CN103495201B - 新型髋臼组合件、其制备方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型髋臼组合件、其制备方法及应用。该髋臼组合件包括陶瓷髋臼和金属臼杯，所述髋臼与臼杯之间经封接层紧密结合。进一步的，所述封接层包括：由金属或其合金经直接封接工艺形成的、或经金属压力封接工艺形成的、或经陶瓷表面改性后由钎料焊接形成的金属封接层；或者，主要由金属氧化物和/或非金属氧化物焊接形成的氧化物封接层。该方法包括：至少采用封接工艺或焊接工艺在髋臼和臼杯之间形成封接层，使髋臼与臼杯紧密结合。本发明提供的新型髋臼组合件具有结合强度高、生物相容性好及物理、化学稳定等特点，且制备工艺简单，能够解决现有陶瓷全髋关节中大球头带来的薄壁陶瓷髋臼易破碎的风险，并可扩大球头的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种人工关节，特别涉及一种利用封接技术形成的陶瓷髋臼与金属钛臼杯的新型组合件，其可应用在陶瓷面全髋关节中，属于生物医用材料技术领域。
背景技术
法国和德国20世纪70年代早期开始在全髋关节置换中使用陶瓷对陶瓷(CoC)界面组合。最早的陶瓷型髋臼假体为一个单体结构，手术中以骨水泥或压配的方式进行安放固定。但临床实践证明其固定不够牢固，导致失败的最主要原因是无菌性松动。从上个世纪90年代早期开始，CoC假体的设计上出现了一个重要的变化，就是绝大多数髋臼侧假体均采用了外表面粗糙或是多孔结构的钛金属外杯加陶瓷内衬的组合形式。临床使用的结果证明这种设计形式的假体生存率良好，患者满意度高。
陶瓷对陶瓷面全髋关节假体经数十年临床证明是最为安全有效的假体。是长寿命假体的发展方向。但是随着大球头的发展，对陶瓷髋臼的要求越来越高，陶瓷强度虽然不断提高，韧性也在不断增加，因陶瓷本身的脆性，随着球头的直径增加，陶瓷髋臼的厚度越来越小，破碎风险也就随之增加，同时大球头对陶瓷髋臼的加工精度要求十分高，才能保证与钛金属臼杯的紧密相扣，以此增强陶瓷髋臼的可靠性，其加工不便，成本高昂，难以推广应用。
发明内容
鉴于现有技术中的不足，本发明的主要目的在于提供一种新型髋臼组合件，其具有结构简单，易于加工，可靠性好等特点。
本发明的另一目的在于提供制备前述新型髋臼组合件的方法。
本发明的又一目的在于提供前述新型髋臼组合件的用途。
为实现前述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种新型髋臼组合件，包括主要由陶瓷材料组成的髋臼和主要由金属材料组成的臼杯，所述髋臼与臼杯之间经封接层紧密结合。
进一步的，所述封接层包括：
由金属或其合金经金属封接工艺形成的金属封接层，
由一种以上金属钎料经焊接工艺形成的金属封接层，
或者，主要由金属氧化物和/或非金属氧化物经封接工艺形成的氧化物封接层。
作为较为优选的实施方案之一，所述金属封接工艺包括直接封接工艺或压力封接工艺，其中，
在所述直接封接工艺中，所采用的金属或其合金为活性金属或其合金，所述活性金属或其合金包括Zr、Ti、Nb、V、Ta中的任一种或二种以上的合金，且不限于此；
在所述压力封接工艺中，所采用的金属或其合金包括纯Au、纯Ag中的任一种或两种的合金，且不限于此。
作为较为优选的实施方案之一，所述髋臼包括表面改性的陶瓷髋臼，其中，表面改性采用的金属包括Mo、Mo-Mn、Ti、Zr、Ta或Nb，且不限于此。
作为较为优选的实施方案之一，所述金属氧化物包括Al2O3、CaO、Na2O、Li2O、MgO、SrO、TiO2、ZrO2中的任一种或两种以上的组合，所述非金属氧化物包括SiO2，且不限于此。
作为较为优选的实施方案之一，所述氧化物封接层包括：
Al2O3-CaO基体，以及
添加在所述基体内的碱金属氧化物、碱土金属氧化物、辅助氧化物中的任一种或两种以上的组合，其中，
所述碱金属氧化物包括Na2O或Li2O，所述碱土金属氧化物包括MgO或SrO，所述辅助氧化物包括TiO2、ZrO2或SiO2，且均不限于此；
或者，以SiO2为主的熔体。
作为较为优选的实施方案之一，所述氧化物封接层包括：
