FI115029B - Joint prosthesis - Google Patents

Joint prosthesis Download PDF

Info

Publication number
FI115029B
FI115029B FI973774A FI973774A FI115029B FI 115029 B FI115029 B FI 115029B FI 973774 A FI973774 A FI 973774A FI 973774 A FI973774 A FI 973774A FI 115029 B FI115029 B FI 115029B
Authority
FI
Finland
Prior art keywords
coating
diamond
artificial joint
artificial
diamond coating
Prior art date
Application number
FI973774A
Other languages
Finnish (fi)
Swedish (sv)
Other versions
FI973774A (en
FI973774A0 (en
Inventor
Asko Anttila
Reijo Lappalainen
Seppo Santavirta
Yrjoe T Konttinen
Original Assignee
Asko Anttila
Reijo Lappalainen
Seppo Santavirta
Yrjoe T Konttinen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Asko Anttila, Reijo Lappalainen, Seppo Santavirta, Yrjoe T Konttinen filed Critical Asko Anttila
Priority to FI973774A priority Critical patent/FI115029B/en
Publication of FI973774A0 publication Critical patent/FI973774A0/en
Publication of FI973774A publication Critical patent/FI973774A/en
Application granted granted Critical
Publication of FI115029B publication Critical patent/FI115029B/en

Links

Landscapes

  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Description

115029115029

TEKONIVELartificial joints

Keksinnön kohteena, on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osassa määritelty tekonivel.The invention relates to an artificial joint as defined in the preamble of claim 1.

Timantti- ja timantinkaltaisilla kalvoilla on 5 ominaisuuksia, jotka muistuttavat perinteisten luon-nontimanttien ominaisuuksia. Tällaisia ominaisuuksia ovat mm. kovuus, pieni kitkakerroin ja hyvä kulutuk-senkesto. Timanttipinnoite kestää muuttumattomana kaikissa emäksissä ja hapoissa. Edellä olevien ominai-10 suuksiensa ansiosta timantinkaltaiset pinnoitteet ja kalvot soveltuvat hyvin vaativiin korroosio- ja kulu-tusolosuhteieiin, esim. tekoniveliin.Diamond and diamond-like membranes have 5 characteristics that resemble those of traditional natural diamonds. Such features include e.g. hardness, low coefficient of friction and good wear resistance. The diamond coating is stable in all bases and acids. Due to their above properties, diamond-like coatings and films are well suited to demanding corrosion and wear conditions, e.g., artificial joints.

Nykymuotoinen lonkan tekonivelleikkaus on kuvattu vuonna 1961. Tämän jälkeen leikkaus on yleisty-15 nyt ja nykyisin maailmassa suoritetaan vuosittain noin 800 000 lonkan tekonivelleikkausta. Tekonivelleikkauksia tehdään maailmassa noin 2,3 miljoonaa vuosittain, näistä 1,6 miljoonaa on tekolonkkia tai tekopolvia. Esim. lonkan tekonivelen ensivuosien kiinnipysyvyys on 20 yleensä hyvä ja 10 vuoden kuluessa uusintaleikkauksia on tehty n. 10-13 %:lle ja todennäköisesti irtoamisia on noin kaksi kertaa enemmän. Tekonivelen irtoamis-frekveassi kasvaa jyrkästi kymmenen vuoden jälkeen ja IS vuoden kuluttua valtaosa tekonivelistä on irronnut.The current form of hip replacement surgery was described in 1961. Since then, surgery has become more common-15 nowadays and around 800,000 hip replacements are performed each year worldwide. Around 2.3 million artificial joints are performed worldwide each year, of which 1.6 million are artificial or artificial knees. For example, the first 20 years of hip replacement joint adhesion are generally good and within 10 years about 10-13% of re-operations have been performed and probably more than twice as many detachments. After ten years, the frequency of artificial joint release increases sharply, and after one year most of the artificial joints have been detached.

.. 25 Tekonivelen kulumisen lisäksi pulmana on tekonivelen • ·· ja luun erilainen elastisuus... 25 In addition to wear and tear on the artificial joint, the problem is the different elasticity of the artificial joint • ·· and bone.

Hyvään tekonivelen kiinnittymiseen viitataan termillä osseointegraatio. Se edellyttää, että luu- :·. implanttirajapintaan muodostuu adhesiivisen soluväli- 30 aineen makromolekyylejä, joilla implantti kiinnittyy ' luuhun. Toistaiseksi näitä väliaineita ei kunnolla tunneta. Eräs keskeinen vaikeus on se, että parhaatkin metalliset tekoni velmateriaalit liukenevat ainakin • : hiukan, kehon nesteissä (esim. CoCrMo liukenee noin 50 / . 35 nm/vuodessa) , jolloin luun ja tekonivelen rajapintaan ei pääse muodostumaan stabiilia kiinnityskerrosta. Ke-raamit (esim. Αΐ5θ3 ja Y-Zr02) eivät liukene kehon nes 2 115029 teissä, mutta ne ovat hauraita ja eivät yleensä sovellu tekonivelten luuhun kiinnittyviin osiin huonon joustavuutensa vuoksi.Good adhesion of the artificial joint is referred to as osseointegration. It requires that:. the implant interface forms macromolecules of an adhesive cellular medium that attaches the implant to the bone. So far, these media are not well known. One major difficulty is that even the best metallic artificial materials dissolve at least: • slightly in body fluids (e.g., CoCrMo dissolves at about 50/35 nm / year), which prevents the formation of a stable adhesive layer at the bone-artificial joint interface. Ke-frames (e.g., Αΐ5θ3 and Y-ZrO2) do not dissolve in the body 2 115029 of the body, but they are brittle and are generally not suitable for bone-bonding parts of the artificial joints due to their poor elasticity.

