CN102046214A - 表面合金化的医用植入物 - Google Patents

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Abstract

公开了医用植入物。该医用植入物包含：形成基材(210、310、410)的第一生物相容性金属，扩散到该第一生物相容性金属中以形成生物相容性合金表面(220、314、414)的第二生物相容性金属，该合金表面进一步包含扩散硬化物质，其中所述扩散硬化物质可以是碳、氮、氧、硼及它们的任意组合。还公开了形成医用植入物的方法。所述方法包括以下步骤：提供形成基材(210、310、410)的第一生物相容性金属或合金，提供第二生物相容性金属或合金，将第二生物相容性金属扩散到第一生物相容性金属中，以形成合金层(220、314、414)，从基材中除去过量的第二金属材料以暴露合金层，使所述合金层扩散硬化。

Description

表面合金化的医用植入物
相关申请的交叉引用
本申请要求2008年1月4日提交的美国临时申请No.61/019075的权益。通过引用将该在先申请公开整体并入本文。
发明背景
发明领域
本发明一般涉及可植入假体，更具体涉及表面合金医用植入物。
相关技术
医学植入物材料(特别矫形外科植入物材料)必须兼具高强度、耐腐蚀性和组织相容性。由于合意的是，植入物在患者整个一生中起作用，因此植入物的寿命是至关重要的，当植入物的接受者相对年轻时特别如此。由于某些金属合金具有所需的机械强度和生物相容性，因此它们是制造假体的理想候选材料。这些合金包括例如316L不锈钢、铬-钴-钼合金(CoCr)和钛合金。
矫形外科植入物的承载部件(bearing components)(也称为“匹配物”(“couples”))可以大致分类为：(a)硬对硬(hard-on-hard)；或(b)硬对软(hard-on-soft)。在硬对硬应用中，材料与其自身或与具有大致相同硬度或更大硬度的另一种材料铰接(articulating against)。相反，硬对软应用包括第一材料与较软的材料铰接。硬对硬应用的实例为彼此铰接的两个金属部件，硬对软应用的实例为金属部件与聚乙烯插入物的铰接。
目前，市售的硬对硬髋植入物承载部件有两种主要类型，即金属对金属和陶瓷对陶瓷。目前金属对金属植入物的标准材料为高碳钴铬(CoCr)合金。金属对金属植入物的主要关心问题是金属离子从假体中的释放以及它对人体生理的未知影响。金属对金属植入物的优势在于它们可以较大尺寸使用。植入物的尺寸越大，其所允许植入物的活动范围和稳定性越大。
还表明金属对金属植入物对需要骨保持的表面重修类型应用是有用的。在此类较大关节中，常规的或交联聚乙烯不是优选的，金属对金属可能是唯一可用的选择。较大的尺寸要求聚乙烯衬里(liner)较薄。较薄的衬里可能机械强度不强，可能更蠕变更多或可能导致磨损和骨质溶解增加并最终造成植入失败。
另一种常用的硬对硬植入物材料是陶瓷对陶瓷。目前陶瓷对陶瓷植入物的标准材料是氧化铝。氧化铝的表面硬度为约20至30GPa。对于这些植入物，金属离子释放通常不是所关心的问题。但是由于陶瓷有限的韧性和易碎的性质，很难制备较大尺寸的这些植入物。陶瓷部件具有断裂，因此导致潜在的关节损害以及与关节断裂相关的并发症的有限可能性。
