CN102534541A - 涂覆有陶瓷的整形外科植入物以及制备此类植入物的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种带有金属基底上耐刮擦、耐磨损和耐腐蚀陶瓷涂层的整形外科植入物，以及制备此类涂层的方法。所述金属基底有利地在用所述陶瓷涂覆前经过热等静压处理和均化处理，并且所述经过热等静压处理和均化处理的金属基底优选在用所述陶瓷涂覆前进行磨削和抛光。所述陶瓷涂层可包括具有多个氮化钛、碳氮化钛、或氮化钛与碳氮化钛的薄交替层的带区，并且可包括氧化铝保护层。本发明的涂层可以减小带涂层基底上的表面裂纹或划痕可能产生的微裂纹的生长，从而提供改善的耐磨特性、抗刮擦性，并且防止腐蚀性流体渗透到所述基底材料上。

Description

涂覆有陶瓷的整形外科植入物以及制备此类植入物的方法
相关专利申请的交叉引用
本专利申请是以下专利申请的部分继续申请：于2010年5月18日提交的标题为“Multilayer Coatings”(多层涂层)的美国专利申请No.12/782315；以及Jason B.Langhorn于2009年10月26日提交的标题为“Multilayer Coatings”(多层涂层)的美国专利申请No.12/605756(美国专利公开No.2010/012926A1)，后者要求于2008年11月24日提交的美国临时申请No.61/117468的优先权。
技术领域
本发明涉及但不限于用于金属基底的耐磨损、耐刮擦和耐腐蚀涂层，例如用于制备医疗植入物的那些。
背景技术
金属整形外科植入物安装后容易因就地发生的刮擦、磨损或其他破坏性或腐蚀性过程而退化。损坏的植入物可能会表现出降低的性能，并且在一些情况下必须进行修理或更换，而修理或更换所需的外科手术既复杂又往往会造成身体创伤，可能会延缓患者的康复进程。此外，由于人口统计学趋势，例如假体植入者的预期寿命的延长，以及年轻受试者对于整形外科手术介入的需求(例如，归因于运动创伤、体重过大产生关节应力或缺乏健康维护)，更耐用的整形外科植入物越来越受关注。
具有金属基底(包括如钢、钴、钛及其合金这样的材料)的植入物也容易遭受破坏或机械辅助性腐蚀，进而会导致结构完整性丧失、受到刮擦或磨损、磨损率升高以及植入物性能降低。
用于改善金属整形外科植入物的耐刮擦性和耐磨性的传统方法已经包括了表面处理，例如离子植入、气体氮化、高温氧化和涂覆技术(参见例如2007年4月5日公布的美国专利公开No.2007/0078521)。然而，某些局限性(例如不能提供最佳水平的峰值硬度、涂层与下层基底粘结性差以及经济可行性)会降低某些这类传统方法的实用性。
发明内容
本发明涉及以下发现：可通过在涂覆基底之前控制用于制备金属基底的工艺参数，来改善在金属整形外科植入物组件上形成的陶瓷涂层的耐刮擦性、耐腐蚀性和耐磨性以及附着性。本发明还涉及以下发现：可通过使用包含多个“薄”陶瓷层的涂层而非包含数量较少而厚度较高的层的涂层，来改善在金属整形外科植入物组件上形成的陶瓷涂层的耐刮擦性、耐腐蚀性和耐磨性以及附着性。此外，本发明还涉及以下发现：涂覆有陶瓷的整形外科植入物组件的外关节表面的最佳组成可有利地随支承该外关节表面的支承件所用的材料而变化。虽然这些发现可以共同用于改善涂覆有陶瓷的金属整形外科植入物组件，但是每项发现以及每项发现的各个方面也可独立使用，如“具体实施方式”中所述。
在一个方面，本发明提供一种制备整形外科植入物组件的方法，该方法包括下列步骤：获得经过热等静压处理和均化处理的金属整形外科植入物组件，并通过在所述经过热等静压处理和均化处理的金属基底上沉积陶瓷涂层的第一带区，以及在陶瓷涂层的所述第一带区上沉积陶瓷涂层的第二带区，而在经过热等静压处理和均化处理的组件上沉积陶瓷涂层。
在一个可供选择的实施例中，获得经过热等静压处理和均化处理的金属整形外科植入物组件的步骤包括获得具有下述表面的金属整形外科植入物组件，该表面经过了热等静压处理、均化处理并且已从金属整形外科植入物组件的至少一部分移除了该表面的1/2至1mm的经过热等静压处理和均化处理的金属。在更具体的实施例中，通过下列材料移除工艺的至少一种来移除经过热等静压处理和均化处理的金属：磨削、机械加工和抛光。
在任何上述可供选择的实施例中，沉积陶瓷涂层的第一带区的步骤可包括用化学气相沉积法沉积氮化钛、碳氮化钛或氮化钛与碳氮化钛的层。
在任何上述实施例中，沉积第二带区的步骤可包括沉积氮化钛、碳氮化钛或氮化钛与碳氮化钛的至少一层。
在任何上述实施例中，该方法还可包括在第二带区上沉积陶瓷涂层的外部带区，其中外部带区限定整形外科植入物组件的外关节表面。在一个具体实施例中，外部带区包含氧化铝；可在第二带区和外部带区的氧化铝之间沉积附加的粘结带区。作为另外一种选择，外部带区可包含氮化钛、碳氮化钛或氮化钛与碳氮化钛的层。
在任何上述实施例中，沉积第二带区的步骤可包括用化学气相沉积法沉积多个层，每一层包含氮化钛、碳氮化钛或氮化钛与碳氮化钛。在此实施例中，第一带区的层厚可大于第二带区中每一层的厚度。在此实施例中，可在第二带区中沉积2至100个层、2至50个层、5至50个层或约30至50个层，而每一层包含氮化钛、碳氮化钛或氮化钛与碳氮化钛。
在另一方面，本发明提供整形外科植入物套件，该套件包括具有外关节表面的第一组件以及具有外支承表面的第二组件，该外支承表面的大小和形状可接合第一组件的关节表面。第一整形外科植入物组件包括基本上不含枝晶间碳化物的金属基底表面以及金属基底上的陶瓷涂层。该陶瓷涂层限定第一组件的外关节表面。该陶瓷涂层的总厚度为约3微米至20微米，并包含选自碳化钛、氮化钛、碳氮化钛以及氮化钛与碳氮化钛的材料。
在一个具体实施例中，第二组件的外支承表面由选自金属和陶瓷的材料限定，并且第一组件的陶瓷涂层具有外表面，该外表面包含选自碳化钛、氮化钛、碳氮化钛以及氮化钛与碳氮化钛的材料。