以SiO2为主的熔体，以及
添加在所述熔体内的碱金属氧化物、碱土金属氧化物、辅助氧化物中的任一种或两种以上的组合，其中，
所述碱金属氧化物包括Na2O或Li2O，所述碱土金属氧化物包括MgO或SrO，所述辅助氧化物包括TiO2或ZrO2，且均不限于此。
一种新型髋臼组合件的制备方法，包括如下步骤：
(1)提供主要由陶瓷材料组成的髋臼和主要由金属材料组成的臼杯；
(2)至少采用封接工艺或焊接工艺在髋臼和臼杯之间形成封接层，使所述髋臼与臼杯紧密结合。
进一步的，步骤(2)包括：
I)对主要由陶瓷材料形成的髋臼表面进行改性处理，在将改性后的髋臼表面与臼杯以金属钎料焊接，其中，改性处理的工艺包括烧结金属粉末法、气相沉积法或溅射法；
或者，II)将所述髋臼与臼杯以活性金属或其合金直接进行封接，封接温度在室温～1450℃之间，并在空气、真空、惰性或还原性气氛中进行操作，所述活性金属或其合金包括Zr、Ti、Nb、V、Ta中的任一种或任二种以上的合金；
或者，III)将所述髋臼与臼杯以纯Au和/或纯Ag通过压力封接，压力为1～100MPa，并在空气、真空、惰性或还原性气氛中进行操作；
或者，IV)将所述髋臼与臼杯经氧化物焊接法封接，工艺条件包括：
a)以Al2O3-CaO为基体，并添加碱金属氧化物、碱土金属氧化物和辅助氧化物中的至少一种，封接温度为500～1600℃，其中，所述碱金属氧化物包括Na2O或Li2O，所述碱土金属氧化物包括MgO或SrO，所述辅助氧化物包括TiO2、ZrO2或SiO2，且均不限于此；
或者，b)选用以SiO2为主的熔体，封接温度为700～1600℃，并在真空或保护性气氛中操作。
作为较为优选的实施方案之一，步骤b)包括：
选用以SiO2为主的熔体，并加入碱金属氧化物、碱土金属氧化物、辅助氧化物中的至少一种，封接温度为700～1600℃，并在真空或保护性气氛中操作，其中，
所述碱金属氧化物包括Na2O或Li2O，所述碱土金属氧化物包括MgO或SrO，所述辅助氧化物包括TiO2或ZrO2，且均不限于此。
如前所述的新型髋臼组合件在制备人工髋关节中的应用。
一种人工髋关节，包含以上任一项所述的新型髋臼组合件。
与现有技术相比，本发明至少具有如下优点：
1)提供了一种陶瓷髋臼与金属臼杯紧密结合的新技术，其基于陶瓷与金属封接技术，利用熔体或金属扩散的封接作用将陶瓷髋臼和金属臼杯结合，从而制成一种新型髋臼组合件，该技术可使陶瓷髋臼加工精度要求降低，又能与金属杯紧密结合，以保证陶瓷髋臼的强度的稳定性和可靠性，增强了陶瓷髋臼的使用可靠性，同时，还可使陶瓷髋臼的厚度大大降低，从而减少因陶瓷弹性模量远大于骨组织带来的应力，使大球头适应于更广泛的患者。
2)该新型髋臼组合件具有高强度，能够承受人体运动的负载和疲劳，并在体内有好的生物相容性和物理、化学稳定性，可以在体内长期保持高的强度，不会因人体的高负荷和高强度运动使陶瓷髋臼破坏，且即使大的撞击可能使陶瓷髋臼产生裂纹，但因陶瓷髋臼与金属杯之间有相当高的结合强度，不会由此导致整个陶瓷髋臼的碎裂，陶瓷也不会从金属杯上脱落，从而保证假体正常运行，不致使整个假体失效，同时还可依然保持陶瓷对陶瓷髋臼面的良好摩擦性能。
具体实施方式
作为本发明的一个方面，提供了一种新型髋臼组合件，其系由陶瓷全髋关节中陶瓷髋臼与金属臼杯利用封接技术形成的新型组合件，其中，陶瓷髋臼和金属臼杯因封接层紧密结合，并具有如下特征：结合强度高，能够承受人体运动的负载和疲劳；并在体内有好的生物相容性和物理、化学稳定性，在体内长期保持高的强度；不会因人体的高负荷和高强度运动使陶瓷髋臼破坏，即使大的撞击可能使陶瓷髋臼产生裂纹，但不会因陶瓷髋臼碎裂使假体失效。陶瓷碎片不会从金属杯上脱落，从而保证了陶瓷髋臼的持续运行。
进一步的，对于前述的封接层，其系由与陶瓷和金属均能结合的熔体或金属离子扩散材料形成，其与陶瓷和金属结合时均呈现出很高的强度。
相应的，作为本发明的另一个方面，其提供了一种制备前述新型髋臼组合件的工艺，在该工艺中，涉及到的封接技术及选用的熔体可以主要有以下三类：钎料焊接、金属或合金直接封接、氧化物熔体焊接。