更近一些，已证明经处理的锆合金是制造承重和非承重假体的最适材料。锆合金通常是软的，并且此类合金的硬度通常为1.5至3GPa。由于这些合金是软的，因此它们可以容易地被较硬的材料磨损。然而，通过使这些合金氧化或氮化可以显著提高锆合金的耐磨损性。氧化的锆植入物通常具有5至6微米厚的氧化锆陶瓷表面，该表面通过空气中热驱动的扩散过程而形成。该氧化锆之下是约1.5至2微米的坚硬富含氧的扩散层。该扩散区之下是较软的锆合金基材。氧化锆表面的硬度为约12GPa。氧化的锆表面对聚乙烯磨损的显著降低归因于氧化陶瓷较硬的性质。图1说明了具有氧化锆层12和厚度小于2微米的扩散硬化区14的氧化的锆结构10的示意横截面视图。图2说明了具有陶瓷氧化物部分16、富含氧的扩散区18和金属基材20的氧化锆结构的硬度分布(profile)。图2取自M.Long，L.Reister和G.Hunter，Proc.24th Annual Meeting of the Society For Biomaterials，1998年4月22-26，San Diego，California，USA。
Watson的美国专利No.2987352公开了在锆合金部件上制备蓝黑色氧化物涂层以便提高其耐磨损性的方法。美国专利No.2987352和美国专利No.3615885两者通过空气氧化在锆合金上制备氧化锆涂层。美国专利No.3615885持续进行空气氧化达足够长的时间，以制备比美国专利2987352的蓝黑色涂层更厚的米色涂层。该米色涂层不具有蓝黑色涂层的耐磨损性，因此不适用于其中两个工作面紧密靠近的许多部件。该米色涂层比蓝黑色氧化物涂层磨损更快，导致氧化锆颗粒的形成以及氧化锆表面完整性的损失。随着氧化物表面的损失，锆金属然后暴露于其环境中，并可导致锆离子向临近环境的输送。
虽然蓝黑色涂层的硬度比米色涂层的硬度高，但是蓝黑色涂层的厚度比米色涂层的厚度小。这种更硬的蓝黑色氧化物涂层使其更适于用作表面，如假体装置。尽管蓝黑色涂层比米色涂层的更耐磨损，但是它是相对薄的涂层。因此，希望制备新颖和改良的组合物(composition)，其保留了现有技术的蓝黑色涂层的所需性能(例如，提高的耐磨损性)。
Davidson的美国专利No.5037438公开了制备具有氧化锆表面的锆合金假体的方法。Watson的美国专利No.2987352公开了制备具有氧化锆表面的锆承载件的方法。所制备的氧化物涂层的厚度并不总是均匀的，这种不均匀性降低了锆合金与氧化物层之间结合的完整性以及氧化物层内部结合的完整性。通过引用将美国专利2987352和美国专利5037438两者并入本文，如同完全地在本文中阐述。
尽管相比于常规的钴铬和不锈钢合金，氧化锆已经是个很大的进步，但是它仍有改进的空间。全体硬化区(氧化物加上扩散硬化的合金)使植入物耐受微观磨损(例如来自第三体(如骨水泥、骨碎片、金属碎片等)的磨损)以及稍微不耐受宏观冲击(外科手术器械操作以及来自与金属髋臼外壳(shell)的脱位/半脱位接触)。在硬对硬应用中，如在髋关节中，该材料与其本身或另一个硬化或非硬化的金属而非聚乙烯铰接。此类植入物的磨损率可以高达每年1微米。由于全体硬化区的厚度小于7微米，因此上述氧化锆植入物由于使用寿命方面的考虑而在硬对硬应用中不是最佳的。
美国专利No.6726725教导对于硬对硬应用，可以将氧化物的厚度提高到至多20微米，但是具有该厚度的氧化物组合物尽管高度耐磨损，但是可具有大量的氧化物层缺陷。此类缺陷可导致氧化物的局部散裂。另外，该氧化锆结构具有相对小的扩散硬化区，这使它们对于硬对硬应用来说不太理想。通过引用将美国专利No.6726725并入本文。
美国专利申请公开No.2007/0137734A1教导使用氧化后真空处理，以提高硬化深度。这种处理使得氧从氧化物扩散到基材中，并因此将硬化深度提高可能多达50微米。尽管相对于先前的氧化锆结构，这是显著的改进，但应注意，通过提高扩散硬化金属区的厚度来提高硬化深度。因此，如果逐渐消耗氧化物，则扩散硬化区在该产品的剩余寿命期间成为承载部分。在硬对硬应用中，预期氧化物磨损碎片比金属扩散硬化磨损碎片的惰性更强，但是该金属磨损碎片仍可因此导致一些离子释放。
