任何这类层。“扩散硬化陶瓷表面”是当金属或金属合金经历扩散硬化过程时，形成陶瓷层表面的一种层面。在这种方法中，扩散硬化表面不同于扩散硬化陶瓷表面。

[0030]如本文所用，CoCr合金的限定广泛，包括含有至少20％(重量/重量)铬和至少50％钴的合金。平衡元素可以是钼、钨、铁、氮和碳。ASTM国际标准F799、F1537、F75和F90(ISO 5832-4到ISO 5832-8)描述了典型的这种组合的合金。虽然本发明大部分的讨论聚焦于CoCr合金，但应该理解本发明并不限于CoCr合金，它可以应用于任何金属或金属合金以及本文中的医用植入物，所述金属或金属合金优选生物相容性金属或金属合金，如那些在整形术的应用中常用的金属或金属合金。

[0031]如本文所用，“渗碳层”表示含有金属或金属合金基材和碳的固体溶液的金属层或金属合金层。所述基材用碳扩散形成固体溶液。应该注意到对渗氮层(用氮扩散)、氧化层(用氧扩散)、渗硼层(用硼扩散)和采用渗碳、渗氮、氧化和渗硼(boridation)的任何组合的组合层的应用都包括在本发明范围内。尽管本文大多数讨论集中在渗碳方面，但是，应该理解本发明包括用填隙元素(interstitialelements)碳、氮、氧和硼的任何一种或其任何组合硬化的金属。因此，除了渗碳层，也可以具有氧化层、渗氮层、渗硼层及其组合。虽然碳、氮、氧和硼在本发明中都有应用和被包含在本发明中，但是碳是最优选的而硼是最少选用的。因此在本发明的某些实施方案中，用硼形成渗硼层被排除。

[0032]在年轻和充满活力的患者中，对于磨损少的植入物的需求日益增长。常规的植入物应用聚乙烯和金属或陶瓷相对的表面(counterface)。虽然这些植入物的磨损已经显著下降，但它们仍然有局限性。局限性之一是植入物的尺寸。为了达到年轻和充满活力的患者对植入物稳定性和更大的运动范围的要求，制备较大尺寸的植入物正在成为一种趋势。这导致了金属-对-金属植入物的出现。典型的金属-对-金属植入物用高碳CoCr合金制备。尽管它们的磨损率显著下降，但是从这些植入物中可释放出金属离子并且其对人体生理的影响仍然是关注的问题。如前述所提到的，减少所述磨损已成为多种发明的目的。

[0033]常规的金属和金属合金的扩散硬化技术是本领域在骨科应用中已知的。Davidson在美国专利5,037,438号中首次证明可将扩散硬化氧化物表面，如氧化锆应用于骨科，Davidson的‘438专利公开了制备具有氧化锆表面的锆合金假肢的方法。Watson在美国专利2,987,352号中公开了制备具有氧化锆表面的锆轴承的方法。产生的氧化层在厚度上并不总是一致的，而这种非均一性降低了锆合金和所述氧化层之间结合的完整性，同时降低了所述氧化层内部结合的完整性。Davidson和Watson都提出了锆合金的扩散硬化。常规方法中，于空气中在高温下加热锆合金。在空气中加热使基材中的氧扩散，从而在所述表面上形成陶瓷氧化物。在另一个方法中，Shetty等(美国专利5,308,412号)提出CoCr合金的渗氮扩散硬化。Shetty提出在氮富足的环境(离子或分子)下长时间加热CoCr合金，可用氮扩散硬化所述表面。Davidson在美国专利5,152,794中延伸了渗氮扩散(用氮作为渗氮的氮源)的扩散硬化的传统概念。美国专利2,987,352、5,037,438、5,308,412和5,152,794均通过引用全文结合到本文中。

[0034]在美国专利6,447,550、6,585,772和待审的美国专利申请系列号10/942,464中，Hunter等描述了获得均匀厚度的氧化锆层的方法。Hunter提出通过应用预-氧化处理技术和通过对基材微结构的处理获得所述均匀层。均匀厚度的氧化层的应用导致对体液活动的耐腐蚀性增强以及其他益处，在接受者的生存期内其生物相容性和稳定性是良好的。美国专利6,447,550、6,585,772和待审的美国专利申请系列号10/942,464均通过引用全文结合到本文中。Hunter等提出了获得均匀氧化物的两个方法。其中之一是达到足够的粗糙表面作为预-氧化步骤。这种粗糙表面使得氧气均匀地扩散并在所述表面上产生粘附的、均匀的氧化物。在另一个方法中，Hunter提出应用精致的、良好的纹状微结构。所述方法的目的也是使得氧气在基材中均匀地扩散并形成均匀地氧化物粘附层。然而，应该理解由Davidson、Watson和Hunter的组合物是扩散硬化陶瓷表面。本发明的表面的不同之处是下文解释的扩散硬化金属表面。