在另一个具体实施例中，陶瓷涂层包括第一带区和第二带区。第一带区包含覆盖基底表面的氮化钛、碳氮化钛、或氮化钛与碳氮化钛。第二带区包含覆盖第一带区的多个氮化钛、碳氮化钛、或氮化钛与碳氮化钛的层。第一带区的厚度大于第二带区中每一层的厚度。陶瓷涂层可包括第三带区。第三带区的厚度可大于第二带区中每一层的厚度。在一个更具体的实施例中，第三带区包含覆盖第二带区的氮化钛、碳氮化钛、或氮化钛与碳氮化钛，其中第三带区的厚度大于第二带区中每一层的厚度。更具体地讲，第三带区可包含厚度在约2至15微米之间的单层。
作为另外一种选择，在另一个具体实施例中，陶瓷涂层的第三带区包含覆盖第二带区的氧化铝，并且其中第三带区的厚度大于第二带区中每一层的厚度。第三带区可包含厚度在约2至15微米之间的单层。
在具体实施例中，第二带区包括约2至50个陶瓷层，每一层包含氮化钛、碳氮化钛、或氮化钛与碳氮化钛。第二带区可包括约5至50个陶瓷层，每一层包含氮化钛、碳氮化钛、或氮化钛与碳氮化钛。第二带区可包括约30至50个陶瓷层，每一层包含氮化钛、碳氮化钛、或氮化钛与碳氮化钛。
在具体实施例中，第二带区包括多个陶瓷层，每一层的厚度均小于约0.5微米。第二带区中每一层的厚度均可小于约0.2微米。
在具体实施例中，第一带区的厚度为约2至3微米。第一带区的厚度可为约2.5微米。
在具体实施例中，陶瓷涂层的总厚度为14至15微米。在此实施例中，第一带区包括含有氮化钛、碳氮化钛、或氮化钛与碳氮化钛的陶瓷单层，该单层的厚度为约2至3微米。第二带区包括约30至50个陶瓷层，每一层包含氮化钛、碳氮化钛、或氮化钛与碳氮化钛，每一层的厚度均小于约0.2微米。在此实施例中，第三带区包含覆盖第二带区的氧化铝，该第三带区的厚度为约2至10微米。
在另一方面，本发明提供具有外关节表面的整形外科植入物组件。该整形外科植入物组件包括金属基底表面和该金属基底表面上的陶瓷涂层，该陶瓷涂层限定植入物组件的外关节表面。陶瓷涂层包括第一带区和第二带区。第一带区包含覆盖所述基底表面的氮化钛、碳氮化钛、或氮化钛与碳氮化钛。第二带区包括覆盖所述第一带区的多个氮化钛、碳氮化钛、或氮化钛与碳氮化钛层。陶瓷涂层包括在20N恒定负荷下由200微米半径金刚石压头产生的每毫米划痕长度上无Lc2破碎或屈曲破坏(buckling spallation)型裂纹事件所特有的声发射峰的部分。破碎和屈曲破坏Lc2事件以及声发射特性根据ASTMC1624-05定义。
在更具体的实施例中，根据ASTM C1624-05测定，陶瓷涂层包括在40N恒定负荷下由200微米半径金刚石压头产生的每毫米划痕长度上Lc2破碎或屈曲破坏所特有的声发射峰数量少于5个的部分。
在更具体的实施例中，根据ASTM C1624-05测定，陶瓷涂层包括在40N恒定负荷下由200微米半径金刚石压头产生的每毫米划痕长度上Lc2破碎或屈曲破坏所特有的声发射峰数量少于2个的部分。
在另一个更具体的实施例中，根据ASTM C1624-05测定，陶瓷涂层包括在25N恒定负荷下由200微米半径金刚石压头产生的每毫米划痕长度上无Lc2破碎或屈曲破坏所特有的声发射峰的部分。
在另一个更具体的实施例中，根据ASTM C 1624-05测定，陶瓷涂层包括在28N恒定负荷下由200微米半径金刚石压头产生的每毫米划痕长度上无Lc2破碎或屈曲破坏所特有的声发射峰的部分。
在另一个更具体的实施例中，根据ASTM C1624-05测定，陶瓷涂层包括在30N恒定负荷下由200微米半径金刚石压头产生的每毫米划痕长度上无Lc2破碎或屈曲破坏所特有的声发射峰的部分。
在任何上述实施例中，陶瓷涂层还可包括覆盖第二带区的外部带区，该外部带区限定植入物组件的关节连接表面。该外部带区可包含氧化铝，或作为另外一种选择，可包含碳化钛、氮化钛、碳氮化钛或氮化钛与碳氮化钛。
在任何上述实施例中，内部带区可包括氮化钛、碳氮化钛或氮化钛与碳氮化钛的层。内部带区或第一带区的层厚可大于第二带区中每一层的厚度。在具有外部带区的实施例中，外部带区的层厚可大于第二带区中每一层的厚度。
在任何上述实施例中，陶瓷涂层的厚度可为10至20微米。
在任何上述实施例中，第一带区的层的厚度可为约2至3微米，外部带区的层的厚度可为约5微米，以及第二带区的厚度可为约4至14微米。在具体实施例中，第二带区的厚度为约5微米。
附图说明
图1以图解方式示出了根据本发明一个方面制备的整形外科植入物组件的耐刮擦、耐磨损、耐腐蚀关节表面的横截面；
图2示出了膝关节植入物系统实例的组件，其中将本发明的原理应用到膝关节植入物系统的股骨组件的关节表面；
图3示出了髋关节植入物系统实例的组件，其中将本发明的原理应用到髋关节植入物系统的股骨头组件的关节表面；
图4示出了常规“双层”TiN/TiCNN/氧化铝涂层的透射电子显微镜(TEM)图；
图5示出了根据本发明制备的多层涂层的透射电子显微镜(TEM)图；
图6A-6E提供了表面的放大图，这些表面分别涂覆有本发明的涂层和常规涂层，并且经受了刮擦测试以便比较各涂层的机械性能；
图7提供了通过40N恒定负荷刮擦的(A)常规涂层和(B)本发明涂层的抛光横截面的SEM分析放大图(与刮擦方向垂直)；
图8A和8B提供了经过热等静压处理和均化处理的铸件Co-28Cr-6Mo的抛光横截面的金相分析的放大图；
图9A和9B提供了(A)经过热等静压处理和均化处理的铸件Co-28Cr-6Mo和(B)铸态Co-28Cr-6Mo上的抛光“双层”陶瓷涂层的放大(50X)显微图(为俯视平面图)，这些涂层经过了刮擦，其中在CSM
Figure BSA00000633946800071
划痕试验机上通过200微米半径的金刚石压头在腐蚀测试样品上产生了5组重复的5个平行金刚石压头划痕网，示出了中心间隔为0.25mm的划痕；每组5个平行划痕使用如图9A-9C中所示的6、9、12、15、和18N的划痕负荷产生；然后在与这些平行划痕网大于和等于15度的角度处，使用6、9、和12N的划痕负荷产生间隔为0.75mm的倾斜划痕；图9A-9C示出了铸态Co-28Cr-6Mo上的涂层中更多的缺陷；
图10显示了刮擦损坏的涂层结构(如图9A和9B所述进行刮擦)的动电位极化测试结果，示出了与铸态金属基底相比的经过热等静压处理和均化处理的金属基底上的多层CVD陶瓷涂层；
图11显示了刮擦损坏的涂层结构(如图9A和9B所述进行刮擦)的动电位极化测试结果，示出了与常规涂层相比的多层CVD陶瓷涂层；