减少氧化物磨损的途径之一是形成氮化锆来代替氧化锆。氮化锆比氧化锆稍硬，并因此可导致磨损减少。美国专利No.5399207描述了使用流化床炉制备氧化或氮化锆组合物(composition)的方法。‘207专利声明可以在700℃至870℃下进行氮化作用。‘207专利教导使用纯氮气代替空气或氧气来实现表面氮化。Davidson的美国专利No.5180394公开了具有蓝黑色氧化锆或氮化锆表面的矫形外科植入物。‘394专利教导在800℃下在约1小时内在氮气氛中形成氮化物层。此类高温的使用可以导致微结构的变化，如晶粒生长。这些变化又可能影响基材的机械性能。较高温度处理还可以使正在制造的部件尺寸变形。应注意，氮化锆可能不像氧化锆一样粘合至锆合金基材。还应注意，在整个现有技术中，已公开了对制备氧化锆或氮化锆的尝试，但未公开对制备其组合的尝试。通过引用，将美国专利No.5399207和5180394并入本文。
美国专利申请公开No.2006/0233944A1教导在真空处理中用锆离子处理钴铬(CoCr)(称为离子束辅助沉积(IBAD))，然后对其进行氧化。此类方法的一个缺点是大部分的锆将沉积为涂层，而仅有很少的一部分将熔合(alloyed into)到基材合金中。其后的氧化步骤形成作为CoCr合金表面上的涂层的氧化锆。该方法的潜在缺点是如此形成的氧化锆的完整性可能不如通过物理结合到表面上所形成的好。另外，‘944申请所建议的氧化锆厚度仅为3至5微米厚。这样薄的表面对于硬对硬应用来说将不是最佳的。
发明概述
本发明为新颖组合物(composition)以及从其制备的医用植入物。该组合物包括医用植入物上的合金化表面(alloyed surface)。在一种实施方式中，通过以下方式产生合金化表面：使一种或多种金属物质(metallicspecies)扩散，之后对其进行处理以形成陶瓷表面。本发明包括从该新颖组合物制备的矫形外科植入物、制备该新颖组合物的方法以及从该新颖组合物制备矫形外科植入物的方法。该组合物在例如医用植入物的铰接和非铰接(nonarticulating)表面中应用。尽管该组合物特别适合于硬对软应用，但是本发明还涵盖了该医用植入物组合物在硬对硬应用中的使用，如在髋、膝、脊柱或其它植入物中应用。
根据本发明的一些方面，可以提供医用植入物，其包含：第一部件(component)，所述第一部件包含基材，所述基材包含第一生物相容性金属；在至少一部分所述基材上的表面合金化区(alloyed zone)，所述表面合金化区包含：表面合金化/非硬化区，其包含在至少一部分所述基材上的第二生物相容性金属；表面合金化/硬化区，其包含选自以下的扩散硬化物质：碳、氮、氧、硼和它们的任意组合；和任选地，与所述第一部件接触的第二部件。
根据本发明的一些实施方式，所述第一生物相容性金属和所述第二生物相容性金属中的至少一种是工业纯。
根据本发明的一些实施方式，所述第一生物相容性金属选自钛、锆、钽和铌。
根据本发明的一些实施方式，所述第二生物相容性金属选自钛、锆、钽和铌。
根据本发明的一些实施方式，所述表面合金化/硬化区包含陶瓷。
根据本发明的一些实施方式，所述表面合金化区的厚度为约5至约100微米。
根据本发明的一些实施方式，所述表面合金化区的厚度为约20至约100微米。
根据本发明的一些实施方式，所述表面合金化区的厚度为约50至约100微米。
根据本发明的一些实施方式，所述第一生物相容性金属和所述第二生物相容性金属中的至少一种是合金。
根据本发明的一些实施方式，所述合金选自锆、钴、铬、钛、铌、铝、钒、钽和它们的组合。