[0035]Davidson和Hunter的常规的扩散硬化方法可使间隙元素(如C、N、O和/或B)向金属表面扩散。当这些元素在所述表面扩散时，可能使所述金属渗透饱和并因此导致所述表面的硬化。如果扩散进一步继续，超出基材中所述间隙元素的溶解度限制，可导致沿着扩散硬化带形成陶瓷表面或形成一种化合物。Davidson和Hunter方法的一个实施例是在锆合金表面形成氧化物。本发明的目的是仅形成扩散硬化的金属表面，而不在所述表面形成陶瓷层或化合物。在常规方法中如果形成所述陶瓷层或化合物，可用本领域已知技术除去之。本领域技术人员已知，可用几种方法进行扩散方法。本领域已知的常规扩散硬化方法是压缩渗碳或渗氮、盐浴渗碳或渗氮或采用扩散材料的气体混合物。例如，在250℃到1000℃温度范围、100％氮气存在下，将用CoCr合金制备的装置加热延长的时间。较长的扩散时间将产生更厚的扩散硬化带。硬化的典型时间可以是5小时或更长。可将所述装置放置于一个自然的对流烤箱中或者用加热电阻加热。经过这样长时间的处理后，沿着表面的薄陶瓷层(氮化铬)可形成扩散硬化带。这种陶瓷层现在可通过抛光与磨料除去，所述磨料例如碳化硅或氧化铝或二氧化硅，但不局限于此。本发明的目的是制备扩散硬化的、并且是金属性质的表面。本领域另一个扩散硬化方法是等离子硬化。本领域技术人员应该理解所述目的是扩散材料可以以固体、液体、气体、等离子体形式或其组合存在。例如，Ti合金的氮扩散硬化可在富氮氛围下或者在氮气等离子体中进行。如果在所述表面对钛的氮化物进行长时间的氮扩散。常规的扩散硬化法有时会导致形成表面的陶瓷层，本发明的目的是使得所述渗透饱和仅在允许范围内，这样不致形成陶瓷层或既便形成陶瓷层，也可以通过机械方法除去、或者通过加热无扩散硬化材料的表面，使得扩散硬化材料深入到基材中，由此消耗可能已经形成的任何陶瓷层。机械去除陶瓷层的实施例包括用磨料例如碳化硅、氧化铝或二氧化硅研磨。尽管用酸或碱很难去除大多数陶瓷表面，但可以用化学-机械抛光法。所述化学抛光法采用悬于酸或碱介质中的磨料，其可增强陶瓷表面的去除率。可替换地，在常规扩散硬化方法中形成的陶瓷层可通过对过程中的变量(时间、温度、扩散硬化材料的浓度等)的精确控制避免陶瓷层的形成。根据金属或金属合金基材的性质、扩散硬化材料的性质和其他可能的因素对常规扩散硬化法中的变数进行修饰是有必要的。在某些例子中，可能有必要在一系列条件下制备样品，然后对样品进行分析测试以确定陶瓷层的形成和程度。可通过常规横截面金相技术测定陶瓷层的存在。也可以用所述表面的化学组成，并根据所述合金系统的扩散材料的溶解度测定。反过来，可在所述相图中获得扩散材料的溶解度。也可以采用检测样品的电容-电压测定所述陶瓷层的存在。由于陶瓷层是典型的绝缘体，金属表面的陶瓷层可产生电容。可替换地，可用深度剖面和X射线光电子能谱(XPS)检测陶瓷层或其厚度。在XPS中，可测定扩散材料价态，其反过来有助于评估所述陶瓷层的厚度。也可应用其它本领域普通技术人员已知的分析技术、特别是表面分析技术。对过程中的变量的修改可避免所述陶瓷层的形成。同样地，当通过机械法、化学法或加热处理法去除陶瓷层时，可对样品进行分析检测以确定所述陶瓷层去除的程度。在本发明中，用Davidson、Watson和Hunter的常规扩散硬化方法形成扩散硬化表面时，需要终产品是扩散硬化的金属表面，并且没有扩散硬化的陶瓷表面。

