CN1972724A - 用于外科植入物和仪器的产生干涉的有色涂层 - Google Patents

用于外科植入物和仪器的产生干涉的有色涂层 Download PDF

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CN1972724A CNA2004800433892A CN200480043389A CN1972724A CN 1972724 A CN1972724 A CN 1972724A CN A2004800433892 A CNA2004800433892 A CN A2004800433892A CN 200480043389 A CN200480043389 A CN 200480043389A CN 1972724 A CN1972724 A CN 1972724A
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Abstract

本发明涂层特别适于标识和表征外科植入物和仪器以及作为外科植入物和仪器的扩散阻挡层。该涂层包括生物相容性的、透明的和对于自身而言无色的干涉层，它与植入物或仪器的表面接合，具有恒定的层厚度，不导电或仅轻微导电，即是介电性的；该涂层适于产生干涉，和适于在整个可见光光谱内产生干涉色。

Description

用于外科植入物和仪器的产生干涉的有色涂层
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的上位概念的涂层，特别地用于外科植入物和仪器的标识和表征，以及用作外科植入物和仪器的扩散阻挡层的涂层。
背景技术
这样的涂层特别用于作为颜色编码(标识和表征)可以采用简单和安全的方式区别各种类型和尺寸的外科植入物或仪器，例如骨板、骨螺钉或螺丝刀，和因此协调单个元件彼此之间的相容性。在骨螺钉的情况下以此方式可以区分直径、传动性质(例如转矩，六角形，右旋螺纹，或左旋螺纹)和其它参数。
US 5,597,384 WALKER等人公开了合适的编码方案，但未指示如何将涂层施加到植入物表面上。然而，例如从WO 00/74637已知，为此目的将类金刚石的碳(DLC)的薄层施加到植入物上，特别地通过使用碳等离子体的脉动弧。这些已知颜色编码涂层的缺点在于这样的事实：它们中的许多是导电的和因此经历由出现的电势差引起的腐蚀。此外，这些已知的颜色编码涂层是部分多孔的，对基材的粘附性差和具有依赖于材料的颜色，使得对着色仅提供小的作用空间。
发明内容
本发明希望提供解决方案。本发明的目的是，在外科植入物或仪器上施加涂层，该涂层不易受腐蚀，显示良好的生物相容性，允许整个色谱的自由的标识性着色和对于变应性物质如镍或钼(基材材料)起扩散抑制作用。
本发明由具有权利要求1的特征的涂层实现了所提出的目的。
由本发明达到的优点是多种多样的，并包括如下方面：
a)颜色可以从整个可见光光谱产生，即例如红色，橙色，黄色，绿色，蓝色，靛蓝色，和紫色；
b)借助于根据本发明的涂层，不可能形成能够损害、剥离或溶解干涉涂层的腐蚀性电流；
c)涂层具有抵抗性和抗化学和热侵袭而起保护作用；
d)局部阻止扩散过程和强烈降低金属离子从基材中的释放；和
e)通过合适层厚度和层材料的选择(即它们的折射值)可产生所需的干涉色。
根据本发明的涂层(或构成它们的单个层)是无色的，和它们自身是透明的(透光的)，即它们不显示吸收或仅显示弱吸收。着色因此恰恰不由源自层材料中固有的着色颜料或染料实现，如在常规工业漆(Farben)的情况下。
技术上最简单的解决方案是单个层。它可例如由TiO2或它的低氧化物、Ti2O3，Ti3O5等组成，以及例如Ta2O5，Nb2O5，ZrO2，HfO2或这些物质的混合物，即金属氧化物。氮化合物，例如Si3N4等也是可想到的。
对于预期的应用目的，有利地使用其生物相容性已经被证实的材料。由于基材(植入物，工具，螺钉等)的极大的热不敏感性，在涂覆工艺期间将其加热优选直到330℃，这相当大地改进层的粘合和形态(较低孔隙率，增加的层硬度)。