Irtoamista on pyritty vähentämään kehittämäl-5 la titaanipohjaieia, osin rosopintaisia tekonivelkom-ponentteja, jotka kiinnittyvät luuhun ilman metyylime-takrylaatti-väliainetta. Titaani on elastisuus- ja ku-dosyhtaensopivuusominaisuuksiltaan erinomainen kappa-lemuodqssa, mutta sen pehmeyden vuoksi luun ja 10 implantin välinen liike irroittaa ajan kuluessa valtavasti yleensä mikronia pienempiä titaanlhiukkasia, jotka värjäävät makroskooppisesti tekolonkkaa ympäröivät kudokset mustaksi ja käynnistävät tekolonkan irtoamiseen johtavan patobiologisen prosessin. Tämän eh-15 käisemtseksi on käytetty mm. tekolonkan kuppiosan ja varsiosan rosoisten tarttumapintojen päällystystä hyd-roksiapatiitilla, jolla on kuitenkin taipumus pitkän ajan kuluessa resorboitua, mikä aiheuttaa kiinnityksen pettämisen.Efforts have been made to reduce release by developing titanium-based, partially rosin-based, artificial joint components that adhere to bone without methylmethacrylate medium. Titanium has excellent elasticity and tissue compatibility properties in the kappa form, but due to its softness, the movement between bone and 10 implants over time removes huge amounts of generally smaller microns of titanium, which macroscopically stains the lymphoid tissue and initiates the process. This eh-15 camshaft has been used e.g. coating the jagged gripping surfaces of the artificial hip cup portion and the stem portion with hydroxyapatite, which, however, tends to be resorbed over a long period of time, resulting in adhesion failure.

20 Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut epäkohdat.It is an object of the present invention to overcome the above drawbacks.

Erityisesti keksinnön tarkoituksena on tuoda esiin tekonivel, jonka timanttipinnoite parantaa luuhun kiinnittymistä. Koska timantti on bioyhteensopiva :· 25 materiaali, se kiinniittyy hyvin luuhun leikkauksen jälkeen eikä aiheuta hylkimisreaktioita. Luun ja ti-manttikalvon välille muodostuu stabiili kiinhitysker-ros, joka ei tuhoudu kudosreaktioiden seurauksena.In particular, it is an object of the invention to provide an artificial joint whose diamond coating enhances bone adhesion. Because the diamond is biocompatible: · 25 materials, it adheres well to the bone after surgery and does not cause rejection. A stable adhesive layer is formed between the bone and the tympanic membrane, which is not destroyed by tissue reactions.

Edelleen keksinnön tarkoituksena on tuoda ; 30 esiin tekonivel, jonka timanttipinnoite suojaa tekoni- '.· : veltä korroosiolta ja kulumiselta.It is a further object of the invention to provide; 30 reveals an artificial joint whose diamond coating protects against artificial corrosion and wear.

Lisäksi keksinnön tarkoituksena tuoda esiin !· tekonivel, jonka timanttipinnoite on joustava ja kes tää tekonivelen osissa käytössä ilmenevät rasitukset.It is a further object of the invention to provide: · an artificial joint whose diamond coating is flexible and withstands the stresses occurring in use on parts of the artificial joint.

35 Keksinnön mukaiselle tekonivelelle on tunnus- * * * • omaista se mitä on esitetty patenttivaatimuksessa 1.The artificial joint according to the invention is characterized by the features * * * as set forth in claim 1.

3 1150293, 115029

Keksinnön mukaisesti timanttipinnoite on amorfinen ja sisältää pääasiassa hiiltä, jonka sidoksista vähintään 30 % on timantinkaltaisia sp3 sidoksia.According to the invention, the diamond coating is amorphous and contains predominantly carbon, of which at least 30% of the bonds are diamond-like sp3 bonds.

Tekonivelen pinnoite on amorfinen timantti-5 tai timantinkaltainen kalvo. Pinnoite sisältää pääasiassa hiiltä ja merkittävä määrä, yli 30 %, hiilen sidoksista on timantinkaltaisia sp3 sidoksia. Pinnoite peittää ainakin sen osan tekonivelestä, joka joutuu kosketuksiin kehon kudosten ja/tai nesteiden kanssa. 10 Amorfinen pinnoitekalvo on tiivis, koska se on ei-kiteinen eikä siinä ole raerajoja eikä huokosia. Pinnoitteen kulumiskestävyyttä parannetaan kasvattamalla hiilen sp3 sidosten osuutta. Eräissä pinnoitetuissa tekonivelen osissa on edullisesti vähintään 70 % hii-15 Ien sidoksista timantinkaltaisia sp3 sidoksia.The artificial joint coating is an amorphous diamond-5 or diamond-like membrane. The coating consists predominantly of carbon and a significant proportion, over 30%, of the carbon bond contains diamond-like sp3 bonds. The coating covers at least a portion of the artificial joint that is in contact with body tissues and / or fluids. 10 The amorphous coating film is dense because it is non-crystalline and has no grain boundaries or pores. The wear resistance of the coating is improved by increasing the proportion of carbon sp3 bonds. Some coated artificial joints preferably have at least 70% carbon-15 bonds having diamond-like sp3 bonds.