[0036]如所讨论的，金属和金属合金扩散硬化产生扩散硬化的金属表面的另一个机理包括通过非金属材料的结合，通过用等离子体材料处理所述金属或金属合金，对这些材料的表面进行修饰。典型的等离子体是离子化气体(原子和分子)，由于等离子体独特的性质，通常将其认为是与固体、液体和气体不同的一个独有的物质相。气体原子或分子的离子化导致至少有一个电子从原子或分子部分分离出来。产生的自由电荷使所述等离子可以导电，因此产生很强的电磁场。可通过电磁场(例如RF或微波等离子体)或电压放电(例如辉光放电)产生等离子体。在某些实施例中，象在常规扩散硬化法讨论中的一样，避免陶瓷层的形成或去除任何这样的层都是必需的。这与在常规扩散硬化法讨论中的情况类似。去除技术与常规扩散硬化的样品是一样的。还有与常规扩散硬化法中同样的是，根据金属或金属合金基材的性质、扩散硬化材料的性质和其他可能的因素，对所述等离子硬化过程中的变量进行修改。在某些情况下，可能有必要在一系列条件下制备样品，然后对样品进行分析测试以确定陶瓷层的形成和程度。

[0037]Bell等此前描述了采用碳的CoCr合金的等离子硬化法(美国专利申请2005/0241736A1号)。Shetty等提出了采用氮的扩散硬化法(美国专利5,308,412号)。所述‘736专利申请描述了渗碳方法。并进一步提出这种加工的植入物可用于膝部或髋部关节。所述‘412专利描述了所述渗氮方法。应该注意到这两项发明都没有提及这种硬化的植入物和非-硬化的植入物的配对。美国专利申请2005/0241736A1号和美国专利5,308,412号通过引用结合到本发明全文中。

[0038]然而，可通过采用本领域任何和所有已知的方法，用渗碳法和/或渗氮法和/或氧化法和/或渗硼法来硬化表面。优选的实施方案采用上述常规扩散硬化法或等离子硬化技术。本发明通常包括金属装置表面，以及特殊的医用植入物表面，特别是医用植入物和经受磨损例如关节联接表面的磨损的金属装置的这些表面的渗碳法、渗氮法、硼化法、氧化法及其组合。

[0039]通常，本发明内容中的等离子体处理表示在碳源、氧源、氮源、硼源或其任何组合的存在下，将金属或金属合金暴露于等离子体中。碳源的实例包括甲烷；氮源的实例包括氮气；氧源的实例包括氧气和空气。硼源的实例包括，但不限于无定形硼、硼酸(B₂O₃)和三氯化硼(BCl₃)。这些只是举例说明扩散材料的来源，本领域技术人员已知的其他来源也适用于本发明。所述同样的来源也用于常规扩散硬化技术。

[0040]在一个范例中，提供了所述等离子渗碳医用植入物的非-限制性方法。将植入物表面置于容器内，所述表面作为阴极与电源和控制器连接，而所述容器壁作为阳极与直流电电源连接。在植入物部分或仿制样品上钻一个直径3mm的孔，通过插入该孔中的热电偶测定所述植入物的温度。在将可密封的容器紧密封闭后，用旋转泵除去残余的空气(氧气)，这样使得所述容器的压力下降。当压力降至10Pa(0.1mbar)或更低时，在两个电极之间采用约400伏到约900伏电压后，在所述植入物和容器壁(阳极)之间导入辉光放电。同时在所述容器内导入加热的氢气。在所述植入物温度升高的同时所述容器内的氢气压力逐渐增高。所述植入物未采用任何外部或辅助加热，仅通过辉光放电等离子态加热植入物。可替换地，也可采用外部热源。

[0041]在另一个实施方案中，可使用附加在所述容器上的外部加热器、或采用外部加热和辉光放电加热结合的方法。可采用直流放电(dc)、脉冲dc放电或交流放电(ac)。

[0042]在将植入物加热至规定的温度后，向所述容器内导入氢气(98.5％)和甲烷(1.5％)的混合气体，并开始等离子处理。所用处理温度从约400℃到约600℃，而处理时间为10小时。处理步骤的工作压力为500Pa(5.0mbar)。