实验测试已表明，单一层已经能够引起足够强的颜色印象，在此在合适选择的层厚度下粘合层和顶层两者都不减少该颜色印象。然而通过增加层的数目，例如交替施加的高折射率和低折射率层，可以进一步提高颜色强度(参见图3)。除延长的涂覆时间以外，这样的多层体系由于其较大数量的分离面-即侵袭点-而不少见地倾向于对外部影响(灭菌，消毒)的增加的易受损性。
对层的最大挑战是实际使用中的攻击性清洁处理，例如在135℃下灭菌，在强碱性溶液中在约10-12的pH值下洗涤，和在几百个连续循环中的这些。在这些状况下对层发生的破坏机理是扩散过程(湿气或溶液沿层体系的界面和分离面渗入，以及直接在层表面上，优选地在孔，层裂纹，表面受损害处等处施加外部作用，后者可以通过施加所谓的顶涂层或保护涂层减轻。保护涂层可以由以上提及的任何介电材料组成，在此情况下还包括低折射率的材料(例如MgF2，n＝1.38；SiO2，n＝1.46；Al2O3，n＝1.63)。
依赖于根据经验为约40％-60％的表面的质量(抛光，粗糙深度)，医疗植入物和外科仪器的抛光表面反射可见光[波长λ＝400nm(紫色)直到700nm(红色)]。由于反射能力(反射值)在整个可见光谱内大约相同，对人眼的获得的感觉是白色、金属、银色光泽(参见图1)。此效应在优化的精细光学铝或银镜中显示得特别明显，它们的反射值大于90％(图2)。然而，在曲线轨迹不均一地是平坦的，而例如上升的情况下—由于对应材料的不同的光谱反射行为—这导致单一物质的特征性着色感觉印象。图2以铜和金的例子显示，它们的公知颜色(黄-橙色或金色)由短波范围(400nm-约550nm)内的较低反射能力(较大吸收)导致。
由植入物表面上介电层的颜色产生原理因此基于针对性地改进它们的均一恒定的平坦的反射曲线的轨迹(图1)，以引起需要的颜色效应。
此颜色色调得自分开的波列的干涉(叠加)。该过程在如下文献中详细说明：Angus Macleod，″Thin-Film Optical Filters″(薄膜光学过滤器)，第3版，Institute of Physics Publishing，Bristol和Philadelphia，或H.K.Pulker″Coatings on Glass″(玻璃上的涂层)，第2修订版，Elsevier出版社。一部分入射光在空气-层界面反射，而其余部分穿过层。在层-金属分离面上此部分也射回，并在离开层时与初始反射光束发生干涉(图3)。依赖于光波的光程差(由层厚度和折射值实现)，可以产生引起所需颜色印象的标准曲线轨迹。
图4-7显示在相同的层材料，TiO2，n＝2.3下，和在相应地协调的层厚度下，蓝色(d≈65nm)，黄色(d≈130nm)，红色(d≈150nm)和绿色(d≈200nm)的特征光谱反射曲线。
干涉层有利地由均匀材料组成，即在化学组成、形态和折射率方面均一恒定的材料。在另一个实施方案中，干涉层也可以是不均匀的和特别由其折射值在垂直于干涉层的方向连续变化的材料组成(如在″有折痕(rugate)的过滤器″中)。
另外如果干涉层耐腐蚀和优选不有害地影响植入物或仪器的表面的耐腐蚀性，则是有利的。干涉层可包括如下物质或其混合物：
a)元素Si，Ta，Ti，Y，Zr，Al，Cr，Nb，V和Hf的氧化物或低氧化物；
b)元素硅的氮化物；或
c)元素镁的氟化物。
氧化物或低氧化物可以选自：钛的氧化物(TiO2和Ti2O3)，氧化钽(Ta2O5)，氧化锆(ZrO2)，氧化铪(HfO2)，氧化铌(Nb2O5)，氧化钇(Y2O3)，氧化铝(Al2O3)和氧化硅(SiO2)或它们的低氧化物。氮化物可以是氮化硅(Si3N5)和氟化物可以是氟化镁(MgF2)。
干涉层典型地呈现的折射值为n＞1.9，优选n＞2.2。这些较高折射值的优点在于在改进裸露基材表面的平坦曲线轨迹方面较强的效果。
为满足颜色编码的多方面要求，它的具体性能可以采用目标方式通过增大层的数目而加以影响。在特定的实施方案中，干涉层因此由形成干涉层体系的多个、上下重叠布置的单个层组成。由于根据本发明的涂层自身是透明的，这由在多个层过渡部分(分离面)上的反射导致波的叠加，波在某些光谱区域中彼此增强和在其它光谱区域中彼此抵消，这在光谱内部导致所需反射行为(参见根据图4-7的曲线图)。干涉层体系，或它的单个层-每个对于自身考虑-典型地显示的厚度为最大500nm，优选最大250nm，而至少10nm的最小厚度是有利的。