图12显示了刮擦损坏的涂层结构(如图9A和9B所述进行刮擦)的动电位极化测试结果，示出了经过热等静压处理和均化处理的金属基底上的多层CVD陶瓷涂层；
图13A为在经过热等静压处理和均化处理的金属基底上的多层CVD陶瓷涂层中所见的典型Rockwell C压痕的图示；以及
图13B为在经过热等静压处理和均化处理的金属基底上的常规CVD陶瓷涂层中所见的典型Rockwell C压痕的图示。
具体实施方式
结合对构成本公开一部分的附图和实例的下列详细说明，可以更易于理解本发明。应当理解，本发明不限于本文所述和/或所示的具体产品、方法、条件或参数，并且本文所用术语仅用于以举例的方式描述具体实施例的目的，并非旨在限制受权利要求书保护的本发明。
在本公开中，除非上下文另行明确指出，否则单数“一个”和“所述”包含复数含义，对具体数值的引用至少包括该具体数值。因此，例如当提及“一种材料”时，是指一种或多种这类材料，以及本领域的技术人员已知的该材料的等价物，等等。当前面用“约”将值表示为近似值时，应当理解，该具体值形成了另一个实施例。如本文所用，“约X”(此处X为数值)优选地指所引用值±10％，包括端点值。例如，短语“约8”优选地指7.2至8.8之间的值，包括端点值；又如，短语“约8％”优选地指7.2％至8.8％之间的值，包括端点值。存在时，所有范围均包括端点值以及其中的组合。例如，当引用“1至5”的范围时，所引用范围应当理解为包括“1至4”、“1至3”、“1-2”、“1-2和4-5”、“1-3和5”等范围。此外，当以肯定方式提供了一列备选项时，该列备选项可以理解为表示可以排除备选项中的任何一个，例如通过在权利要求中加上否定的限制实现。例如，当引用范围“1至5”时，所引用范围可以理解为包括1、2、3、4或5中任何一个被以否定方式排除的情形；因此，对“1至5”的引用可以理解为“1和3-5，但不包括2”，或者简单地理解为“其中不包括2”。
在本公开中，化学式可用作完整化学名称的缩写。例如，“TiN”可用于代表氮化钛，“TiCN”可用于代表碳氮化钛，“TiC”可用于代表碳化钛以及Al2O3可用于代表氧化铝。应该指出的是，使用化学式无意暗示这些材料具有该精确的化学计量。在某些情况下，根据沉积条件等的不同，材料可能与名义化学计量存在偏差。此外，除非明确限于某一具体形式，否则氧化铝层可具有k氧化铝、α氧化铝、一种或多种其他晶体形式的氧化铝、或包括每种形式的层状结构的混合物(虽然如下文所述，α氧化铝是优选的)。
本文所引用或描述的每一项专利、专利申请和专利公开中的公开内容均在此全文以引用方式并入本文中。
本发明部分地涉及一种发现，即可通过以下方式改善或最大化带涂层金属植入物组件的耐刮擦性、耐磨性和耐腐蚀性：1)控制在涂覆之前制备金属基底所用的工艺；和/或2)使用在Al2O3(优选地为α形式)外层之下包含多个“薄”TiN、TiCN、或TiN与TiCN层的涂层。与使用多个薄TiN、TiCN、或TiN与TiCN层相关的改善在美国专利申请No.12/605756(美国专利公开No.2010/012926A1)中有所公开，其全文以引用方式并入本文，并且在本专利申请中也有公开。本专利申请提供与涂覆之前金属基底的优选制备方法相关的信息。此外，虽然在一些应用中可能有利的是在涂覆植入物上包括较厚的氧化铝外层，但在其他应用中期望针对较厚的外层使用不同的陶瓷材料，如非氧化物陶瓷钛材料。
如上文本发明的“背景技术”中所讨论，钢、钴、钛及其合金是整形外科植入物中的常用金属。钢、钴及其合金有望在本发明中用作金属基底。可用作金属基底的常规钴铬合金为Co-28Cr-6Mo。例如，Co-28Cr-6Mo可以铸造、锻制、锻造或注射成形。对于铸造的医疗装置，可以根据ASTM-F75铸造Co-28Cr-6Mo。这样的铸造合金可以用作陶瓷涂层的金属基底。如下文更详细地讨论，可有利地在涂覆基底之前通过热等静压(HIP)和均化来处理铸态Co-28Cr-6Mo，尤其当陶瓷涂层的外关节表面包含氧化铝时。还发现，在某些情况下，可能有利的是在涂覆基底之前磨削并抛光经过热等静压处理和均化处理的Co-28Cr-6Mo，如下文更详细地讨论。
虽然已使用Co-28Cr-6Mo完成了下文报告的工作，但是预计本发明的原理也将适用于其他钴铬合金和适于植入人体的其他金属，包括开发中的新材料。
铸态Co-28Cr-6Mo通常具有50至100微米直径的枝晶间(Co、Cr、Mo)碳化物，它作为精密铸造工艺的固有结果而存在。涂覆这样的铸态基底时，表面碳化物可能增加基底上陶瓷涂层中缺陷的发生率；例如，此类表面碳化物可增加包括一个或多个TiN和TiCN层以及氧化铝外层的涂层中缺陷的发生率。图9B示出了此类缺陷，其表现为陶瓷涂层中的黑点。TiN和TiCN层中的缺陷可降低施加到CoCrMo基底表面上的涂层的耐刮擦性和耐腐蚀性，并对抛光涂层表面的美观性产生不利影响。
人们还认为，对于一组给定的沉积参数，TiN/TiCN/Al2O3涂层的TiN和TiCN层在(Co、Cr、Mo)碳化物上比在CoCrMo基底的固溶体基质相上的成核和/或生长速率更快。在涂覆之后对Al2O3层进行抛光时，可在涂层的表面处暴露此类碳化物上方的TiN和TiCN层的部分。这样，抛光的陶瓷涂层的外表面可为非均匀的，并具有包含氧化铝的部分以及包含TiN、TiCN或TiN与TiCN混合物的相邻部分。这些TiN和TiCN缺陷在另外的褐色或黑色抛光涂层表面上显示为金色。在此类情况下，抛光陶瓷涂层的外表面由具有不同性质的材料限定，这可导致涂层具有亚最佳的耐刮擦性、耐腐蚀性和耐磨性。
为了降低CoCrMo基底表面上陶瓷涂层的氧化铝外层中TiN和TiCN缺陷的发生率，优选地对基底表面进行处理以在涂覆基底之前使枝晶间(Co、Cr、Mo)碳化物溶解到固溶体基质相中。根据本发明的一个方面，该基底表面处理包括热等静压(HIP)和均化的组合。经过热等静压处理和均化处理的基底表面比铸态表面更均匀，使得陶瓷涂层的层的形貌特征更均匀，峰更少，并因此使得外部陶瓷层的抛光表面中的缺陷更少。图9A示出了施加到这种表面上的涂层，相比图9B中示出的那些涂层，该涂层的缺陷更少。经过涂覆并处理的基底的耐腐蚀性和耐刮擦性得到改善，优于经涂覆的铸态基底的耐腐蚀性和耐刮擦性。