[0043]在所述等离子加热处理中，将所述甲烷电离、激活、分离，以产生碳离子和活性碳原子以及中性分子，然后用所述物质对所述盘表面进行扩散形成碳扩散层。当在相对低温(范围从300℃到550℃)下进行所述等离子处理时，所述碳原子主要在钴的晶格中残留，由于处理时采用相对的低温，形成带有一个可能的纳米晶体(nanocrystalline)结构的超饱和的固体溶液。形成的层具有硬度高、良好的疲劳强度和优良的耐磨损和耐腐蚀性(参见下文)。当在相对高温(范围从600℃到700℃)下进行等离子处理时，碳原子在钴的晶格中部分残留，形成超饱和的固体溶液，并且部分与碳结合形成碳化铬。形成的层具有硬度高、良好的疲劳强度和优良的耐磨损性。

[0044]等离子处理完成后，关闭辉光放电等离子，在将植入物移出容器前，先在容器内的处理氛围下使所述植入物冷却至室温。为达到预期的渗氮水平，处理时间和温度可以是变化的。对于所述植入物的渗氮，可采用相同的使用氢气和氮气的混合气体、或单独使用氮气的方法。同样，为达到预期的渗氮水平，处理时间和温度也可以是变化的。最后，渗碳和渗氮二者均有可能使用氮源和碳源(例如，甲烷、氢气和氮气的混合气体等)。或者，在同一个植入物部分可顺序进行独立的渗碳和渗氮步骤。

[0045]应该理解，上述提供的实施例仅仅是说明性的，而不是详尽的；可应用任何已知的或正在开发的渗氮和/或渗碳方法的等离子体。金属或金属合金(优选CoCr)表面的渗碳和/或渗氮的充分程度的所有需要，均适用于本发明。在本发明的某些实施方案中，优选渗碳或渗氮层的厚度至少为1微米。

[0046]本发明人意外发现当医用植入物的第一接触面是扩散硬化的金属表面，而第二接触面或者是1)非扩散硬化的或者是2)用不同于在第一接触面所用的硬化材料扩散硬化(特别地，其中所述接触面是关节联接的表面)时，第一个金属接触面和第二个金属接触面的磨损性显著减少。在本发明中，当表面扩散硬化时，其扩散硬化形成扩散硬化的金属表面。所述磨损性较低的原因并不完全清楚。尽管不希望被理论约束，但是所述接触面不同的硬化方法(由于表面的不同处理)和/或所述第一和第二接触面的不同组成有可能发挥着可见的有益作用。已经观察到，与非-等离子体的渗碳CoCr表面相对于另一个非-等离子体的渗碳CoCr表面比较，以及与等离子体的渗碳CoCr表面相对于另一个等离子体的渗碳CoCr表面比较，在承重模式中，与非-渗碳CoCr表面接触的等离子渗碳CoCr表面展现出超强的磨损特性。

[0047]图1显示在髋关节模拟器中检测的毛坯铸件与等离子体的渗碳CoCr金属-对-金属配对的线性磨损。在0.5百万循环(Mcycles)结束时，所述关节联接的毛坯铸件相对金属-对-金属配对的毛坯铸件的线性磨损是7微米。在1百万循环结束时，线性磨损增加到10微米。然后达到一个恒态增加并稳定在10微米。本发明人发现如果配对的接触面中只有一个选择硬化(例如用渗碳方法硬化)，磨损率可显著降低。如图2中所示，当股骨头是渗碳表面而髋臼壳不是渗碳表面时的线性磨损大约为3微米，并在高达2.5M循环时，线性磨损稳定在5微米。因此，导致线性磨损下降大约50％。如图1所示，本发明者发现当配对中的两个表面都选择硬化时，实际上，所述磨损大于两个接触面都不是硬化表面时的磨损。当两个元件都是渗碳时，在0.5M循环的线性磨损大约是6微米。在1M循环结束时，所述线性磨损增加到23微米，而在2.5M循环结束时，增加到约35微米。通过选择所述配对中的一个元件进行硬化来降低该配对组合的磨损是本发明的一个独特的实施方案。本领域技术人员应该理解如果配对中的一个用渗氮法也会得到同样的结果。

[0048]在本发明的实施方案中，所述被渗碳化的基材合金可以是毛坯铸件。图2显示毛坯铸件元件的渗碳层的金相图象。所述渗碳层厚度大约为8微米。例如在本发明的优选实施方案中，所述渗碳元件与非-渗碳元件配对。所述非-渗碳元件可以是毛坯铸件或者是用可锻造的型材(bar stock)制备的机械。或者，它可用锻造元件制备。应该注意到本发明的具体的实施方案利用了所述配对元件不同的表面硬度/组成的特点。