根据本发明的一些方面，可以提供形成医用植入物的方法，其包括：提供包含第一生物相容性金属的基材；将第二生物相容性金属扩散到所述第一生物相容性金属中，以在至少一部分所述基材上形成表面合金化区；以及用扩散硬化物质对至少一部分所述表面合金化区进行扩散硬化，以在至少一部分所述表面合金化区内形成表面合金化/硬化区，所述扩散硬化物质选自碳、氮、氧、硼和它们的任意组合。
根据本发明的一些实施方式，所述第一生物相容性金属是合金。
根据本发明的一些实施方式，在小于10-4托的真空中并在600℃至1200℃的温度范围内进行将第二生物相容性金属扩散的步骤。
根据本发明的一些实施方式，在气体的存在下进行扩散硬化步骤，所述气体选自氧、氮和碳。
根据本发明的一些实施方式，所述方法还包括除去一部分所述第二生物相容性金属的步骤，所述除去步骤选自研磨、抛光(tumbling)、玻璃珠磨(glass-beading)、喷丸处理、喷砂、磨光(polishing)、砂磨和通过使用磨料浆(abrasive slurry)。
根据本发明的一些实施方式，在惰性气氛中进行将第二生物相容性金属扩散的步骤。
根据本发明的一些实施方式，所述惰性气体选自氩、氦、氮和它们的任意组合。
根据本发明的一些实施方式，所述将第二生物相容性金属扩散的步骤包括将集中的(focused)能源应用到所述基材。根据本发明的一些实施方式，所述集中的能源包括激光。根据本发明的一些实施方式，所述集中的能源包括感应加热源。
根据本发明的一些方面，可以提供医用植入物，其包含：第一协作(cooperating)部件和第二协作部件，其中所述第一协作部件、所述第二协作部件或两者包含：在至少一部分所述基材上的表面合金化区，所述表面合金化区包含：表面合金化/非硬化区，其包含在至少一部分所述基材上的第二生物相容性金属；表面合金化/硬化区，其包含选自以下的扩散硬化物质：碳、氮、氧、硼和它们的任意组合。
根据本发明的一些方面，可以提供医用植入物，其包含：形成基材的第一生物相容性金属；第二生物相容性金属，其扩散到所述第一生物相容性金属中，以形成生物相容性合金表面，(b)中形成的合金表面还包含扩散硬化物质，其中所述扩散硬化物质选自碳、氮、氧、硼和它们的任意组合。
根据本发明的一些实施方式，所述第一生物相容性金属和所述第二生物相容性金属中的至少一种是工业纯。
根据本发明的一些实施方式，所述第一生物相容性金属选自钛、锆、钽和铌。
根据本发明的一些实施方式，所述第二生物相容性金属选自钛、锆、钽和铌。
根据本发明的一些实施方式，所述扩散硬化合金表面是陶瓷。
根据本发明的一些实施方式，所述合金表面的厚度为约5至约100微米。
根据本发明的一些实施方式，所述合金表面的厚度为约20至约100微米。
根据本发明的一些实施方式，所述合金表面的厚度为约50至约100微米。
根据本发明的一些实施方式，所述第一生物相容性金属和所述第二生物相容性金属中的至少一种是合金。
根据本发明的一些实施方式，所述合金选自锆、钴、铬、钛、铌、铝、钒、钽和它们的组合。
根据本发明的一些方面，可以提供医用植入物，其包含：第一部分，其包含由第一生物相容性金属制备的金属基材；和扩散硬化第二部分，其包含包含至少所述第一生物相容性金属和第二生物相容性金属的合金层。
根据本发明的一些实施方式，所述第一生物相容性金属和所述第二生物相容性金属中的至少一种是合金。
根据本发明的一些方面，可以提供形成医用植入物的方法，其包括：提供形成基材的第一生物相容性金属；提供第二生物相容性金属；将所述第二生物相容性金属扩散到所述第一生物相容性金属中，以形成合金层；从所述合金层中除去过量的第二金属材料；和使所述合金层扩散硬化。