Tekonivelen eräässä sovelluksessa timanttipin-noitteen paksuus on vähintään 100 nm, edullisesti 500 -1000 nm. Eräissä pinnoituskohteissa pinnoite voi olla myös merkittävästi paksumpi, jopa kymmeniä mikrometre-20 jä.In one embodiment of the artificial joint, the diamond coating has a thickness of at least 100 nm, preferably 500 to 1000 nm. In some coating applications, the coating may also be significantly thicker, up to tens of micrometres in length.

Tekonivelen eräässä sovelluksessa pinnoitettavan pinnan ja timanttipinnoitteen väliin on muodostettu ,/* välikerros timanttipinnoitteen kiinnittymisen paranta- .miseksi. Pinnoite muodostuu vähintään yhdestä kerrok-25 sesta. Pinnoite voidaan tehdä ilman välikerrosta eli välikalvoa tai sopivan välikalvon ja/tai sekoitusker- > roksen päälle. Useimmiten pinnoite tehdään välikerroksen päälle. Kerrokset voidaan valmistaa useista eri * * i ' materiaaleista ja/tai niiden sekoituksista muodostu- 30 vista kerroksista. Sopivia välikerroksen metalleja kiinnittymisen ja korroosion kannalta ovat Cr, Ta ja Pt. Pinnoitteessa käytettävät välikerrosmateriaalit kestävät kehon korrodoivan ympäristön.In one embodiment of the artificial joint, an intermediate layer is formed between the surface to be coated and the diamond coating to improve adherence of the diamond coating. The coating consists of at least one layer. The coating may be applied without an interlayer, i.e. an interlayer, or over a suitable interlayer and / or mixing layer. In most cases, the coating is applied over the interlayer. The layers may be made of a plurality of layers of various materials and / or mixtures thereof. Suitable interlayer metals for adhesion and corrosion include Cr, Ta and Pt. The interlayer materials used in the coating withstand the corrosive environment of the body.

,Pinnoitettava tekonivel koostuu luuhun kiin-35 nittyvästä kiinnitysosasta eli varsiosasta ja kiinni-V * tysosan päähän kiinnittyvästä enemmän tai vähemmän ,;‘U pallonmuotoisesta pallo-osasta sekä kuppiosasta. Kek- 4 115029 sinnön mukainen tekonivel voi olla esim. lonkan, polven, sormien, ranteen, kyynärpään, olkapään tai leuan tekonivel. Tekonivelissä on mahdollista käyttää alalla tunnettuja tekonivelmateriaaleja. Tekonivelen osat 5 voivat olla metallista, keraamisesta aineesta tai muovista sekä näiden yhdistelmistä valmistettuja. Esimerkkejä tekonivelissä käytettävistä metalleista ovat Ti, AI, V, Cr, Co ja/tai Mo. Tekonivelen kiinnityspin-ta on tasainen tai yleisimmin huokoinen karhennettu 10 tai rosoinen metallipinta, joka on valmistettu metalli jauheesta tai palloista.The coated artificial joint consists of a bone attachment part, i.e. a shaft part, and a more or less attachment end of the V * attachment part, a 'U spherical ball part and a cup part. The artificial joint of the invention may be, for example, a hip, knee, fingers, wrist, elbow, shoulder or jaw. Synthetic joint materials known in the art can be used in artificial joints. The artificial joint members 5 may be made of metal, ceramic or plastic and combinations thereof. Examples of metals used in artificial joints are Ti, Al, V, Cr, Co and / or Mo. The artificial joint attachment surface is a flat or most porous roughened 10 or jagged metal surface made of metal powder or spheres.

Timantti- tai timantinkaltäinen pinnoite voidaan kasvattaa tekonivelen pintaan monilla eri menetelmillä. Seuraavassa kuvattujen esimerkkien tapauk-15 sessa amorfinen timanttipinnoite (pinnoitteesta käytetään kirjallisuudessa myös nimityksiä timantinkaltäinen pinnoite, diamond-like carbon DLC ja ta-C, tetrahedral amorphous carbon) kasvatettiin PVD-menetelmiin kuuluvalla pulssitetulla plasmakaaripurkausmenetelmäl-20 lä. Menetelmän etuna on mm. hyvä pinnoitteen kiinnipy-syvyys, alhainen pinnoituslämpötila (lähes huoneenlämpötila) ja huippulaatuinen pinnoite, joka vastaa ominaisuuksiltaan lähes luonnon timanttia. Menetelmällä :* pystytään kasvattamaan useimpien kiinteiden aineiden 25 päälle jopa useiden mikrometrien paksuisia pinnoitteita. Muista vastaavan tyyppisistä amorfisten timantti-kalvojen pinnoitukseen käytetyistä menetelmistä mainittakoon ionisuihkupinnoitus ja laserablaatiomenetel-mä. Lisäksi on olemassa monia eri kemialliseen kaasu-30 faasikasvatukseen (CVD) perustuvia menetelmiä, jotka tosin vaativat useimmiten huomattavasti korkeamman pinnoituslämpötilan ja esim. rautapitoisten metalliseosten pinnoitus ei yleensä onnistu.A diamond or diamond-like coating can be applied to the artificial joint surface by a variety of methods. In the case of the examples described below, the amorphous diamond coating (also referred to in the literature as diamond-like coating, diamond-like carbon DLC and ta-C, tetrahedral amorphous carbon) was grown by the pulsed plasma arc discharge method of PVD. The advantage of the method is e.g. good coating adherence, low coating temperature (near room temperature), and high quality coating with almost natural diamond properties. The method: * can coat coatings up to several micrometers thick on most solids. Other similar methods of coating amorphous diamond films include ion beam deposition and laser ablation. In addition, there are many different methods based on chemical gas phase (CVD) cultivation, which, however, most often require a significantly higher coating temperature and, for example, the coating of ferrous alloys is generally unsuccessful.