[0049]或者，被渗碳化的基材合金是用可锻造的型材制备的机械或者是锻造的机械。然后将渗碳元件与非-渗碳元件配对。非-渗碳元件可以是毛坯铸件或者是用可锻造的型材制备的机械。可替换地，其可用锻造材料制备。

[0050]在本发明的实施方案中，所述渗碳层厚度从1微米到25微米。在毛坯铸件元件中，渗碳层可包括图2所示的碳化物基材。在可锻造元件中，渗碳层可以包括或者不包括经过基材合金预-渗碳加热处理的精细的碳化物。在本发明的一个方面，渗碳层大约比基材合金硬1.2倍。

[0051]尽管图1的实施例显示了在应用等离子渗碳CoCr表面相对于一个未处理过的(例如毛坯铸件)CoCr表面时，认识到磨损性得到意外的改善，但是本发明并不仅限于此。尽管不希望被理论所约束，推测所述改善是基于等离子渗碳CoCr表面和未处理过的(例如毛坯铸件)CoCr表面之间不同的硬度。因此，推测在任何硬-对-硬配对中在相配的表面采用不同的处理将导致磨损性的改善。例如，具有等离子渗碳CoCr表面，与其配合操作的(cooperating)等离子渗氮CoCr表面的医用植入物也在并发明范围之内。因为应用了两个不同的扩散材料，将导致在互相配合操作的表面上硬度不同。本发明范围也包括其他等离子硬化的表面与另一个等离子硬化的表面(用不同材料进行硬化)相对的组合。例如，可以采用等离子氧化的CoCr相对于等离子渗氮的CoCr等。对于等离子硬化，可采用等离子渗碳、等离子渗氮和等离子氧化的任何一种。每一种可用于与一个等离子硬化的表面(用其他扩散硬化材料的一种硬化)相对或者可替换地，可将它们用于与未处理过的CoCr表面相对。最后，可将等离子渗碳表面、等离子渗氮表面和等离子氧化表面的任何一种用于与用常规扩散硬化技术进行硬化的表面相对。一个这样的实例是将等离子渗碳表面、等离子渗氮表面和等离子氧化表面的任何一种用于与Davidson-型扩散硬化的表面相对。

[0052]在本发明的某些实施方案中，将扩散硬化层用作陶瓷层沉积的预-处理表面。在这些实施方案(沉积的陶瓷层)和在任何扩散硬化过程中(包括常规扩散硬化方法和等离子硬化二者)形成的原位陶瓷层之间作出区别是非常重要的。所述陶瓷层可以是氧化层、渗氮层、渗碳层或硼化层。这类薄层的实例包括氧化铝、氮化铝、碳化铬、氮化铬、碳化钛、氮化钛和碳氮共渗钛。可用本领域已知方法沉积这些薄层(coatings)，例如，但不限于物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。然后在医用植入物中，将所述陶瓷覆盖的元件与扩散硬化的或非-扩散硬化的元件配对。可替换地，在非-扩散硬化的元件上形成硬的层，所述非-扩散硬化的元件与扩散硬化的元件配对。

[0053]在本发明另一个实施方案中，将所述扩散硬化元件用作金刚石或类金刚石碳(如纳米晶体金刚石)的表面，这些薄层与非-扩散硬化元件相配对。或者，扩散硬化的元件用金刚石或类金刚石覆盖，金刚石或类金刚石碳薄层与扩散硬化的元件相配对。同样，这些实施方案的薄层不象既可以在常规扩散硬化方法中形成也可以在等离子硬化方法中形成的陶瓷层，所述层不会在原位形成，但更容易沉积或位于以前形成的扩散硬化的金属表面。

[0054]在本发明的实施方案中，在所述渗碳表面建立了抗微生物的表面。这是通过将银离子浸渗到渗碳层而达到的。可用离子注入或采用扩散方法浸渗所述银离子。然后将所述银浸渗的渗碳元件与非-渗碳的或陶瓷覆盖的渗碳元件相配对。

[0055]本发明在CoCr假肢装置的关节联接表面上也提供了具有低摩擦、耐磨损表面。简图中的图3-6显示了这类关节联接表面的说明性实例，简图说明了髋关节和膝关节假肢装置。应该理解图3-6仅表示说明性的实例，本发明适用于各种假肢植入物。其它实例包括肩关节植入物、肘关节植入物、指关节植入物、椎关节植入物和颞-下颌骨关节植入物。