根据本发明的一些实施方式，所述第一生物相容性金属和所述第二生物相容性金属中的至少一种是合金。
根据本发明的一些实施方式，在气体的存在下进行将所述合金层的扩散硬化的步骤，所述气体选自氧、氮和碳。
根据本发明的一些实施方式，从基材中除去过量第二材料以暴露合金层的步骤包括选自研磨、抛光、玻璃珠磨、喷丸处理、喷砂、磨光、砂磨和通过使用磨料浆的步骤。
根据本发明的一些实施方式，将合金层扩散硬化的步骤包括使用扩散硬化物质的扩散硬化步骤，其中所述扩散硬化物质选自碳、氮、氧、硼和它们的任意组合。
根据本发明的一些实施方式，在小于10-4托的真空中进行将第二生物相容性金属扩散到第一生物相容性金属中以形成合金层的步骤。
根据本发明的一些实施方式，在600℃至1200℃的温度范围内进行扩散第二生物相容性金属的步骤。
根据本发明的一些实施方式，第二生物相容性金属是粉末形式的。根据本发明的一些实施方式，每个粉末颗粒的厚度为约500微米至约2000微米。
根据本发明的一些实施方式，在惰性气体中进行将第二生物相容性金属扩散到第一生物相容性金属中以形成合金层的步骤。
根据本发明的一些实施方式，所述惰性气体选自氩、氦、氮和它们的任意组合。
根据本发明的一些方面，可以提供形成医用植入物的方法，其包括：提供形成基材的第一生物相容性金属；提供第二生物相容性金属；用集中的能量处理第二生物相容性金属和第一生物相容性金属，以形成合金层；从所述基材中除去过量的第二金属材料，以暴露所述合金层；以及使所述合金层扩散硬化。
根据本发明的一些实施方式，用集中的能量处理第二生物相容性金属和第一生物相容性金属以形成合金层的步骤包括使用激光。
根据本发明的一些实施方式，用集中的能量处理第二生物相容性金属和第一生物相容性金属以形成合金层的步骤包括使用感应加热。
根据本发明的一些方面，可以提供医用植入物，其包含：第一协作部件和第二协作部件，其中所述第一协作部件、所述第二协作部件或两者包含：第一生物相容性金属形成的基材；以及第二生物相容性金属，其扩散到所述第一金属中以形成合金表面，所述合金表面还包含扩散硬化物质，其中所述扩散硬化物质选自碳、氮、氧、硼和它们的任意组合。
根据本发明的一些实施方式，所述第一生物相容性金属和所述第二生物相容性金属中的至少一种是合金。
根据本发明的一些实施方式，所述扩散硬化合金表面是陶瓷。
根据本发明的一些实施方式，所述第一和第二协作部件形成选自以下的医疗设备：髋植入物、膝植入物、脊柱植入物和肩植入物。
在一种实施方式中，使用常规扩散处理，在高温下用锆对CoCr合金的表面进行扩散。然后，氧化该合金，以在所述CoCr合金的表面上形成与氧化钴和氧化铬混合的氧化锆。
在另一种实施方式中，使用常规扩散处理，在高温下用锆对Ti-6Al-4V合金的表面进行扩散。然后，氧化该合金，以形成混合的钛氧化物、锆氧化物、铝氧化物以及可能的钒氧化物。
在另一种实施方式中，将钛扩散在锆合金中。然后，氧化整个样品。钛在锆基材中的扩散导致在所述表面上形成与其以其它方式在非合金化锆表面上形成的氧化物相比厚的多的氧化物。然后可以用真空处理对处理过的合金进行进一步扩散硬化，以提高硬化深度。
在另一种实施方式中，将铬扩散到钴铬基材中，然后将该表面氮化以形成氮化铬，或将该表面氧化以形成氧化铬。
从下文提供的详细说明中，本发明适用性的其它方面将变得显而易见。应理解，尽管详细说明和具体实施例表明了本发明的特定实施方式，但是它们用于说明目的而不意欲限制本发明的范围。
附图简述
附图说明了本发明的实施方式并连同书面说明用于解释本发明的原理、特性和特征，所述附图并入本说明书中并构成本说明书的一部分。在附图中：
图1是氧化的锆样品的示意图。