对于前述的封接方法，如下提供了一些较为优选的实施方案，但本领域技术人员显然亦可依据本发明的启示，想到其它改进工艺或条件：
(一)表面改性后钎料焊接
首先采用烧结金属粉末法、气相沉积、溅射等工艺对陶瓷表面进行改性处理，可用于表面改性的金属有Mo、Mo-Mn、Ti、Zr、Ta、Nb等，接下来，采用真空、还原气氛或惰性气氛下将改性后的陶瓷和金属钛臼杯之间加入金属钎料，在一定温度下进行焊接，其中焊接温度为500～1450℃。
其中的金属钎料要求必须满足生物相容性，力学相容性和化学稳定性。
(二)合金或金属直接封接：
1)选用活性金属及其合金直接进行封接。其中的活性金属及其合金包括：Zr、Ti、Nb、V、Ta等金属及其合金；封接温度选择在室温～1450℃之间；选择气氛可以为真空、含惰性或还原性气氛保护。
2)纯Au、纯Ag等通过压力扩散封接，压力：1～100MPa，真空或H2或保护气氛或空气中完成。
(三)氧化物焊接法
1)Al2O3-CaO为基体添加碱金属氧化物Na2O、Li2O及碱土金属氧化物MgO、SrO等，也可加入TiO2、ZrO2、SiO2等氧化物调节熔体性能。封接温度：500～1600℃
2)以SiO2为主的熔体，也可如上添加碱金属、碱土金属氧化物和Ti、Zr、Mg等氧化物调节性能。封接温度：700～1600℃；真空或保护气氛中完成。
事实上，概言之，本发明与一般金属与陶瓷封接不同点在于：
1)陶瓷和金属牢固结合，增强陶瓷髋臼的强度和使用的稳定性，并在体液中保持界面及结合强度的稳定性。
2)要求结合体的生物相容性好，化学稳定性佳。
3)在体液中不易析出有害离子及金属离子。
4)陶瓷与金属结合在体液中承受人体的负重及疲劳。
下面结合实例对本发明的方法作进一步的说明。这些实施例进一步描述和说明了本发明范围内的实施方案。给出的实施例仅用于说明的目的，对本发明不构成任何限定，在不背离本发明精神和范围的条件下可对其进行各种改变。
实施例1
将陶瓷髋臼进行封接前的清洗，接着是表面处理，通过烧结金属粉末法，选用Mo-Mn为基础的配方，在其外表面进行表面金属化处理。
表面处理后的陶瓷髋臼和表面清洗后的就是臼杯，中间加入金属钎料放入真空炉中进行焊接，采用的工艺条件是：真空气氛下，真空压力小于10Pa，温度1200℃，保温30分钟。降温后可以得到陶瓷髋臼与金属臼杯结合紧密的组合件。
实施例2
除下述变化外，其余同实施例1。
实施例1中的表面处理也可以采用气相沉积或溅射工艺，如真空蒸发、真空溅射、离子注入等物理气相沉积的方法。
实施例3
除下述变化外，其余同实施例1。
实施例1中的表面处理烧结金属粉末法，还可以选用的金属粉末：Mo、Ti、Zr、Ta、Nb等。
实施例4
除下述变化外，其余同实施例1。
实施例1中的金属钎料焊接工艺条件，可以采用氦气、氩气等惰性气体保护，或CO、H2等还原气氛下进行；焊接温度可以为600～1450℃。
实施例5
活性金属的直接封接，同样首先将陶瓷髋臼和金属臼杯进行表面的清洗；之间加入活性金属Ti，在真空炉中，真空10Pa以上，温度800℃，保温20分钟，冷却后得到封接的组合件。
实施例6
除下述变化外，其余同实施例5。
在实施例5中的活性金属Ti，还可以选用活性金属Zr、Nb、V、Ta等或其合金等。气氛同样用惰性或还原气氛；温度选择500～1450℃。
实施例7
同样地，陶瓷髋臼和金属臼杯表面清洗后，加入纯银，采用压力封接的方法达到组合的目的，压力20MPa。
压力封接可选用的金属还有纯Au等，压力可选1～100MPa，还可以在空气或真空或氢气等还原气氛下进行操作。
实施例8
氧化物焊接法，在本实施例中同样首先进行表面清洗，并对金属臼杯热处理，即在真空或氢气氛下，高温处理。调配以Al2O3-CaO为基体，加入碱金属氧化物Na2O、Li2O组成氧化物焊料，再加入TiO2、ZrO2、SiO2等氧化物以调节熔体性能。在高纯氧化铝陶瓷髋臼和处理后的金属臼杯间加入氧化物焊料，在加热炉中升温至1000℃，保温10分钟，降温得到组合件。
实施例9
除下述变化外，其余同实施例8。
实施例8中调配氧化物焊料还可以加入碱土金属氧化物MgO、SrO等，或碱金属和碱土金属氧化物混合。封接温度可以为500～1600℃，时间可以根据需要相应调节。