[0056]典型的髋关节组装的原位图示于图3，而离开原位的图示于图4。如图3和图4所示，髋关节干2适合股骨，同时假肢的股骨头6适合于髋臼杯10并且关节联接与髋臼杯的内表面8相对，而髋臼杯又依次附着于骨盆。通过在周边组织中植入多孔薄层，混合的多孔金属珠或丝网层12可增加所述植入物的稳定性。股骨头6可以是髋关节干2的不可分割的一部分，或者可以是安装在所述髋关节假肢的股骨颈4末端的圆锥尖端部的单独元件。在髋关节植入物的实施方案中，股骨头关节联接与髋臼杯内表面相对，因此造成磨损，因而从长远来说，可能需要假肢置换。所述内表面可以是适合髋臼杯的衬垫的形式，或者也可以是关节联接元件的不可分割的部分。在本发明的优选实施方案中，股骨头6和髋臼杯10二者均由CoCr合金制成，然而其中股骨头6或髋臼杯10的内表面8之一，并且仅仅是其中之一是扩散硬化的。与CoCr表面(非-扩散硬化)的关节联接相对于另一个CoCr表面(非-扩散硬化)或扩散硬化的CoCr表面的关节联接相对于另一个扩散硬化的CoCr表面相比较，这一关节联接的配对表现出意外的低磨损率。在其它实施方案中，两个关节联接表面都是扩散硬化的，条件是一个表面用扩散材料扩散硬化，该扩散材料与另一个表面的材料不同。例如，可以是碳氮共渗表面的关节联接与渗碳表面相对。在优选的实施方案中，尽管常规扩散硬化法和等离子硬化法和扩散硬化法的组合均适用，但是扩散硬化是通过等离子硬化实现的，优选等离子渗碳。其他本领域已知的扩散硬化技术也适用，可单独应用，也可与等离子硬化法和扩散硬化法结合应用。图3和图4的实施方案是对全髋关节置换的说明。然而，应该理解本发明不仅适用于全髋关节置换，也适用于髋关节表面置换(arthoplasty)，例如但不限于商业上称为Birmingham髋关节表面重修(resurfacing)。通过消除全髋关节植入物的大部分股骨干可保持髋关节表面重修。

[0057]典型的膝关节假肢的原位图示于图5，而离开原位的图示于图6。膝关节包括股骨元件20和胫骨元件30。股骨元件包括髁部22和钉子24，髁部提供股骨元件的关节联接表面而钉子用于将股骨元件固定于大腿骨。胫骨元件30包括胫骨基座32，胫骨基座用钉子34安装固定于胫骨上。将胫骨平台36安装固定在胫骨基座32的顶上并提供一个类似髁部22形状的槽38。髁部的底部表面26与胫骨平台的槽38接触，这样，使这些槽内的髁部关节联接与所述胫骨平台相对。如同髋关节的情况，多孔珠或丝网层也均可适用于膝关节的胫骨或股骨元件或两者。在本发明的优选实施方案中，股骨元件20和胫骨元件30均由CoCr合金制成，其中股骨元件20和胫骨元件之一，并且仅仅是其中之一是扩散硬化的。同样，与CoCr表面(非-扩散硬化)的关节联接相对于另一个CoCr表面(非-扩散硬化)或扩散硬化的CoCr表面的关节联接相对于另一个扩散硬化的CoCr表面相比较，这一关节联接的配对表现出意外的低磨损率。在其它实施方案中，两个关节联接表面都是扩散硬化的，条件是一个表面用扩散材料扩散硬化，该扩散材料与另一个表面的材料不同。例如，一个碳硼共渗表面的关节联接可与一个渗碳表面相对。在优选的实施方案中，尽管常规扩散硬化法和等离子硬化法以及扩散硬化法的组合均适用，但是所述扩散硬化是通过等离子硬化实现的，优选等离子渗碳。其他本领域已知的扩散硬化技术也适用，可单独应用，也可与等离子硬化法和扩散硬化法结合应用。

[0058]应该理解虽然本发明在所述植入物和方法中优选的基材是CoCr，但是任何金属或金属合金基材的应用都包括在本发明的范围内。对于医用植入物的应用，优选生物相容性的这类金属或金属合金。更广泛地，所述范围延伸至具有金属或金属合金接触面的植入物，其中所述表面之一是扩散硬化的而另一个接触面或者是非扩散硬化的，或者是用相对的接触面所用的扩散硬化材料不同的扩散硬化材料扩散硬化的。