图2说明了氧化的锆样品的硬度分布(profile)。
图3说明了与钛熔合(alloyed with titanium)的Zr-2.5Nb合金表面样品中钛扩散的深度。
图4是与钛熔合，随后氧化的Zr-2.5Nb样品表面的金相图像。
图5是与锆熔合(alloyed with zirconium)，随后氧化的钴铬表面的示意图。
图6是与钛熔合，随后氧化的锆合金表面的示意图。
图7是髋植入物的示意图。
实施方式的详细说明
以下对所描述的一种或多种实施方式的说明在本质上仅为示例性的，并且绝不意欲限制本发明、其应用或用途。
如本文所使用的，“一个”或“一种”表示一个/种或多个/种。除非另外指明，否则单数包含复数，复数包含单数。
如本文所使用的，术语“合金”表示金属固溶体。术语“表面合金”定义为其中一种或多种合金化(alloying)物质存在于表面和近表面区域的浓度比存在于整体(bulk)基材中的浓度高的合金。照此，表面和近表面区域包含一种或多种“表面合金物质”。因此，Zr-2.5Nb的整体样品为遍布2.5％铌的锆合金。如果随后将该相同样品与钛表面熔合(surface alloyed withtitanium)，以使钛存在于表面或近表面区域的浓度比存在于基材中的浓度高，则该样品是“合金”并具有“表面合金”。
如本文所使用的，“锆合金”是广义定义的，并且包括具有至少5％(w/w)锆的合金。所述合金可以是锆、钛、铪和铌的合金。所述合金可以是多晶的或无定形的或单晶的或它们的组合。
“表面合金化区”定义为包含一种或多种表面合金化金属物质的表面和近表面区域。在一些实施方式中，表面合金化区区域可以是基材厚度的约1％至约5％，更特别为基材厚度的约1％至约2％。在一些实施方式中，表面合金化区的厚度可以为约10微米至约2000微米。例如，如果基材为10毫米厚，那么表面合金化区可以厚达2毫米。在一种具体实施方式中，表面合金化区的厚度可以为约10微米至约100微米。
“扩散硬化区”定义为包含一种或多种扩散硬化物质的表面合金化区。扩散硬化物质的实例包括碳、氧、氮、硼或它们的任意组合。扩散硬化区的硬度比基材的硬度大至少1.1倍。当组合物与一种或多种合金化物质表面熔合，并用一种或多种扩散硬化物质扩散硬化时，将包含扩散硬化物质和表面合金化金属两者的区域定义为“表面合金化/硬化区”。在本发明的许多实施方式中，进行扩散硬化，以使任何扩散硬化物质延伸到基材中的深度不如表面合金化物质深。将仅包含表面合金化物质但不包含扩散硬化物质的深度处的区域定义为“表面合金化/非硬化区”。在此类情况下，表面合金化区既包含表面合金化/硬化区又包含表面合金/非硬化区。
如本文所使用的，“陶瓷”定义为金属(或合金中的金属成分)和一种或多种非金属的化合物，所述非金属包括碳、氧、氮、硼和它们的组合。尽管本发明的陶瓷的优选实施方式是氧化物，但是本发明的陶瓷包括氧化物、碳化物、氮化物、硼化物和它们的任意组合。如本文所使用的，“陶瓷层”定义为由陶瓷组成的一层材料，其形成更大材料的一部分。如本文所使用的，术语“陶瓷涂层”是指存在于合金或金属基材上的表面转化层、表面膜、表面氧化物、氮化物、碳化物、硼化物(或它们的组合)。
如本文所使用的，“生物相容性金属或生物相容性合金”定义为目前在矫形外科行业中使用的单独金属或金属组合物(合金)。生物相容性金属的实例为任何其它金属含量小于1wt％的纯钛或纯锆。生物相容性合金的实例包括钴-铬-钼、钛-铝-钒、镍-钛和锆-铌。本发明中提及的其它生物相容性合金为从锆或钛或钽或铌或铪或它们的组合所制备的合金。