Timanttipinnoitteella pinnoitettu tekonivelen 35 pinta ei juuri kulu mekaanisen liikkeen tai korroosion seurauksena, jolloin irtoavien partikkelien määrä pienenee merkittävästi ja luuhun kiinnittyminen paranee 5 115029 ' ja kiinnityskerros tekonivelen ja luun välillä on stabiili. Myös mahdollisten irtoavien partikkelien kudos-yhteensopivuus on parempi kuin nykyisten materiaalien tapauksessa. Tämä johtaa uusintaleikkaustarpeen vähe-5 nemiseen.The diamond coated surface of the artificial joint 35 does not wear much due to mechanical movement or corrosion, whereby the amount of loose particles is significantly reduced and bone adhesion is improved and the adhesion layer between the artificial joint and bone is stable. The tissue compatibility of any detachable particles is also better than with existing materials. This results in a reduction in the need for re-surgery.

Seuraavassa keksintöä selostetaan yksityiskohtaisesti esimerkkien avulla viitaten oheiseen piirustukseen, jossa kuva 1 esittää keksinnön mukaisen tekonivelen 10 erästä ensimmäistä sovellutusta eli eläinkokeissa käytettyä kanin lonkkaimplanttia, joka on varustettu keksinnön mukaisella timanttipinnoitteella, kuva 2 esittää keksinnön mukaisen tekonivelen erästä toista sovellutusta eli modulaarista ihmisen 15 lonkan tekoniveltä osittain leikattuna, kuva 3 esittää keksinnön mukaisen tekonivelen ! erästä kolmatta sovellutusta eli polvitekonivelen rei siluun puoleista metallista osaa, ja kuva 4 esittää kaaviomaisesti leikkausta IV-20 IV kuvasta 3.The invention will now be described in detail by way of example with reference to the accompanying drawing, in which Fig. 1 shows a first embodiment of an artificial joint of the invention, i.e. a rabbit hip implant used in animal experiments 3 is a sectional view showing an artificial joint according to the invention! a third embodiment, i.e., a metal portion of the knee-joint joint perforation, and Figure 4 schematically shows an IV-20 IV of Figure 3.

Esimerkki. A.,.Example. A.,.

Tässä esimerkissä testattiin pinnoitettua te-kolonkan varsiosaa 1 kaneilla. Tekolonkan varsiosa 1 on esitetty kuvassa 1. Varsiosa 1 on valmistettu ti-25 taaniseoksesta (Ti6Al4V) ja varsi on joko sileä tai huokoinen. Testissä pinnoitettiin 10 kpl sileitä ja 10 !. , kpl huokoisia varsiosia kauttaaltaan noin 300-1000 nm: n paksuisella amorfisella timanttipinnoitteella ·' ’ käyttäen pinnoituksessa pulssitettua plasmakaaripurka- I * ‘ 30 usmenetelmää. Samalla pinnoitettiin myös tekonivelen pallo-osa 6. Ennen pinnoitusta kaupallisesti valmiste-tut inplantit pestiin asetonilla ja etanolilla ja puh-: distettiin juuri ennen pinnoitusta Ar- ’ : ionisputteroinnilla. Implanttien kiinnittymistä tes- 35 tattiin operoimalla timanttipinnoitetut puoliproteesit New Zealand White -kaneille. 52 viikkoa kestäneen seu-'-· rannan jälkeen kanit lopetettiin ja proteesit ympäröi- 6 115029 vine kudoksineen otettiin testinäytteiksi. Näytteiden perusteella timanttipinnoitetut implantit olivat kiinnittyneet hyvin, eikä luun- ja implantin välisessä rajapinnassa esiintynyt merkkejä vierasainereaktioista.In this example, the coated te column column part 1 was tested in rabbits. The shaft portion 1 of the artificial hip is shown in Figure 1. The shaft portion 1 is made of Ti-25 alloy (Ti6Al4V) and the shaft is either smooth or porous. In the test, 10 smooth and 10! , porous shaft portions with an amorphous diamond coating · '' throughout about 300-1000 nm using a pulsed plasma arc discharge I * '30 method. At the same time, the spherical joint spherical part 6 was also coated. Prior to coating, commercially available implants were washed with acetone and ethanol and purified just prior to coating by Ar-'ion-sputtering. Implant adhesion was tested by operating diamond-coated half-prostheses on New Zealand White rabbits. After a 52-week follow-up beach, rabbits were sacrificed and prostheses with surrounding tissue were taken for test. On the basis of the samples, the diamond-coated implants were well adhered to and showed no signs of foreign material at the bone-implant interface.