植入物或仪器的未涂覆表面有利地由钢、Co基合金、钛、NiTi或钛合金组成。在优选的实施方案中，干涉层由不导电的氧化钛(TiO2)组成。
在进一步的实施方案中，中间粘合层布置在干涉层和植入物或仪器的表面之间。粘合层可以由元素Si，Ta，Ti，Y，Zr，Al，Cr，Nb，V和Hf的氧化物或低氧化物，特别地氧化铬或氧化硅或其混合物组成。氧化物或低氧化物可以选自：氧化钛(TiO2)，氧化钽(Ta2O5)，氧化锆(ZrO2)，氧化铌(Nb2O5)，或氧化硅(SiO2)或它们的低氧化物。粘合层有利地呈现的厚度为至少2nm，优选至少10nm。粘合层的最大厚度有利地为最大20nm，优选最大10nm。
在特定的实施方案中，将顶层施加到干涉层上。顶层起保护功能和导致涂层的改进的耐磨性和硬度。顶层可以由如下物质之一或其混合物组成：
a)元素Si，Ta，Ti，Y，Zr，Al，Cr，Nb，V和Hf的氧化物或低氧化物；
b)元素硅的氮化物；或
c)元素镁的氟化物。
顶层优选由Al2O3，MgF2或其混合物组成。氧化物或低氧化物可以选自：氧化钛(TiO2)，氧化钽(Ta2O5)，氧化锆(ZrO2)，氧化铌(Nb2O5)，氧化硅(SiO2)或它们的低氧化物。顶层的厚度优选等于或小于干涉层的厚度。
在另一种实施方案中，干涉层的相邻单个层的折射值n呈现的差值Δn为至少0.5，优选至少0.7。由此获得在颜色产生方面的更大效果，即更鲜艳的颜色和更好的对比度。
在进一步的实施方案中，优选由氧化铝Al2O3组成的单个界面布置在
a)植入物或仪器的表面，
b)干涉层，
c)粘合层，和/或
d)顶层，
之间用作扩散阻挡层或用于改进机械性能。这导致改进粘合强度，层硬度，耐磨性，层内部的机械应力的补偿，以及导致改进的电绝缘。扩散阻挡层也防止潜在有害的基材物质向人体释放。
扩散阻挡层有利地呈现的厚度为至少10nm，优选至少25nm。扩散阻挡层的最大厚度有利地为最大1000nm，优选最大50nm。
干涉层优选没有孔。
根据本发明的涂层的制备可由如下方式进行：由PVD工艺(物理汽相沉积)，CVD工艺(化学汽相沉积)，溅射工艺—特别地也通过使用离子源或离子枪—或SolGel(溶胶凝胶)工艺，采用选自Mg，Si，Ta，Ti，Y，Zr，Al，Cr，Nb，V和Hf的原子涂覆植入物或仪器的表面。离子枪例如可以是Kaufman枪。在采用原子涂覆之前，为清洁目的将表面有利地经历，优选采用Ar，O2或N2离子或其组合的离子轰击。可以将施加到表面上的干涉层采用O2，优选在循环空气回火炉中后氧化。
根据本发明的涂层也可以用作扩散阻挡层。
本发明和本发明的改进在下文中通过多个实施例的部分图解描述而进一步解释。
附图说明
图1显示抛光植入物表面的光谱反射曲线。每种情况下的反射能力依赖于涉及的表面质量，因此依赖于它的抛光；
图2显示Au-，Cu-，和Al-镜表面的光谱反射曲线；
图3显示由干涉着色的两种图解描述；
图4显示为产生蓝颜色而采用由二氧化钛组成的根据本发明的涂层的植入物表面的光谱反射曲线(层厚度约65nm)；
图5显示为产生金颜色而采用由二氧化钛组成的根据本发明的涂层的植入物表面的光谱反射曲线(层厚度约130nm)；
图6显示为产生红颜色而采用由二氧化钛组成的根据本发明的涂层的植入物表面的光谱反射曲线(层厚度约150nm)；
图4显示为产生绿颜色而采用由二氧化钛组成的根据本发明的涂层的植入物表面的光谱反射曲线(层厚度约200nm)。
在医疗植入物和外科仪器上的上述颜色编码的应用因此与常规着色过程，如在表面上涂漆或喷涂不对应。而是利用上文所述的真空涂覆技术。所有这些方法是已知的光学和电子方面的标准方法，如用于在透镜(照相机，望远镜，显微镜等)或眼镜上施涂降低反射的层，用于在芯片制备中的晶片涂覆，或用于在工具(钻头，冲孔工具)上施加硬层(例如在离子镀覆工艺)以提高它们的使用寿命。
所提及的技术在专业文献中，例如由Angus Macleod和H.K.Pulker详细说明。
热涂覆操作(PVD)：