在本发明的一种实施方式中，通过包括以下步骤的方法制备包含植入物的组合物：提供形成基材的第一金属，将第二金属扩散到该金属基材中，从第一金属中除去过量的涂覆材料以提供所述基材的合金化表面，使所述合金化表面硬化。作为实例，所述第一金属可以由钴铬、钛、钛合金、不锈钢、锆或锆合金制备。作为实例，所述第二金属可以由锆、钴、铬、钛、铌、铝、钒或它们的组合制备。作为实例，可以通过研磨、抛光、玻璃珠磨、喷丸处理、喷砂、磨光、砂磨和通过使用磨料浆来除去过量涂覆材料。硬化步骤可以包括在氧、碳、氮、硼或它们的任意组合的气氛中处理所述表面。
在本发明的一种具体实施方式中，诸如Zr-2.5Nb之类的生物相容性合金基材具有以包含锆和钛的陶瓷层为特征的表面。陶瓷层的厚度通常为约1微米至约100微米。
在一种具体方法中，将工业纯钛粉涂抹在或放置在Zr-2.5Nb合金样品的表面上。然后将该样品和钛粉在真空(其例如可以为小于约10-4托)中加热至约800℃，保持约10小时。处理后，将样品冷却至室温并除去过量的钛表面粉末。这样在基材上产生表面合金，这在图3中的金相图像中得到说明。图3中所描述的实施方式通过横截面图说明具有基材210和表面合金化区220的组合物。应注意，基于金相图像，在基材210和表面合金化区220之间看上去有明显的边界。然而，本领域普通技术人员将理解，该明显的边界并不存在。钛浓度从表面合金化区220到基材210逐渐变化，尽管这在金相图上不可见。
之后，可以使具有所述合金表面的样品硬化。例如，可以使所述合金表面扩散硬化，例如通过在约600℃下氧化约1小时15分钟。本领域普通技术人员将理解，可以等同地使用氮化、渗碳或其它类似处理。通过图4中的金相图像说明氧化后的合金表面。图4中所描述的实施方式通过横截面图说明具有基材210、表面合金化/非硬化区220和表面合金/硬化区230的组合物。在所描述的实施方式中，表面合金化/硬化区230为氧化层。在图4所描述的实施方式中，氧化处理在所述表面上提供约25微米厚的氧化物。由于钛向扩散进入基材提供了形成与可以其它方式在不具有此类Ti合金化区域的Zr-2.5Nb基材上实现的氧化物相比更厚氧化物的表面，因此这是有意义的。对于非合金化表面，所述氧化物的厚度通常为约5至6微米厚。
图5说明了本发明的另一种实施方式。图5所描述的实施方式为具有基材310和表面合金化区314的结构300。在图5中，氧化物、氮化物、碳化物或其任意组合的混合物覆盖生物相容性合金基材(如CoCr)。可以通过将锆、钛、钴和铬中的一种或多种扩散到基材中来形成所述混合物。混合氧化物的厚度通常为约1微米至约100微米。作为第一实施方式的实例，使用常规扩散处理用锆在高温下对CoCr合金的表面进行扩散。然后，氧化该合金，以在所述CoCr合金的表面上形成与氧化钴和氧化铬混合的氧化锆。
在另一种实施方式中，使用常规扩散处理用锆在高温下对Ti-6Al-4V合金的表面进行扩散。然后，氧化该合金，以形成钛、锆、铝以及可能的钒的混合氧化物。
图6说明了本发明的另一种实施方式。图6所描述的实施方式为具有基材410和表面合金化区414的结构400。在图6中，氧化物、氮化物、碳化物或其任意组合的混合物覆盖锆合金基材。例如，可以通过将钛扩散到锆基材中来形成所述混合物。混合氧化物的厚度通常为约1微米至约100微米。然后氧化整个样品。钛在锆基材中的扩散导致在所述表面上形成与其以其它方式在非合金化锆表面上形成的氧化物相比厚得多的氧化物。然后，可以用真空处理将处理过的合金进一步扩散硬化，以提高硬化深度。
在本发明的另一种实施方式中，将铬扩散到钴铬基材中，然后氮化所述表面以形成氮化铬，或氧化所述表面以形成氧化铬。
在本发明的一些实施方式中，可以对合金表面进行原位(如在合金化处理期间)氧化或氮化或渗碳。在本发明的一些实施方式中，医用植入物可以包括未被氧化、氮化或渗碳的合金化表面。