55

Esimerkki 2,Example 2

Kuva 2 esittää ihmiselle tarkoitettua modulaarista lonkan tekoniveltä, joka koostuu kiinnitys-eli varsiosasta 1, varren kartiomaiseen kiinnityspää-10 hän 5 kiinnittyvästä pallo-osasta 6 ja UHMWPE-muovista valmistetusta kuppiosasta 7. Varsiosa on valmistettu titaaniseoksesta (Ti6Al4V) ja varren yläpäähän, joka on kiinnittymisen kannalta oleellisin kohta, on valmistettu karhea osa pinnoittamalla se raemaisella ti-15 taanimetallilla. Varsi on mahdollista pinnoittaa myös kokonaan raemaisella titaanimetallilla. Varsi on kaupallisesti valmistettu (Biomet). Varsi pinnoitettiin kuten esimerkissä 1 500-1000 nm:n paksuisella amorfi sella timanttipinnoitteella. Pinnoite on testattu kor-20 roosion ja kulumisen kannalta ja se toimi hyvin. Varsiosan kartiomainen pää, johon pallo kiinnittyy pinnoitettiin myös em. pinnoitteella, jolloin kiinnityskohta saatiin suojattua korroosiolta. Tällainen varsi soveltuu käytettäväksi myös kliinisissä kokeissa pie-: .. 25 neliä ihmisjoukolla, jolloin saadaan testattua implan- tin kiinnittymistä ja liikettä todellisissa olosuh-teissä.Figure 2 shows a human modular hip joint joint consisting of an attachment part 1, an arm conical attachment head 10, a 5 attachment ball part 6 and a UHMWPE plastic cup part 7. The arm part is made of a titanium alloy (Ti6Al4V) with an upper arm the most important point for adhesion, the rough part is made by coating it with granular Ti-15 Danish metal. It is also possible to completely coat the shaft with granular titanium metal. The stem is commercially manufactured (Biomet). The stem was coated as in Example 1500 with a 1000 to 1000 nm amorphous diamond coating. The coating has been tested for corrosion resistance and corrosion and worked well. The conical end of the arm portion to which the ball attaches was also coated with the above coating, whereby the attachment point was protected from corrosion. Such a shaft is also suitable for use in clinical trials with a population of about 25 squares, which allows the implant to be tested for adhesion and movement under real conditions.

• » !;·. Esimerkki 3.• »!; ·. Example 3.

30 Kuva 3 esittää polvitekonivelen reisiluun puoleista metallista osaa. Tämän metalliosan luuta ;;; vasten olevalla kiinnityspinnalla 1 on pallomaisesta30 Figure 3 shows a metal part of the femoral side of the knee joint. The bone of this metal part ;;; the engaging surface 1 has a spherical shape

CoCr-pulveristä valmistettu pinnoite. Myös tässä tapa-,· uksessa kiinnittymistä pystytään parantamaan timantti- 35 pinnoitteella. Pinnoitus voidaan tehdä joko ilman vä-likalvoa tai sopivan välikalvon tai sekoituskerroksen 4 avulla. Sopivia metalleja välikerrokseen 4 CoCr- 7 115029 pohjaisten tekonivelmateriaalien tapauksessa ovat esim. Cr ja Ta. Korroosiotestien perusteella pinnoite pysyy hyvin kiinni ja suojaa myös taustamateriaalia korroosiolta.CoCr powder coating. Here, too, the adhesion can be improved with a diamond 35 coating. The coating may be carried out either without the interlayer or with a suitable interlayer or mixing layer 4. Suitable metals for the intermediate layer 4 in the case of CoCr-7 115029 based artificial joints are, for example, Cr and Ta. Based on the corrosion tests, the coating sticks well and also protects the backing material against corrosion.

55

Esimerkki 4.Example 4.

Kokeessa käytettiin lonkan ja polven tekoniveliä ja kuulia tai näytelevyjä, jotka oli valmistettu CoCrMo-metalliseoksesta, ruostumattomasta teräksestä 10 AISI316L tai AISI420, Ti6Al4V seoksesta tai alumiinioksidista.Hip and knee artificial joints and balls or specimen plates made of CoCrMo alloy, stainless steel 10 AISI316L or AISI420, Ti6Al4V alloy or alumina were used in the experiment.

Ennen pinnoitusta näytteet hiottiin mekaanisesti ja kiillotettiin timanttipastalla, jolloin pinnan karheudeksi saatiin Ra=10 nm (center line avera-15 ge), pestiin asetonilla ja etanolilla, kuivattiin, asetettiin pinnoituskammioon (100 μΡη) ja puhdistettiin juuri ennen pinnoitusta Ar-ionisputteroinnilla. Implantin pinnalle muodostettiin 10 - 100 nm tiheä vä-limetallikerros käyttäen pulssitettua plasmakaaripur-20 kauspurkausmenetelmää. Joissain tapauksissa timantti-pinnoitus suurella ionienergialla (140 eV) sai aikaan äärimmäisen hyvän adheesion ilman välikerrosta. Pinnoitteen hiilen sp3 sidosten osuus oli alle 50 % suu-' rella ionienergialla. Pinnoitteen optimi laatu (80% I . 25 sp3) saavutettiin kun pinnoitusta jatkettiin alemmilla ioniplasman energioilla. Tällä laadukkaalla kalvolla on kuitenkin korkea sisäinen jännitys, esimerkiksi 2 μτη:η timanttipinnoite piisubstraatilla tuhoaa piin 25 μm syvyydeltä ja pinta kuoriutuu pois. Täten hyvään 30 kiinnittyvyyteen tarvitaan yleensä kunnon välikerrok set ja/tai timanttipinnoituksen aloittaminen korkealla ; energialla.Prior to coating, the samples were mechanically polished and polished with a diamond paste to obtain a surface roughness of Ra = 10 nm (center line Avera-15 ge), washed with acetone and ethanol, dried, placed in a coating chamber (100 μΡη) and purified just prior to coating by Ar ionization. A 10-100 nm dense intermetallic layer was formed on the implant surface using a pulsed plasma arc purge extrusion method. In some cases, diamond plating with high ion energy (140 eV) resulted in extremely good adhesion without the interlayer. The carbon sp3 bonds of the coating had a proportion of less than 50% with high ion energy. The optimum coating quality (80% I.25 sp3) was achieved when the coating was continued with lower ion plasma energies. However, this high quality film has a high internal tension, for example a 2 μτη: η diamond coating on a silicon substrate destroys silicon at a depth of 25 μm and peel off the surface. Thus, good bonding generally requires a proper interlayer and / or the initiation of a high diamond coating; energy.