a)在清洁溶液中基材(部分)超声清洁；
b)基材干燥；
c)插入在夹具中；
d)引入真空室中；
e)将真空室抽空(抽真空到10-6毫巴范围)和同时将基材加热至40℃到500℃(优选地约300℃)；
f)加热涂层材料(纯Ti或它的氧化物TiO2，Ti2O3，等)至高于熔点；
g)在条件“f”下开启蒸发源的罩板，并将蒸汽粒子物流导引入真空室，同时加入氧气(金属原子氧化)；
h)通过使用层厚度测量仪器(石英振荡器或光学监视器)监测和保持产生颜色效应的所需层厚度；
i)在达到层厚度之后关闭罩板；
j)施加可能的另外的层，或先前施加粘合层；
k)让蒸发源中的熔体冷却；
l)灌注真空室；
m)取出样品和让它们完全冷却。
通过一方面在涂覆之前通过剥蚀基材的最顶部原子层而清洁表面，以及后续通过将它们在涂覆时接通而使层致密化，从而离子源可用于支持此工艺。可最终还进行采用O2，例如在循环空气回火炉中干涉层的后氧化。
溅射工艺操作
a)在清洁溶液中超声清洁样品；
b)干燥样品；
c)在样品夹具中插入样品；
d)引入真空室；
e)将真空室抽空到10-6毫巴范围；
f)加速离子(Ar-离子)到靶上，从靶发生涂层材料的雾化(溅射出)；
g)对于纯钛，加入氧气(纯金属原子的氧化)；
h)层厚度由先前的校准装置确定，或也可以随时控制
i)在达到层厚度之后，引入空气；和
j)取样品和让样品冷却。
具有蓝色氧化钛层的骨螺钉热涂覆的实施例
1.在碱性溶液中将电抛光的骨螺钉经历多阶段超声洗涤过程，其中在去离子水中最终洗涤10分钟。
2.将骨螺钉随后在热空气烘箱中在80℃下干燥5分钟。
3.将骨螺钉采用镊子插入夹紧夹具中和将后者引入真空室和固定到为此目的提供的支架。
4.在关闭真空室的所有开口之后，抽真空到约5×10-6毫巴和由基材加热将骨螺钉加热到300℃。
5.使蒸发源的坩埚达到蒸发材料的蒸发温度(约2,000℃)。
6.然后去除钛源上方的罩板，和在加入用于氧化的氧气的同时，钛原子的蒸发在整个真空室中进行。
7.在10分钟内进行涂覆，直到65nm的层厚度可以由合适的层厚度测量仪器(石英振荡器或光学监视器)测量，和罩板可再次遮盖蒸发源的熔体坩埚。
8.然后灌注真空室，和在达到环境压力时，将室门开启和取出涂覆的骨螺钉。
9.将涂覆的骨螺钉从设备中取出和在环境空气中冷却10分钟和然后从夹紧夹具中取出，由此结束涂覆过程。

Claims (36)

1.一种涂层，特别地用于外科植入物和仪器的标识和表征，以及用作外科植入物和仪器的扩散阻挡层，其特征在于
该涂层包括与植入物或仪器表面接合的生物相容性的、透明的和—对于自身单独考虑—无色的干涉层，该干涉层
A)具有恒定的层厚度；
B)不具有导电性或仅具有弱的导电性，即是介电性的；
C)适于产生干涉；和
D)适于在整个可见光光谱内产生干涉色。
2.根据权利要求1的涂层，其特征在于干涉层由均匀材料组成。
3.根据权利要求1或2的涂层，其特征在于干涉层由在化学组成、形态和折射率方面均一恒定的材料组成。
4.根据权利要求1的涂层，其特征在于干涉层由不均匀材料组成。
5.根据权利要求1或4的涂层，其特征在于干涉层由其折射值在垂直于干涉层的方向上连续变化的材料组成。
6.根据权利要求1-5中任一项的涂层，其特征在于干涉层耐腐蚀和优选不有害地影响植入物或仪器表面的耐腐蚀性。
7.根据权利要求1-6中任一项的涂层，其特征在于它包括如下物质中的一种或其混合物：
a)元素Si、Ta、Ti、Y、Zr、Al、Cr、Nb、V和Hf的氧化物或低氧化物；
b)元素硅的氮化物；或
c)元素镁的氟化物。
8.根据权利要求7的涂层，其特征在于氧化物或低氧化物选自：钛的氧化物(TiO2和Ti2O3)、氧化钽(Ta2O5)、氧化锆(ZrO2)、氧化铪(HfO2)、氧化铌(Nb2O5)、氧化钇(Y2O3)、氧化铝(Al2O3)和氧化硅(SiO2)或它们的低氧化物。
9.根据权利要求7的涂层，其特征在于氮化物是氮化硅(Si3N4)和氟化物是氟化镁(MgF2)。
10.根据权利要求1-9中任一项的涂层，其特征在于干涉层的折射值n＞1.9。
11.根据权利要求10的涂层，其特征在于干涉层的折射值n＞2.2。