铸态基底的热等静压处理可以包括(例如)将组件置于高压密闭容器中，并用氩之类的惰性气体对容器加压。对腔室加热，以将压力施加到组件上。对于铸态Co-28Cr-6Mo基底，惰性气体预热的常用压力可在(例如)15,000psi和25,000之间。对于铸态Co-28Cr-6Mo基底，常用的温度范围在2165度和2200度之间。对于铸态Co-28Cr-6Mo基底，常用的工艺时间范围在4至41/2小时之间。
可用于处理铸态Co-28-8Mo基底的热等静压工艺参数的具体例子包括：在15,000psi的压力下加热至2200°F，并在该温度和压力下保持至少4小时的一段时间。
针对上述每项工艺使用热电偶，并在热电偶最冷以及压力最低时开始保持时间的计时。在上述每项工艺中，气氛都包含氩气。应当理解，上面确定的工艺参数仅仅作为例子提供；除非权利要求书中明确要求，否则受权利要求书保护的本发明不限于任何具体工艺参数。
经过热等静压处理的基底的均化可包括(例如)：在氩气分压为500至700微米的气氛中将经过热等静压处理的组件加热至2220°F保持至少四(4)个小时，然后在最长8分钟内从2220°F冷却至1400°F(也就是说，最低冷却速率为8分钟内从2220°F冷却至1400°F)。应当理解，如本文所用的“均化”包括例如表面退火的热处理工艺，该工艺导致CoCr产物为碳化物在其中精细分布的奥氏体，在晶界中无连续的块状碳化物，也不具有广泛分布的热致孔隙。还应当理解，如本文所用的“均化”包括诸如溶液处理或固溶化的工艺；一般来讲，“均化”包括在金属基底中将碳化物沉淀溶解到固溶体中的任何工艺。
应当理解，针对热等静压和后热等静压均化的上述工艺参数仅仅作为例子提供；除非在权利要求书中明确要求，否则本发明不限于任何具体的热等静压或均化参数。
虽然可在此时用陶瓷材料(包括多层陶瓷材料)涂覆经过热等静压处理和均化处理的金属基底，但是如果在进行热等静压处理和均化处理之前已对金属基底进行了机械加工，则本发明的发明人已经发现，当随后用TiN、TiCN、TiN与TiCN的组合以及Al2O3的层涂覆经过机械加工的热等静压处理和均化处理的Co-28Cr-6Mo金属基底时，涂层的一些层对金属基底的附着性可能达不到最佳。发明人发现，对于在热等静压和均化处理之前进行过粗磨和CNC(计算机数控)磨削的热等静压处理和均化处理的Co-28Cr-6Mo，其在金属基底的表面上存在再结晶的晶粒(此类晶粒在图8A和8B中示出)。此类再结晶的晶粒也可由涉及金属基底机械加工的其他工艺产生，例如进行喷丸处理以清洁铸态组件。如果在热等静压处理和均化处理之前对金属基底进行了机械加工，则在热等静压处理和均化处理之后优选地对金属基底机械加工或磨削，以移除再结晶晶粒。发明人发现，可通过在对金属基底进行热等静压处理和均化处理之后执行粗磨和CNC磨削步骤，来改善金属基底和表面涂层之间的粘结。
通常，如果通过磨削、机械加工、抛光或其他机械工艺移除经过热等静压处理和均化处理的基底外表面的约1/2至1mm厚，则再结晶晶粒应当已被移除，以将金属的母相留在基底表面上，从而提供更佳的表面以接纳陶瓷涂层并与陶瓷涂层粘结。可从基底的外表面移除该材料量的任何机械加工、磨削或抛光技术以及设备都应当能够满足该工艺的需要。优选地将磨削/机械加工过的表面抛光为镜面光滑饰面(例如，在涂覆之前使表面粗糙度Ra为0.03或0.04微米；参见ISO4287(1997))。
金属基底中存在再结晶晶粒似乎会降低金属基底上陶瓷涂层的生长速率。对于形成涂层的固定工艺时间，陶瓷涂层的至少初始层的厚度可能会因此减小，并可能导致与氧化铝外层的粘结减弱。因此，不移除经过热等静压处理和均化处理的金属基底外表面的一部分，而是期望通过调整形成陶瓷涂层初始层的工艺参数来降低再结晶晶粒的不利影响，诸如通过增加形成初始层的工艺时间。
以上热等静压处理工艺还可有利地闭合铸态金属基底的内部孔隙。
然后可使用陶瓷材料涂覆经过热等静压处理、均化处理以及磨削/机械加工/抛光处理的基底。陶瓷涂层和技术可产生双层涂层，如美国专利公开No.2007/0078521A1中所述。作为另外一种选择，然后可用多个薄的陶瓷层涂覆经过热等静压处理、均化处理以及磨削/机械加工/抛光处理的基底，如美国专利公开No.2010/0129626A1中所述。陶瓷涂层可以包括三个覆盖在金属基底1上的堆叠带区(在图1中以横截面图解方式示出)：第一带区或区域3，其包括在金属基底1上方形成的第一陶瓷层；第二带区或区域5，其包括在第一带区3上方形成的多个薄的陶瓷层7；以及顶部或外部带区或区域9，其包括较厚的陶瓷层。可在第二带区5和顶部或外部带区9之间提供包括粘结带区的第四带区或区域11；该粘结带区可包括陶瓷材料单层以改善中间带区5的最外层7与陶瓷涂层的顶部或外部带区9之间的粘结。可抛光最外带区的外表面以限定成品整形外科植入物组件的关节表面。
优选地，第一带区3或第一层包含TiN、TiCN、或TiN与TiCN，其沉积在经过热等静压处理、均化处理以及磨削/机械加工/抛光处理的金属基底1上方，接着是中间带区5，其包括多个薄的TiN、TiCN或TiN与TiCN层(如7a-7i)，这些层沉积在第一带区或层3上，接着是较厚的外部带区9，该带区包括沉积在中间带区5的最外层上的陶瓷材料单层。
限定第一3和中部5陶瓷带区的层可包含TiN、TiCN、或TiN与TiCN。如果第一带区/层3包含TiN、TiCN或TiN与TiCN之一，则中间带区5的初始层7a优选地包含TiN、TiCN或TiN与TiCN中的另一者。中间带区5的后续层7b(以及下列等等)可以包括第一带区/层3和中间带区5的层7a(以及下列等等)的一个或多个重复。如本文所用，是不同层的“重复”的层通常与该不同层具有相同的化学组成和/或相同的厚度。例如，如果第一带区/层3仅包含TiN，并且相邻层7a仅包含TiCN，则作为这些层3、7a的重复的两个后续层7b、7c将分别仅包含TiN和TiCN。后续层7b(以及下列等等)的全部补充层可以包括第一层3和第二层7a的一个或多个重复，或者仅仅后续层7b(以及下列等等)中的一些可以包括第一层3和第二层7a的一个或多个重复。在一个实施例中，第二层7a不同于第一层3，并且所有后续层7b(以及下列等等)都包括第一层3和第二层7a的重复；所得结构将因此包括在第一层3的材料与第二层7a的材料之间交替的层。在本实施例的优选版本中，第一层3为TiN，第二层7a为TiCN，后续层7b(以及下列等等)包括交替的TiN和TiCN层。在第一层3、第二层7a以及至少一个后续层7b(以及下列等等)中，优选的是这些层中的至少一个包含TiN，并且至少一个相邻层包含TiCN。中间带区5的顶部或最终层，即至少一个后续层中的最后一个，可以包含TiCN、TiN、或TiN与TiCN的混合物。