[0059]由于本发明的金属配对的优越耐磨特性，可将其应用于医学植入物以外的领域。例如，本发明可适用于其中金属元件相互支撑的任何应用。非-限制性实例包括自动化和航空工业零件及元件(和大多数装置)。其他商业的和工业的元件也适用于本发明并涵盖在本发明内。其他的磨损应用将从该改进的配对中获益。其他的应用，只要主题涉及金属-基础的配对的承重磨损(b)，就适用于本发明，这对本领域普通技术人员而言将是显而易见的。

[0060]尽管已经详细描述了本发明及其优点，应该理解可做出的各种各样的变化、替换和改进，而不背离在所附权利要求书限定的本发明的精神和范围。而且，不打算将本申请的范围限定在说明书中描述的过程、机械、制备，以及物质、手段、方法和步骤的组合的具体实施方案。从本发明的公开内容、过程、机械、制备、物质、手段、方法或步骤的组合，本领域技术人员可容易地意识到可根据本发明，利用目前存在的或以后将要开发的、与本发明相应的实施方案，以实行基本相同的功能或达到基本相同的结果。因此，所附权利要求书打算将这样的过程、机械、制备、物质、手段、方法或步骤的组合包括在本发明的范围内。

Claims (38)

1.一种装置，其含有：

第一部分，所述第一部分具有第一接触面；

第二部分，所述第二部分具有第二接触面；

其中第一部分和第二部分由金属或金属合金组成，并且其中第一接触面和第二接触面互相接触；和，

其中条件(a)和(b)之一得到满足：

(a)所述第一接触面和第二接触面之一含有扩散硬化的金属表面，所述表面用扩散硬化材料进行扩散硬化，而所述第一接触面和第二接触面中的另一个接触面是未经扩散硬化的金属表面；

(b)所述第一接触面和第二接触面均含有扩散硬化金属表面，其中所述第一接触面用至少第一种扩散硬化材料进行扩散硬化，而所述第二接触面用至少第二种扩散硬化材料进行扩散硬化，并且其中所述第一种扩散硬化材料不同于所述第二种扩散硬化材料；

其中所述扩散硬化材料选自碳、氮、氧、硼及其任何组合。

2.权利要求1的装置，其中所述装置是医用植入物。

3.权利要求1或2的装置，其中所述含有所述金属或金属合金的第一部分与含有所述金属或金属合金的所述第二部分不同。

4.权利要求1或2的装置，其中所述金属或金属合金是CoCr。

5.权利要求1或2的装置，其中所述接触面中的一个或两个接触面含有等离子硬化表面。

6.权利要求5的装置，其中所述等离子硬化表面选自等离子渗碳表面、等离子渗氮表面、等离子氧化表面、等离子硼渗表面及其任何组合。

7.权利要求2的装置，其中所述医用植入物是髋部植入物。

8.权利要求7的装置，其中所述第一部分和第二部分中的一个是包含股骨头的股骨元件，并且其中所述股骨头含有接触面；而其中所述第一部分和第二部分的另一个是髋臼元件，所述髋臼元件含有内表面，其中所述内表面含有接触面。

9.权利要求8的装置，其中所述接触面中的一个或两个接触面含有等离子硬化表面。

10.权利要求9的装置，其中所述等离子硬化表面选自等离子渗碳表面、等离子渗氮表面、等离子氧化表面、等离子硼渗表面及其任何组合。

11.权利要求2的装置，其中所述医用植入物是膝部植入物。

12.权利要求11的装置，其中所述第一部分和第二部分之一是含有至少一个髁关节的股骨元件，所述至少一个髁关节含有接触面；并且其中所述第一部分和第二部分中的另一个是胫骨元件，所述胫骨元件含有接触面。