应注意，本文所述的扩散处理是形成合金表面的非穷举、说明性实例。可以使用其它技术来产生此类合金化表面，所述其它技术例如使用激光或任何其它集中的能源(如感应加热)来加热或部分熔融所述表面，然后同时使用金属粉末喷射来使所述表面合金化。此类实施方式在本发明的范围内。
在一些实施方式中，在扩散硬化处理期间可以使用惰性气体或惰性气体混合物以代替在真空中实施该处理。惰性气体可以包括但不限于氮、氩、氦、氪和氖。
该新颖组合物在各种医用植入物中应用。此类制品的用途之一是髋植入物。图7说明了髋假体510。该髋假体510包括柄(stem)512、股骨头514、衬里516和外壳518。通过手术将股骨头514连接于柄512，将衬里516与外壳518结合。使柄512适合安装在股骨(未示出)上，并且使外壳518适合安装到髋臼(未示出)中。股骨头514与衬里516铰接。在该具体情况下，股骨头514和衬里516两者均可以由本文所述的组合物制备。
在本发明的一些实施方式中，铰接部件中仅有一种从所述组合物制备，而另一铰接部件从生物相容性材料制备。
本发明的组合物适用于任何医用植入物和所有医用植入物，但是特别适用于铰接医用植入物，例如但不限于髋、膝、肩和肘矫形外科植入物。脊椎植入物也适用于本发明。还发现本发明适用于任何和所有非铰接医用植入物。
鉴于前述内容，将看出，实现并达到了本发明的几种优势。
选择并说明了这些实施方式，以便最好解释本发明的原则及其实际应用，从而使本领域其它技术人员能够以各种实施方式和适合于具体使用考虑的各种修改来最好地利用本发明。
由于在不背离本发明范围的情况下，可以对本文所述或所说明的构造和方法做出各种修改，因此意欲将前述说明中包含的或附图中示出的所有内容解释为说明性的而非限制性的。例如，尽管图3说明了从Zr-2.5Nb合金制备的基材，但是可以等同地使用其它基材材料。因此，本发明的宽度和范围不应受到任何上述示例性实施方式的限制，但是应仅根据所附权利要求以及它们的等价内容进行定义。

Claims (10)

1.医用植入物，其包含：
a、第一部件，所述第一部件包含基材，所述基材包含第一生物相容性金属；
b、在至少一部分所述基材上的表面合金化区，所述表面合金化区包含：i、表面合金化/非硬化区，其包含在至少一部分所述基材上的第二生物相容性金属；
ii、表面合金化/硬化区，其包含选自以下的扩散硬化物质：碳、氮、氧、硼和它们的任意组合；和
c、任选地，与所述第一部件接触的第二部件。
2.权利要求1所述的医用植入物，其中所述第一生物相容性金属和所述第二生物相容性金属中的至少一种是工业纯。
3.权利要求1或2所述的医用植入物，其中所述第一生物相容性金属选自钛、锆、钽和铌。
4.权利要求1-3中任一项所述的医用植入物，其中所述第二生物相容性金属选自钛、锆、钽和铌。
5.权利要求1-4中任一项所述的医用植入物，其中所述表面合金/硬化区包含陶瓷。
6.权利要求1-5中任一项所述的医用植入物，其中所述表面合金化区的厚度为约5至约100微米。
7.权利要求1-5中任一项所述的医用植入物，其中所述表面合金化区的厚度为约20至约100微米。
8.权利要求1-5中任一项所述的医用植入物，其中所述表面合金化区的厚度为约50至约100微米。
9.权利要求1-8中任一项所述的医用植入物，其中所述第一生物相容性金属和所述第二生物相容性金属中的至少一种是合金。
10.权利要求9所述的医用植入物，其中所述合金选自锆、钴、铬、钛、铌、铝、钒、钽和它们的组合。
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