用于顶部或外部陶瓷带区或层9的材料可以随着预期的支承环境而变化。例如，如果期望植入物组件支承聚合物，如超高分子量聚乙烯，则顶部或外部陶瓷带区或层9可以优选地包含氧化铝。如果期望该组件支承不同的材料，例如另一种涂覆有陶瓷的金属基底或硬度更高的材料(如金属或另一种陶瓷)，并因此放在高接触应力应用中，则顶部或外部陶瓷带区或层9可以包含TiN、TiCN、或TiN与TiCN的混合物，而不是氧化铝。
应当理解，预期其他陶瓷材料也可用于本发明。例如，预期可将碳化钛TiC用作陶瓷涂层的一部分。因此，除非在权利要求书中明确要求，否则本发明不限于任何具体陶瓷材料。
第一带区或层3的厚度可以小于约10微米、小于约8微米、小于约6微米、小于约5微米、2至3微米或约2.5微米。优选地，第一带区或层3的厚度为约2至3微米，并且最优选地为约2.5微米。一般来讲，第一陶瓷带区3包括陶瓷层，该陶瓷层比第二陶瓷带区5中的各个陶瓷层7都厚。
中部陶瓷带区5可以包括沉积在第一陶瓷带区或层3上方的多个薄的陶瓷层7。中部陶瓷带区5的初始层7a的厚度可以小于约1微米、小于约0.75微米、小于约0.5微米、小于约0.3微米、小于约0.2微米、或小于约0.1微米。在一些实施例中，第二带区5的初始层7a的厚度可以为约0.1微米、约0.2微米、约0.3微米、约0.5微米、约0.7微米、约0.8微米、约0.9微米、约1微米、约2微米、约3微米、约4微米和约5微米。中间带区5的初始层7a的厚度优选地小于第一带区/层3的厚度。中部陶瓷带区优选地包括多个薄的陶瓷层，并且可以包括(例如)2至100个薄的陶瓷层、2至50个薄的陶瓷层、5至50个陶瓷层、10至50个陶瓷层、20至50个陶瓷层、或30至50个陶瓷层。如下所示，可以通过中间带区5中的约30个陶瓷层以及约50个陶瓷层来实现改善的耐刮擦性。
作为另外一种选择，第二带区5可以包括沉积在第一陶瓷带区或层3上方的陶瓷单层。例如，虽然据信当第二带区包括多个更薄的陶瓷层时会达到最佳的结果，但是第二带区5可以包括厚度为约2.5微米的TiN、TiCN或TiN与TiCN混合物的单层。
顶部或外部陶瓷带区9优选地包括更厚的陶瓷材料单层。顶部或外部陶瓷带区可以例如为氧化铝，其厚度为约2微米至15微米，例如，约3微米至15微米、约4微米至约15微米、约5微米至15微米。在具体实施例中，顶部或外部陶瓷带区9的厚度为约4至7微米。顶部或外部陶瓷带区可以包含例如氧化铝、TiN、TiCN或TiN与TiCN，并且其厚度为约1微米、约2微米、约3微米、约4微米、约5微米、约6微米、约7微米、约8微米、约9微米、约10微米、约12微米、约15微米、约17微米或约20微米。在一些实施例中，顶部或外部陶瓷带区是限定陶瓷涂层的所有层中最厚的。最外层的厚度可以通过本领域内的技术人员易于理解的各种考虑因素决定，如生产成本、植入物类型、使用环境、层附着性、固有的层耐久性、沉积态最外层的粗糙度以及是否需要对涂层进行抛光等等。
优选地，整个陶瓷涂层13(包括第一带区3、第二带区5和第三带区9以及任何粘结带区11)的厚度在约8.5微米和20微米之间，更具体地讲，在约8.5微米和约15至16微米之间。已经发现的是，如果陶瓷涂层太厚，则涂层可能会发生机械失效。
在下表中示出了陶瓷涂层厚度的例子：
Figure BSA00000633946800161
应当理解，虽然上述厚度有望得到有利的结果，但是除非在权利要求书中明确要求，否则本发明不限于带区或层的任何具体厚度、数量，或者具体带区或层的厚度。如本文所用，给定层或整个陶瓷涂层的“厚度”是指该层或涂层在其整个面积上的平均厚度；因此，如果层的“厚度”为约1微米，则可能该层的某些部分的厚度小于1微米，和/或该层的某些部分的厚度大于1微米，但该层在其整个面积上的平均厚度可以计算为约1微米。
与化学气相沉积(CVD)工艺结合使用以在金属基底上形成陶瓷的带区和层时，本发明的金属基底制备工艺可能最有利。可以预料的是，一旦提供限定涂层的层的所需数量、组成和厚度，涂覆领域内的那些公司(如Ionbond AG Olten(Olten，Switzerland)、Seco Tools AB(Fagerstra，Sweden)以及Sandvik AB(Sandvik，Sweden))将能容易地设定CVD工艺的参数(例如温度、压力、反应浓度以及加热和冷却速率)，以根据需要沉积这些层。
然而，应当理解，除非在权利要求书中明确要求，否则本发明不限于沉积带区或层的CVD工艺。可使用各种技术(如物理气相沉积、化学气相沉积以及热喷涂沉积，例如等离子喷涂)形成陶瓷涂层的带区和层，但使用等离子喷涂可能难以形成一些更薄的层。本发明的任何层的沉积可以根据任何可接受的技术进行，这些技术能提供具有本文所述特性(如厚度分布)的层。虽然各带区和层可以用同一种技术沉积，但是预期可使用不同的技术来沉积不同带区和层；例如，较厚的层可以用适合沉积“厚”层的技术来沉积，而较薄的层则可以用可实现较薄层沉积的技术来沉积。本发明的金属基底制备工艺的优点可能随着沉积陶瓷涂层所用的技术(尤其是对于沉积与基底相邻的初始带区3所用的技术)而稍微有所变化。