·' Pulssitetulla plasmakaaripurkauspurkausmene- ’,· telmällä valmistetut pinnoitekalvot ovat erittäin puh- ·. 35 taita, timanttipinnoitteen vetypitoisuus on alle 0,1 at.% (FRES-menetelmä) ja kokona ispuhtaus on yli 99 at.%.· 'Pulsed plasma arc discharge process', · coated films are extremely clean. 35, the diamond coating has a hydrogen content of less than 0.1 at.% (FRES method) and a total purity of more than 99 at.%.

8 1150298 115029

Pinnoitettujen tekonivelten korroosiokestä-vyys parani jo ohuella pinnoitteella jopa 3600 kertaiseksi. Merkittävin parannus saatiin aikaan pinnoitettaessa Ti6Al4V seosta.The corrosion resistance of coated artificial joints was already improved by up to 3,600 times with a thin coating. The most significant improvement was achieved by coating the Ti6Al4V alloy.

5 Kokeessa timanttipinnotteita valmistettiin myös Si-substraatille separoidulla pulssitetulla plas-makaaripurkauspurkausmenetelmällä käyttäen eri pulsseja: a) lyhyttä pulssia (30 μβ) käyttäen saatiin korkean laadun timanttipinnoitteita (sp3 osuus « 80%); b) 10 pitkää pulssia (1 ms) käyttäen saatiin keskinkertaisen laadun timanttipinnoitteita (sp3 osuus » 70%); c) ; ja d) pitkää pulssia ja N-kaasu sytytystä käyttäen saatiin keskinkertaisen laadun timanttipinnoitteita (sp3 osuus « 54%). Pinnoitteiden kulutuskestävyys laski sp3 15 osuuden laskiessa.In the experiment, diamond coatings were also prepared on a Si substrate by a pulsed plasma macar discharge discharge method using different pulses: (a) high quality diamond coatings (sp3 content <80%) were obtained using a short pulse (30 μβ); b) Using 10 long pulses (1 ms), medium quality diamond coatings were obtained (sp3 ratio> 70%); c); and d) Medium quality diamond coatings were obtained using a long pulse and N-gas ignition (sp3 content <54%). The wear resistance of the coatings decreased with the decrease of sp3 15.

Vastakappaleen materiaalin pinnan karheuden vaikutusta UHMWPE-.n kulumiseen ja kitkaan tutkittiin timanttipinnoitetuilla ja pinnoittamattomilla pallo-osilla ja testikuulilla, joiden materiaali oli alumii-20 nioksidi ja AISI420. Sekä kitkakerroin että kulumisti-lavuus pienenivät selvästi karheuden pienetessä. Esimerkiksi pinnoitettaessa AISI420 pallo-osat noin 500 nm timanttipinnoitekalvolla ja kiillottamalla osaa .. palloista 1/4 μπι timanttipastalla pinnankarheus laski : ·· 25 46 nm:sta 7 nm:in ja UHMWPE-kuppiosan kuluminen piene- • .. ni noin 30 %. Paksummilla ja karheilla pinnoilla pin- : nankarheuden vaikutus oli vielä suurempi. Pinnoitteet pienensivät myös merkittävästi, jopa 50 - 600 kertai-. . sesti, UHMWPE:n kulumista.The effect of the surface roughness of the mating material on the wear and friction of UHMWPE was investigated with diamond-coated and uncoated spheres and test balls made of alumina-20 and AISI420. Both the friction coefficient and the abrasion coefficient decreased significantly as the roughness decreased. For example, when coating the AISI420 spherical beads with about 500 nm diamond coating film and polishing some of the beads with 1/4 μπι diamond paste, the surface roughness decreased: ·· 25 from 46 nm to 7 nm and the wear of the UHMWPE cup member decreased by about 30%. On thicker and rough surfaces, the effect of surface roughness was even greater. Coatings also reduced significantly, up to 50-600 times. . UHMWPE wear.