13.权利要求12的装置，其中所述接触面中的一个或两个接触面含有等离子硬化表面。

14.权利要求13的装置，其中所述等离子硬化表面选自等离子渗碳表面、等离子渗氮表面、等离子氧化表面、等离子硼渗表面及其任何组合。

15.权利要求2的装置，其中所述医用植入物选自肩部植入物、肘部植入物、手指植入物、椎骨植入物和颞-下颌骨植入物。

16.权利要求1或2的装置，其中所述第一接触面和所述第二接触面的关节联接互相面对。

17.权利要求1或2的装置，其在所述第一和第二接触面中的一个或两个面上还含有沉积的陶瓷层。

18.权利要求17的方法，其中所述沉积的陶瓷层选自氧化物陶瓷，氮化物陶瓷，碳化物陶瓷，硼化物陶瓷及其任何组合。

19.权利要求1或2的装置，其在所述第一和第二接触面中的一个或两个面上还含有金刚石或类金刚石层。

20.权利要求1或2的装置，其中所述第一和第二接触面均含有包含扩散硬化的金属面的表面，且其中所述第一接触面是渗碳扩散和氧化扩散的，而所述第二接触面是渗碳扩散的。

21.权利要求1或2的装置，其中适用条件(b)且，

用于所述第一接触面的所述扩散硬化材料选自碳、氮、硼及其任何组合；而

用于所述第二接触面的所述扩散硬化材料选自碳、氮、氧、硼及其任何组合，

经历的条件是所述接触面之一用扩散硬化材料进行扩散硬化，而另一个接触面不存在这种扩散硬化材料。

22.权利要求1或2的装置，其中所述扩散硬化材料选自碳、氮、氧及其任何组合。

23.权利要求1的装置，其中所述装置是自动化和航空装置。

24.一种制备装置的方法，所述方法包括下述步骤：

用金属或金属合金制备一种装置，所述装置含有第一部分和第二部分，所述第一部分含有第一接触面，所述第二部分含有第二接触面，其中所述第一和第二接触面互相接触；

用扩散硬化法在所述装置上形成扩散硬化的金属表面，扩散硬化步骤使用选自碳、氮、氧、硼及其任何组合的扩散硬化材料进行；所述扩散硬化步骤根据步骤(a)或(b)进行：

(a)在所述第一和第二接触面中的一个接触面并且仅仅是一个接触面上进行扩散硬化，以形成扩散硬化的金属表面；

(b)在所述第一和第二接触面的两个接触面上均通过扩散硬化法，以形成扩散硬化的金属表面，其中所述第一接触面用至少第一种扩散硬化材料进行扩散硬化；而所述第二接触面用至少第二种扩散硬化材料进行扩散硬化，并且其中所述第一种扩散硬化材料不同于所述第二种扩散硬化材料。

25.权利要求24的方法，其中所述形成装置的步骤包括形成医用植入物。

26.权利要求24或25的方法，其中所述由包含金属或金属合金的所述第一部分和第二部分形成装置的步骤包括由不同的金属或金属合金形成所述第一部分和第二部分。

27.权利要求24或25的方法，其中所述金属或金属合金是CoCr。

28.权利要求24或25的方法，其中所述扩散硬化步骤包括等离子硬化。

29.权利要求25的方法，其中所述形成医用植入物的步骤包括形成髋部植入物。

30.权利要求29的方法，其中所述第一部分和第二部分之一是髋臼元件，而所述第一部分所述第二部分中的另一个是股骨元件。

31.权利要求25的方法，其中所述形成步骤包括形成膝部植入物。

32.权利要求31的方法，其中所述第一部分和所述第二部分之一是胫骨元件，而所述第一部分和所述第二部分中的另一个是股骨元件。

33.权利要求25的方法，其中所述形成医用植入物的步骤包括形成选自肩部植入物、肘部植入物、手指植入物、椎骨植入物和颞-下颌骨植入物成的医用植入物。

34.权利要求24或25的方法，其还包括在所述第一和第二接触面中的一个和两个接触面上沉积陶瓷层的步骤。

35.权利要求24或25的方法，其还包括在所述第一和第二接触面中的一个和两个接触面上沉积金刚石或类金刚石碳层的步骤。

36.权利要求24或25的方法，其中所述在第一和第二接触面的两个接触面上均通过扩散硬化以形成扩散硬化的金属表面的步骤包括在所述第一接触面上形成渗碳扩散表面和氧化扩散表面，而在所述第二接触面上形成渗碳扩散表面。

37.权利要求24或25的方法，其中适用步骤(b)，且，

用于所述第一接触面的所述扩散硬化步骤用选自碳、氮、硼及其任何组合的扩散硬化材料进行；和

用于所述第二接触面的所述扩散硬化步骤用选自碳、氮、氧、硼及其任何组合的扩散硬化材料进行，

经历的条件是一个所述接触面用扩散硬化材料进行扩散硬化，而另一个接触面不存在这种扩散硬化材料。

38.权利要求24或25的方法，其中所述形成扩散硬化的金属表面的扩散硬化步骤用选自碳、氮、氧及其任何组合的扩散硬化材料进行。

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