本发明的工艺或方法也可包括在沉积包含氧化铝的至少一层(如图1中的层9)之前，在至少一个后续层上方沉积粘结带区或层(图1中的带区11)。换句话讲，粘结层11可以沉积在中间带区5的最后/最外层(如图1中的7i)的上方。该粘结层也称为氧化铝粘结层、氧化物粘结层或者k或α成核层，并且此前已有描述说明该粘结层可用于增加氧化铝层和相邻材料之间的粘结强度和/或促进所需氧化铝结晶相的形成。根据本发明可以使用的氧化铝和相邻材料之间的粘结层在(例如)下列文献中有所描述：美国专利No.4,463,062、No.6,156,383、No.7,094,447和美国专利公布No.2005/0191408，以及Zhi-Jie Liu，et al.，“Investigations of the bonding layer in commercial CVDcoated cemented carbide inserts”，Surface&Coatings Technology 198(2005)161-164(Zhi-Jie Liu等人，关于商用带CVD涂层硬质合金插件内的粘结层的研究，《表面与涂层技术》，2005年第198期，第161-164页)，上述文献均以全文并入本文。粘结层可以包含元素周期表第IVa、Va或VIa族金属的氧化物、碳氧化物、氧氮化物和氧碳氮化物中的一者或多者。例如，粘结层可以包含氧化钛、碳氧化钛、氧氮化钛和氧碳氮化钛中的一者或多者。预期Cr2O3可以用作α氧化铝PVD沉积的粘结层或模板。在一些实施例中，粘结层可以为材料的混合物，例如氧化物的混合物(如氧化钛的混合物)。
沉积粘结层的可用技术是本领域的技术人员可以领会的，例如上文结合第一层、第二层和至少一个后续层的沉积所描述的任何技术。例如，可以用化学气相沉积法来沉积根据本发明的粘结层。粘结层的厚度可以小于2微米，并且可以小于1微米、小于500纳米、小于250纳米、小于100纳米、小于50纳米、小于30纳米、小于20纳米或小于10纳米。许多公司(例如，Ionbond AG Olten(Olten，Switzerland)、Seco Tools AB(Fagerstra，Sweden)和Sandvik AB(Sandvik，Sweden))都提供施加粘结层的服务，需要此服务都可联系它们。
预计可使用已知技术，例如TEM(透射电子显微镜，不低于10,000的放大倍数)、EDX(能量色散型X射线谱)或EELS(电子能量损失谱)，来分析限定成品组件涂层的层的组成和厚度。
图2和3示出可使用本发明原理制备的整形外科植入物组件的实例。例如，图2示出了膝关节植入系统48，其中远侧股骨组件50具有关节表面52、53、54，它们被设计成抵靠在胫骨支承件62(安放在胫骨基座63上)的关节表面56、58以及膝盖骨植入物组件66的关节表面64上。在这样的环境中，可能期望胫骨支承件62和膝盖骨植入物组件66的支承表面64具有对氧化稳定的超高分子量聚乙烯。股骨组件50的关节连接表面52、53、54(包括髁关节连接表面52、53和髁间沟54)可按上述方式进行热等静压处理、均化处理、磨削/机械加工/抛光和陶瓷涂覆。对于使用聚乙烯支承组件的此类植入系统，陶瓷涂层的顶层或外层可有利地包含氧化铝。
图3示出了臀部植入系统70，其包括近侧股骨柄72(柄72的近端带有关节连接球74)、髋臼杯76和髋臼轴承衬套78。轴承衬套78的典型材料包括超高分子量聚乙烯、金属(例如钴铬合金)或陶瓷。在柄72近端处的关节连接球74的整个外表面可有利地按上述方式进行热等静压处理、均化处理、磨削/机械加工/抛光和陶瓷涂覆。如果球74被设计成与聚合物轴承(例如UHMWPE)接合，那么顶部或外部带区或层可包含氧化铝。如果球74被设计成在高接触应力环境中工作(也就是说，与硬质轴承组件(例如金属或陶瓷)而非聚合物轴承组件接合)，那么可能期望的是将与另一个硬质表面接合时能提供最佳性能的不同材料(例如TiN、TiCN或者TiN和TiCN两者)用于顶层或外层。
根据本发明处理和涂覆的整形外科植入物，例如在图2和3中示出的那些以及其他关节连接整形外科植入系统(例如肩部植入系统和踝关节植入系统)，预期具有以下有利性质：改善的涂层对基底的粘合力和改善的耐腐蚀、刮擦和磨损性能。应当理解，可将涂层涂覆到植入物组件外表面的选择部分或植入物组件的整个外表面，例如植入物组件支承或接合另一组件一部分的外表面部分可选择性地按本专利申请及其原专利申请所述进行涂覆。
应当理解，膝关节、臀部、肩部和踝关节整形外科植入物组件可以套件形式提供。例如，膝关节植入物套件可包括图2中示出的所有不同尺寸的组件以适合特定患者，而臀部植入物套件可包括图3中示出的所有不同尺寸的组件以适合特定患者需要。
用于制备样品的特定工艺和在至少部分这些样品上进行的特定测试描述如下。除非另外指明，样品由平碟而非植入物组件制备。
金属基底制备
获得铸态Co-28Cr-6Mo钴铬合金样品以及Zr-Nb合金样品和钛合金样品。下表总结了金属基底的材料和初始制备参数。
Figure BSA00000633946800191
下表汇总了用于在涂覆前制备金属基底的任何其他工艺。
Figure BSA00000633946800201
Figure BSA00000633946800202
涂层
涂层由外部供应商Ionbond Ag Olten(Olten，Switzerland)涂覆而成。
下表总结了涂覆到样品的涂层的特性。
Figure BSA00000633946800203
Figure BSA00000633946800211
在测试前对大多数带陶瓷涂层的样品进行抛光处理；样品14、16、18和20在测试前不抛光。
划痕测试
要通过刮擦比较常规涂层和本发明涂层对表面损坏的抗性，使用
Figure BSA00000633946800212
划痕试验机上的200微米半径的金刚石压头尖，在40N恒定负荷下(与预计作用于植入患者的植入物的划痕负荷相比相对高的负荷)，沿着涂层样品6、7、8和9的表面形成10mm长的划痕。参见Smith，B.，Schlachter，A.，Ross，M.，and Ernsberger，C.，“Pin on DiscWear Testing of a Scratched Engineered Surface，”Transactions 55th ORS，No.2292，2009(Smith，B.、Schlachter，A.、Ross，M.和Ernsberger，C.，划痕工程表面的销盘磨损试验，第55届ORS会报，No.2292，2009年)。图6A-6E示出此划痕测试的结果。图6A中的样品对应于上表中的样品9；图6B中的样品对应于上表中的样品6；图6C中的样品对应于上表中的样品8；图6D中的样品对应于上表中的样品7；图6E中的样品未在上表中示出。