30 Edellä olevien esimerkkien ja keksijöiden . suorittamien tähän astisten tutkimusten perusteella ;; tekonivelen muodoltaan vaihteleva pinta pystytään pin- ;’ noittamaan hyvin kiinnipysyvällä timantinkaltäisellä *,! kerroksella pulssitetulla plasmakaarimenetelmällä. Ti- 35 manttipinnoitettu pinta kestää hyvin kulutusta ja on luukudoksen erinomaisesti sietämä materiaali. Pinnoite ] ei muuta tekonivelen jousto-ominaisuuksia ja kestää 115029 9 tyypillisesti käytettävissä metallisissa tekonivelen osissa käytössä ilmenevät mekaaniset rasitukset. Pinnoitteesta mahdollisesti irtoavat partikkelit ovat myös luussa bioyhteensopivia. Tämän vuoksi ilman me-5 tyylimetakrylaattia kiinnitettävien, sementittömien tekonivelten rosoisten tarttumapintojen pinnoittaminen timanttikerroksella vaikuttaa kliinisten kokeidenkin perusteella toimivalta ratkaisulta. Tämän lisäksi ti-manttipinnoitteella saavutetaan laboratoriokokeidemme 10 perusteella merkittäviä etuja alhaisen kitkakertoimen ja hyvän kulutuskestävyyden vuoksi myös tekonivelten liukupinnoilla. Pinnoite pienentää merkittävästi esim. tyypillisesti tekonivelten metallisen osan vastakappaleena käytettävän suurimolekyylipainoisen polyeteenin 15 (UHMWPE) kulumista.30 The examples and inventors above. on the basis of studies carried out to date ;; the shape of the artificial joint can be pinched with a highly adherent diamond blade * ,! layer pulsed plasma arc method. The mantle-coated surface is well-resistant and is an excellent material for bone tissue. The coating] does not alter the elastic properties of the artificial joint and withstands the mechanical stresses encountered in the use of the typically used metal artificial parts of the joint. Any particles that may come off the coating are also biocompatible in bone. Therefore, the coating of diamond-bonded, non-cemented artificial joints with non-cemented, non-cemented artificial methacrylate, seems to be a valid solution based on clinical trials. In addition, the tantalum coating, based on our laboratory tests 10, provides significant advantages in terms of low friction coefficient and good abrasion resistance also on the sliding surfaces of artificial joints. The coating significantly reduces, for example, the wear of high molecular weight polyethylene 15 (UHMWPE), which is typically used as a counterpart for the metal part of artificial joints.

Keksinnön mukaisesti käytetty pinnoite parantaa käytössä olevien tekonivelten kiinnittymistä. Verrattuna nykyisin käytössä olevien tekonivelten käyttöikään timanttipinnoitetun tekonivelen käyttöikä kiin-20 nittymisen osalta on merkittävästi pitempi. Tekonivel-materiaalien pinnan vaadittavat ominaisuudet, bioyh- teensopivuus, korroosio- ja kulutuskestävyys ovat parempia kuin nyt käytössä olevilla materiaaleilla.The coating used according to the invention improves the adhesion of the artificial joints in use. Compared to the lifetime of currently used artificial joints, the lifetime of diamond-coated artificial joints with respect to adhesion is significantly longer. The required surface properties, biocompatibility, corrosion and abrasion resistance of artificial joints are better than those of the materials currently in use.

Keksijöiden tutkimusten perusteella myös te- · 25 konivelissä käytettävät muovit on mahdollista päällys- j > tää timanttipinnoitteella, mutta ne vaativat laminaat- tirakenteiden tai whiskereihin tai kuituihin perustu-vien komposiittien käyttöä.According to the inventors' researches, it is also possible to use plastics for use in machine joint joints with a diamond coating, but they require the use of laminate structures or composites based on whiskers or fibers.

Alan ammattimiehelle on selvää, että keksin- 30 nön eri sovellutusmuodot eivät rajoitu yksinomaan edelläesitettyihin esimerkkeihin, vaan ne voivat vaih- ;; della jäljempänä esitettävien patenttivaatimusten ; puitteissa I >It will be apparent to one skilled in the art that various embodiments of the invention are not limited solely to the above examples, but may alternate; the claims set forth below; framework I>

Claims (9)