实施例10
除下述变化外，其余同实施例8。
实施例8中的氧化物焊料可以为以SiO2为主体加入碱金属、碱土金属氧化物组成的熔体，同样可用TiO2、ZrO2、SiO2等氧化物以调节熔体性能。封接温度在700～1600℃，要求在真空或保护气氛中进行。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (6)
1.一种新型髋臼组合件，包括主要由陶瓷材料组成的髋臼和主要由金属材料组成的臼杯，其特征在于，所述髋臼与臼杯之间经封接层紧密结合，所述封接层包括：
由金属或其合金经金属封接工艺形成的金属封接层，所述金属封接工艺包括直接封接工艺或压力封接工艺，在所述直接封接工艺中，所采用的金属或其合金为活性金属或其合金，所述活性金属或其合金选自Zr、Ti、Nb、V、Ta中的任一种或二种以上的合金，在所述压力封接工艺中，所采用的金属或其合金选自纯Au、纯Ag中的任一种或两种的合金；
或者，由一种以上金属钎料经焊接工艺形成的金属封接层，在所述焊接工艺中，所述髋臼采用表面改性的陶瓷髋臼，而表面改性采用的金属选自Mo、Mo-Mn、Ti、Zr、Ta或Nb；
或者，主要由金属氧化物和/或非金属氧化物经封接工艺形成的氧化物封接层，所述氧化物封接层包括Al2O3-CaO基体以及添加在所述基体内的碱金属氧化物、碱土金属氧化物、辅助氧化物中的任一种或两种以上的组合，所述碱金属氧化物包括Na2O或Li2O，所述碱土金属氧化物包括MgO或SrO，所述辅助氧化物包括TiO2、ZrO2或SiO2；或者，以SiO2为主的熔体。
2.根据权利要求1所述的新型髋臼组合件，其特征在于，所述氧化物封接层包括：
以SiO2为主的熔体，以及
添加在所述熔体内的碱金属氧化物、碱土金属氧化物、辅助氧化物中的任一种或两种以上的组合，其中所述碱金属氧化物包括Na2O或Li2O，所述碱土金属氧化物包括MgO或SrO，所述辅助氧化物包括TiO2或ZrO2。
3.权利要求1所述新型髋臼组合件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)提供主要由陶瓷材料组成的髋臼和主要由金属材料组成的臼杯；
(2)采用封接工艺或焊接工艺在髋臼和臼杯之间形成封接层，使所述髋臼与臼杯紧密结合；
所述焊接工艺包括：
I)对主要由陶瓷材料形成的髋臼表面进行改性处理，在将改性后的髋臼表面与臼杯以金属钎料焊接，其中，改性处理的工艺包括烧结金属粉末法、气相沉积法或溅射法；
所述封接工艺包括：
II)将所述髋臼与臼杯以活性金属或其合金直接进行封接，封接温度在室温～1450℃之间，并在空气、真空、惰性或还原性气氛中进行操作，所述活性金属或其合金选自Zr、Ti、Nb、V、Ta中的任一种或任二种以上的合金；
或者，III)将所述髋臼与臼杯以纯Au和/或纯Ag通过压力封接，压力为1～100MPa，并在空气、真空、惰性或还原性气氛中进行操作；
或者，IV)将所述髋臼与臼杯经氧化物焊接法封接，工艺条件包括：
a)以Al2O3-CaO为基体，并添加碱金属氧化物、碱土金属氧化物和辅助氧化物中的至少一种，封接温度为500～1600℃，其中，所述碱金属氧化物包括Na2O或Li2O，所述碱土金属氧化物包括MgO或SrO，所述辅助氧化物包括TiO2、ZrO2或SiO2，并在真空或保护性气氛中操作；
或者，b)选用以SiO2为主的熔体，封接温度为700～1600℃，并在真空或保护性气氛中操作。
4.根据权利要求3所述新型髋臼组合件的制备方法，其特征在于，步骤b)包括：
选用以SiO2为主的熔体，并加入碱金属氧化物、碱土金属氧化物、辅助氧化物中的至少一种，封接温度为700～1600℃，并在真空或保护性气氛中操作，其中，
所述碱金属氧化物包括Na2O或Li2O，所述碱土金属氧化物包括MgO或SrO，所述辅助氧化物包括TiO2或ZrO2。
5.权利要求1-4中任一项所述的新型髋臼组合件在制备人工髋关节中的应用。
6.一种人工髋关节，其特征在于，包含权利要求1-4中任一项所述的新型髋臼组合件。
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