如图6A-E中所示，试验结果显示了样品(样品9)优越的机械属性，样品经过热等静压处理、均化处理、磨削、抛光，然后用三带区陶瓷(包括50层薄层陶瓷的中间带区)涂覆。
对于样品6(单个2.5μm厚TiN的内部带区，包含单个2.5μm厚TiCN层的第二带区，以及包含5μm厚氧化铝保护层的外部带区；根据总的TiN和TiCN层数，本文中此类结构一般称为“双层的”)的结构，据观察裂纹和氧化铝剥落(ASTM C1624-05规范(其全文以引用方式并入本文)规定的Lc2-型裂纹)以固定间隔沿划痕长度(图6B)出现，而在样品9的结构中未观察到Lc2-型裂纹(图6A)。
在这样相对高的负荷(Zr相对较软)下，对样品8的氧化Zr-Nb合金(5μm氧化物层)的刮擦导致划痕槽内的基底材料沿试验破坏区的整个长度暴露在外(图6C；基底材料在划痕中央显示为一条白线)。
Ti-6Al-4V基底上的样品7的单层TiN涂层(厚度为10μm，利用电弧蒸发PVD法沉积)的图像显示，较大的涂层材料片沿划痕线脱落，暴露了基底材料(图6D)。
类金刚石(DLC)涂层(Richter Precision Inc.的MedikoteTM C11材料，厚6μm，通过PVD沉积在经热等静压处理/均化处理的F75CoCrMo基底上；未在上表中示出)在40N施加负荷下进行大规模破碎(图6E)。
图7提供了来自扫描电镜(SEM)分析的放大图像，该分析是对经过40N恒定负荷划痕的常规涂层和本发明涂层的抛光横截面进行的。显然，与样品6的“常规CVD”结构相比，样品9的涂层(图7B)的氧化铝保护层下面的TiN/TiCN层内更不易受微裂纹的影响，在常规结构中的TiN和TiCN单层内观察到了裂纹和裂缝(图7A)。
除了对划痕的光学分析外，还对划痕进行声学分析以确定，在各种负荷条件下出现的、ASTM C1624-05规定的Lc2破碎或屈曲破坏型裂纹事件所特有的声发射峰数。使用Buehler Metadi金刚石悬浮液与Texmet纸一起对其进行抛光的抛光样品；抛光开始于9微米金刚石悬浮液，接着是6微米金刚石悬浮液，最后以1微米金刚石悬浮液结束。抛光样品经抛光后得到视觉上的无光饰面。五(5)条划痕位置相隔0.25mm，每条划痕长度为10微米，使用CSM
Figure BSA00000633946800221
划痕试验机上的200微米半径的金刚石压头尖以每秒1mm的速度进行刮擦而得。结果如下：
Figure BSA00000633946800222
Figure BSA00000633946800231
也根据ASTM C1624-05，使用CSM
Figure BSA00000633946800232
划痕试验机上的200微米半径金刚石压头尖进行各种样品的渐进负荷划痕测试。双层样品由内部带区和中间带区组成；这两部分带区包含一层TiN和一层TiCN；这两层由含Al2O3保护层的外部带区覆盖。多层涂层样品都具有含50(五十)层TiN和TiCN的中间带区(涂覆在单层内部带区TiN上)以及作为外部带区的Al2O3保护层。下表展示了结果：
Figure BSA00000633946800233
这些结果表明，与常规涂层相比，本发明的经热等静压处理/均化处理/磨削/抛光的多层涂层可以最大限度减少刮擦引起的损坏，并且可以更有效地防止微裂纹的产生。
用力刮擦样品1-13以备腐蚀测试用。针对这些样品，使用CSM
Figure BSA00000633946800241
划痕试验机上的200微米半径金刚石压头在腐蚀测试样品上制备五个重复组的五个平行金刚石压头划痕形成的网。各划痕的中心相距0.25mm。每组五个平行划痕由6、9、12、15和18N的划痕负荷制得，如图9A-9B中所示。然后对这些平行划痕网在6、9和12N的划痕负荷下以15°角制得相隔0.75mm的倾斜划痕。这些划痕网的代表性显微图(放大50倍)如图9A-9B所示。然后按如下所述的方法对这些样品进行腐蚀测试。
腐蚀测试
所有进行腐蚀测试的样品(样品1-13)首先让其划痕网置于如上所述的陶瓷涂层外表面上。
进行某些样品的循环动电位极化测试。该测试类似于ASTMF2129中所述的方法。使用带有平型电池和饱和Ag/AgCl/KCl参比电极的生物学VMP3稳压器/恒流器。刮擦某些样品，并将这些样品置于37℃下含25体积％小牛血清的Hanks溶液中以模拟生物大分子的存在和提高的体内粘度条件，继而进行循环扫描。对经抛光和刮擦的样品进行循环极化测试的基本原理是，在存在模拟的大幅体内研磨刮擦损坏的情况下，测量涂层/基底系统的耐腐蚀性。
每次扫描前，将每个样品的测试区域浸入电解质1小时，以保证开路电位稳定。以0.166毫伏/秒(10毫伏/分钟)的扫描速率进行循环极化扫描。
所用溶液为与25体积％的HyClone小牛血清(货号SH30073.03)混合的、含下表中给定组成的HyClone HyQ Hanks溶液(货号SH30030)。未在任何扫描前或扫描期间对pH为7.4的Hanks溶液进行脱气。在循环动电位扫描中，每次扫描前将每个样品的测试区域浸没1小时，以保证开路电位稳定。
Figure BSA00000633946800251
循环动电位极化测试的结果在图10-12中示出，样品1-5在图10中示出，样品6-9在图11中示出，而样品9-13在图12中示出。
由图11可看出，与氧化锆(样品8)、双层型TiN/TiCN(样品6)和PVD TiN(样品7)相比，样品9具有更低的电流电平。然而，由图10可看出，结果基本上随涂覆在铸态金属基底上的TiN/TiCN样品而变化。比较起来，由图12可看出，经热等静压处理和均化处理的多层样品的击穿电流变得更加一致。总之，循环动电位极化测试表明，当基底在涂覆前经热等静压处理和均化处理然后磨削时，多层样品始终更耐腐蚀，并且经热等静压处理/均化处理/磨削/多层样品比常规双层样品更耐腐蚀。
Rockwell C压痕测试