115029 10 7115029 10 7 1. Tekonivel, johon kuuluu luuhun kiinnittyvä kiinnitysosa (1) , liukupintaosa (2) , jossa on nivelen liukupinta, välikerros (4), joka on muodostettu kiin-5 nitysosan, liukupintaosan ja/tai muun osan pintaan ti-manttipinnoitteen kiinnittymisen parantamiseksi, ja ti-manttipinnoite (3) , joka on muodostettu välikerroksen (4) pintaan pulssitetulla plasmakaaripurkausmenetel-mällä ja/tai ionisuihkulla, tunnettu siitä, että 10 välikerros (4) sisältää kromia (Cr), tantaalia (Ta) ja/tai platinaa (Pt) metallina, ja että timanttipin-noite (3) on amorfinen ja/tai nanokiteinen ja sisältää pääasiassa hiiltä, jonka sidoksista vähintään 30 % on timantinkaltaisia sp3 sidoksia.An artificial joint comprising a bone attachment portion (1), a sliding surface portion (2) having a joint sliding surface, an intermediate layer (4) formed on the surface of the attachment portion, the sliding surface portion, and / or the other portion to improve adhesion of the diamond coating; ti-mantle coating (3) formed on the surface of the intermediate layer (4) by a pulsed arc discharge method and / or ion beam, characterized in that the intermediate layer (4) contains chromium (Cr), tantalum (Ta) and / or platinum (Pt). metal, and that the diamond coating (3) is amorphous and / or nanocrystalline and contains predominantly carbon, of which at least 30% of the bonds are diamond-like sp3 bonds. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen tekonivel, tunnettu siitä, että timanttipinnoitteessa (3) vähintään 70 % hiilen sidoksista on timantinkaltaisia sp3 sidoksia.Artificial joint according to Claim 1, characterized in that at least 70% of the carbon bonds in the diamond coating (3) are diamond-like sp 3 bonds. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen te-2 0 konivel, tunnettu siitä, että timanttipinnoitteen (3) paksuus on vähintään 100 nm.Te-2 0 machine joint according to claim 1 or 2, characterized in that the diamond coating (3) has a thickness of at least 100 nm. , 4. Jonkin patenttivaatimuksista 1-3 mukainen ;*· tekonivel, tunnettu siitä, että timanttipinnoite ” (3) on muodostettu separoidulla pulssitetulla plasma- 25 kaaripurkausmenetelmällä, edullisesti käyttäen lyhyttä pulssia, kuten 30 μβ-.η pulssia.Artificial joint, characterized in that the diamond coating '(3) is formed by a separated pulsed plasma arc discharge method, preferably using a short pulse, such as a 30 μβ-.η pulse. 5. Jonkin patenttivaatimuksista 1-4 mukainen ; tekonivel, tunnettu siitä, että liukupintaosaan (2) kuuluu pallo-osa (6) ; että luuhun kiinnittyvässä ,3 0 kiinnitysosassa (1) on kiinnityspää (5) pallo-osan (6) kiinnittämistä varten; ja että timanttipinnoite (3) on muodostettu kiinnityspään (5) pintaan.A process according to any one of claims 1-4; an artificial joint, characterized in that the sliding surface part (2) comprises a ball part (6); that the bone attachment part (1) has an attachment head (5) for attaching the ball part (6); and that the diamond coating (3) is formed on the surface of the mounting head (5). ’· 6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen tekonivel, ·;··: tunnettu siitä, että tekoniveleen kuuluu kuppiosa .···, 35 (7), joka on sovitettu vastaanottamaan pallo-osan (6) sisäänsä; ja että timanttipinnoite (3) on muodostettu pallo-osan liukupintaan. 115029An artificial joint according to claim 5, characterized in that the artificial joint comprises a cup part · ···, 35 (7) adapted to receive the ball part (6); and that the diamond coating (3) is formed on the sliding surface of the sphere. 115029 7. Jonkin patenttivaatimuksista 1-6 mukaisessa tekonivel, tunnettu siitä, että kiinni-tysosa (1) on metallia, keräämiä, muovia ja/tai näiden komposiittia.Artificial joint according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the fastening part (1) is made of metal, collector, plastic and / or composite thereof. 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen tekonivel, tunnettu siitä, että kiinnitysosaan (1) kuuluu titaania (Ti), alumiinia (Ai), vanadiinia (V) , kromia (Cr), kobolttia (Co) ja/tai molybdeenia (Mo) .An artificial joint according to claim 7, characterized in that the fastening part (1) comprises titanium (Ti), aluminum (Al), vanadium (V), chromium (Cr), cobalt (Co) and / or molybdenum (Mo). 9. Jonkin patenttivaatimuksista 1-8 mukai-10 nen tekonivel, tunnettu siitä, että tekonivel on lonkan, polven tai sormen tekonivel. » ' » · • · • · 1 # t > i * 115029An artificial joint according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the artificial joint is a hip, knee or finger joint. »'» · • · • · 1 # t> i * 115029
FI973774A 1997-09-24 1997-09-24 Joint prosthesis FI115029B (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI973774A FI115029B (en) 1997-09-24 1997-09-24 Joint prosthesis

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FI973774 1997-09-24
FI973774A FI115029B (en) 1997-09-24 1997-09-24 Joint prosthesis

Publications (3)

Publication Number Publication Date
FI973774A0 FI973774A0 (en) 1997-09-24
FI973774A FI973774A (en) 1999-03-25
FI115029B true FI115029B (en) 2005-02-28

Family

ID=8549588

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
FI973774A FI115029B (en) 1997-09-24 1997-09-24 Joint prosthesis

Country Status (1)

Country Link
FI (1) FI115029B (en)

Also Published As

Publication number Publication date
FI973774A (en) 1999-03-25
FI973774A0 (en) 1997-09-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US7393589B2 (en) Dual layer diffusion bonded chemical vapor coating for medical implants
AU2002360511B2 (en) In-situ oxidized textured surfaces for prosthetic devices and method of making same
US9764061B2 (en) Method of providing a zirconium surface and resulting product
US10182924B2 (en) Prosthetic joint with articulating surface layers comprising ADLC
EP1923079B1 (en) Articular prothesis with a metallic part coated with wear resistant ceramic
US8932663B2 (en) Pyrocarbon coated bone implants
JP5753256B2 (en) Non-ferrous metal substrate suitable for wear-resistant orthopedic joints with nitride-based coating
WO2010077204A1 (en) Designed surfaces for use in medical implants or instruments
FI115029B (en) Joint prosthesis
JP2004530526A (en) Orthopedic joint prosthesis
US20130226307A1 (en) Coated endoprostheses and related systems &amp; methods
KR100392476B1 (en) Dlc coated implants composite and manufacturing method thereof
Martin Tribological Coatings for Biomedical Devices
JP2008099739A (en) Implant to which coating is applied with aluminum oxide and constituent
WO2023244438A1 (en) Medical implant and related methods
JPH08126695A (en) Biomedical implant member

Legal Events

Date Code Title Description
FG Patent granted

Ref document number: 115029

Country of ref document: FI