12.根据权利要求1-11中任一项的涂层，其特征在于干涉层由形成干涉层体系的多个上下重叠布置的单个层组成。
13.根据权利要求1-12中任一项的涂层，其特征在于干涉层体系，或它的单个层中每个按自身考虑，具有的厚度为最大500nm，优选最大250nm。
14.根据权利要求1-13中任一项的涂层，其特征在于干涉层体系或它的单个层中每个按自身考虑具有的厚度为至少10nm。
15.根据权利要求1-14中任一项的涂层，其特征在于植入物或仪器的未涂覆表面由钢、Co基合金、钛、NiTi或钛合金组成。
16.根据权利要求1-15中任一项的涂层，其特征在于干涉层由不导电的氧化钛(TiO2)组成。
17.根据权利要求1-16中任一项的涂层，其特征在于根据PVD工艺(物理汽相沉积)，CVD工艺(化学汽相沉积)，溅射工艺，特别地也通过使用离子源或离子枪，或溶胶凝胶工艺将涂层施加到植入物或仪器的表面上。
18.根据权利要求1-17中任一项的涂层，其特征在于在干涉层和植入物或仪器的表面之间布置中间粘合层。
19.根据权利要求18的涂层，其特征在于粘合层由元素Si、Ta、Ti、Y、Zr、Al、Cr、Nb、V和Hf的氧化物或低氧化物，特别地氧化铬或氧化硅或其混合物组成。
20.根据权利要求19的涂层，其特征在于氧化物或低氧化物选自：氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化锆(ZrO2)、氧化铌(Nb2O5)或氧化硅(SiO2)或它们的低氧化物。
21.根据权利要求18-20中任一项的涂层，其特征在于粘合层具有的厚度为至少2nm，优选至少10nm。
22.根据权利要求18-21中任一项的涂层，其特征在于粘合层具有的厚度为最大20nm，优选最大10nm。
23.根据权利要求1-22中任一项的涂层，其特征在于在干涉层上施加顶层。
24.根据权利要求23的涂层，其特征在于顶层由如下物质中的一种或其混合物组成：
a)元素Si、Ta、Ti、Y、Zr、Al、Cr、Nb、V和Hf的氧化物或低氧化物；
b)元素硅的氮化物；或
c)元素镁的氟化物。
25.根据权利要求24的涂层，其特征在于顶层由Al2O3，MgF2或其混合物组成。
26.根据权利要求24的涂层，其特征在于氧化物或低氧化物选自：氧化钛(TiO2)、氧化钽(Ta2O5)、氧化锆(ZrO2)、氧化铌(Nb2O5)或氧化硅(SiO2)或它们的低氧化物。
27.根据权利要求23-26中任一项的涂层，其特征在于顶层的厚度等于或小于干涉层的厚度。
28.根据权利要求10-27中任一项的涂层，其特征在于干涉层的相邻单个层的折射值n具有的差值Δn为至少0.5，优选至少0.7。
29.根据权利要求1-28中任一项的涂层，其特征在于优选由氧化铝Al2O3组成的单个界面布置在
a)植入物或仪器的表面，
b)干涉层，
c)粘合层，和/或
d)顶层
之间作为扩散阻挡层或用于改进机械性能。
30.根据权利要求29的涂层，其特征在于扩散阻挡层具有的厚度为至少10nm，优选至少25nm。
31.根据权利要求29或30的涂层，其特征在于扩散阻挡层具有的厚度为最大1000nm，优选最大50nm。
32.根据权利要求1-31中任一项的涂层，其特征在于干涉层没有孔。
33.制备根据权利要求1-32中任一项的涂层的方法，其特征在于将植入物或仪器的表面通过PVD工艺(物理汽相沉积)，CVD工艺(化学汽相沉积)，溅射工艺—特别地也通过使用离子源或离子枪—或溶胶凝胶工艺，采用选自Mg、Si、Ta、Ti、Y、Zr、Al、Cr、Nb、V和Hf的原子涂覆。
34.根据权利要求33的方法，其特征在于在采用原子涂覆之前，为将表面清洁而将表面进行离子轰击，优选采用Ar-、O2-或N2-离子或其组合进行离子轰击。
35.根据权利要求33或34的方法，其特征在于将施加到表面上的干涉层采用O2，优选在循环空气回火炉中后氧化。
36.根据权利要求1-32中任一项的涂层用作扩散阻挡层用以防止或减少基材物质向人体的释放的用途。
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