按VDI 3198标准所规定的方法，对带涂层样品的抛光区域进行Rockwell C压痕测试。测定硬度并对样品中的变形模式进行光学分析，以检测压痕标记周围的任何剥落/裂纹。硬度值始终在约36和40RHC(基底材料的实测值)之间。图13A和13B的比较表明，多层涂层与常规双层涂层相比，在压痕周边出现更少涂层裂纹和破碎。参见Vidakis，N.，Antoniadis，A.，Bilalis，N.，“The VDI 3198 Indentation TestEvaluation of a Reliable Qualitative Control for Layered Compounds，”Journal of Materials Processing Technology 143-144(2003)，pp 481-485(Vidakis，N.、Antoniadis，A.、Bilalis，N.，“对分层化合物进行可靠质量控制的VDI 3198压痕测试鉴定”，《材料处理技术杂志》，2003年，第143-144卷，第481-485页)。两种样品都包含经热等静压处理和均化处理然后用陶瓷涂覆的Co-28Cr-Mo。图13A中所示样品包括此基底上的陶瓷涂层，该涂层包括TiN内部带区、含多层薄的TiN和TiCN交替层的中间带区以及Al2O3保护层图13B中所示样品包括此基底上的陶瓷涂层，该涂层包括两层TiN和TiCN以及Al2O3保护层。
透射电子显微镜成像
图4A和4B提供由透射电子显微镜(TEM)成像采集的金属基底上常规“双层”涂层(含单层TiN的内部带区、含单层TiCN的中间带区以及作为外部带区的Al2O3保护层)的照片。在常规结构中，TiN层和TiCN层都具有约2.5μm的厚度，并且Al2O3保护层具有约5μm的厚度。据观察，双层结构由相对大的、高纵横比的TiN和TiCN颗粒(生长方向最多2-3微米)组成。
图5A和图5B提供了位于金属基底上的本发明多层TiN/TiCN涂层的TEM图像。图5A和图5B所示涂层包括具有1μm厚度的含单层TiN层的第一带区、位于第一TiN带区/层顶部的含TiCN层第二带区(具有约0.1μm的厚度)以及位于第二层顶部的交替的TiN和TiCN后续层，每个后续层都具有约0.1μm的厚度。多层结构的中间带区的总厚度为约5μm。该结构也包括含具有约5μm厚度Al2O3保护层的外部带区(在图5A中可见)。与常规结构形成鲜明对比的是，本发明多层涂层的图像显示，TiN和TiCN颗粒非常小，以至于在TiN/TiCN多层结构内无法区分为分立的单元。因此，观察到微结构和颗粒形态得到改善，本发明多层涂层结构内的非常细小的无规取向颗粒代替了常规双层结构中沿垂直于基底方向生长的较大的针状颗粒。此类特征表明，本发明的经热等静压处理/均化处理/磨削金属基底上的多层涂层可至少通过减小粒度和改变涂层膜内的形态提高断裂韧度和对微裂纹增长的抗性。在无意局限于任何具体操作理论的前提下可以看出，似乎本发明涂层中较小的无规取向的颗粒结构通过消除涂层内TiN和TiCN的各向异性而提供了改善的机械属性。
如上述测试表明，当CoCrMo基底经热等静压处理、均化处理、磨削(粗磨和计算机数控)和抛光，然后再涂覆陶瓷材料时，用力刮擦的陶瓷涂层(包括形成于CoCrMo基底上的一带区多层薄层)始终显示出更强的耐腐蚀性和耐刮擦性。预计整形外科植入物组件上此类涂层的使用将证实体内的耐磨性也得到改善。另外，图9A和9B示出，即使对于更为常规的陶瓷涂覆基底(带双层型TiN和TiCN以及Al2O3保护层)，也可通过在用陶瓷材料涂覆基底前进行热等静压处理、均化处理、磨削(粗磨和计算机数控)和抛光减少可见缺陷。预计当应用于整形外科植入物组件时，此改进也将实现。

Claims (9)

1.一种制备整形外科植入物组件的方法，其包括以下步骤：
获得已经热等静压处理和均化处理的金属整形外科植入物组件；
通过如下方式将陶瓷涂层沉积在所述经热等静压处理和均化处理的组件上：
将所述陶瓷涂层的第一带区沉积在所述经热等静压处理和均化处理的金属基底上；以及
将所述陶瓷涂层的第二带区沉积在所述陶瓷涂层的第一带区上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述获得已经热等静压处理和均化处理的金属整形外科植入物组件的步骤包括获得具有表面的金属整形外科植入物组件，所述表面已经热等静压处理、均化处理并且已从所述金属整形外科植入物组件的至少一部分移除了所述表面的1/2至1mm的经热等静压处理和均化处理的金属。
3.根据权利要求2所述的方法，其中至少一部分所述1/2至1mm的经热等静压处理和均化处理的金属已通过以下材料移除工艺中的至少一种被移除：磨削、机械加工和抛光。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一带区含有多层氮化钛或碳氮化钛，或者氮化钛与碳氮化钛二者的CVD沉积层。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述沉积第二带区的步骤包括CVD沉积多层，每层含有氮化钛或碳氮化钛，或者氮化钛与碳氮化钛二者。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述沉积第二带区的步骤包括CVD沉积2-100层，每层含有氮化钛或碳氮化钛，或者氮化钛与碳氮化钛二者。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述沉积第二带区的步骤包括CVD沉积2-50层，每层含有氮化钛或碳氮化钛，或者氮化钛与碳氮化钛二者。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述沉积第二带区的步骤包括CVD沉积约30-50层，每层含有氮化钛或碳氮化钛，或者氮化钛与碳氮化钛二者。
9.根据权利要求5所述的方法，其还包括将含氧化铝的第三带区沉积在所述陶瓷涂层的第二带区上。
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