KR101415176B1

KR101415176B1 - 확산 경화 기술의 적용

Info

Publication number: KR101415176B1
Application number: KR1020087019592A
Authority: KR
Inventors: 팀 밴드; 하미쉬 포스터; 고든 헌터; 쉴레쉬 씨. 자니; 마크 모리슨; 비벡 파워; 아브라함 살레히; 제프 쉐아
Original assignee: 스미스 앤드 네퓨, 인크.
Priority date: 2006-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2014-07-04
Also published as: AU2012238259A1; JP5172703B2; KR20080093122A; CN101405424B; CA2636103A1; US10512544B2; CA2636103C; AU2012238259B2; WO2007084961A3; CN101405424A; AU2007205890B2; EP1994193A2; EP1994193A4; EP1994193B1; US20180042727A1; AU2015203048A1; US20080281429A1; AU2007205890A1; JP2009523580A; AU2015203048B2

Abstract

본 발명은 예를 들어 의료용 이식물 등의 장치 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이며, 상기 장치는 예를 들어 CoCr 등의 금속이나 금속 합금을 가지며, 비확산 경화 표면이나 대향 표면과 상이한 확산 경화 종을 가지는 확산 경화 표면과 접촉하는, 예를 들어 플라즈마 침탄화 표면 등의 확산 경화 금속 표면을 가진다.

확산 경화, 플라즈마, 침탄화, 질화, 산화, 붕소화, 금속 표면, 금속 합금

Description

확산 경화 기술의 적용 {APPLICATIONS OF DIFFUSION HARDENING TECHNIQUES}

본 발명은 다른 금속 표면과 접촉하는 금속 표면을 가지는 장치에 관한 것이다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 경질 대 경질(hard-on-hard) 의료용 이식물(implant)에 관한 것이다. 바람직하게, 본 발명은 금속이나 금속 합금 기판을 가지며 비침탄화된(non-carburized) 표면에 대해 관절 연결되는 침탄화된(carburized) 표면을 가지는 의료용 이식물에 관한 것이다.

의료용 이식물 재료, 특히 정형외과용 이식물 재료는 고강도, 내부식성 및 조직 친화성을 겸해야 한다. 이식물의 수명은 이식물을 받는 사람이 비교적 젊은 경우 특히 우선적으로 중요한데, 이식물이 환자의 일생 전체에 걸쳐 기능을 하는 것이 바람직하기 때문이다. 특정한 금속 합금은 필요한 기계적인 강도 및 생체 친화성을 갖기 때문에, 이러한 금속 합금은 이식 보철물(prosthesis)의 제작에 이상적이다. 이러한 합금에는 316L 스테인리스 스틸, 크롬-코발트-몰리브덴 합금(CoCr), 티타늄 합금, 및 최근에 하중 지지 및 비하중 지지 이식 보철물 제작에 가장 적합한 재료로 입증된 지르코늄 합금이 포함된다.

종래의 고관절부(hip) 이식물에서 CoCr 합금 대퇴부 두부(femoral head)는 폴리에틸렌에 대해서 관절 연결된다. 각각의 관절 연결 구성 요소의 상대적인 경 도 때문에, 이러한 종류의 이식물을 종래 기술에서는 종종 경질 대 연질(hard-on-soft) 이식물이라고 하며, CoCr 합금이 관절 결합의 경질 구성 요소이고 폴리에틸렌은 대응하는 연질 구성 요소이다. 이식물의 수명 기간 동안 폴리에틸렌의 마모는 경질 구성 요소의 마모보다 더 심하다. 폴리에틸렌 마모 잔해물은 골용해(osteolysis) 및 이식물의 헐거워짐으로 이어질 수 있다. 이러한 마모를 감소시키기 위해 종래 기술에서 상당한 노력들이 있었다. 접근 방법들 중 하나는 마모 특성을 개선시키기 위해 예를 들어 교차 결합(cross linking)에 의해 폴리에틸렌의 특성을 변화시키는 것이다. 또 다른 접근 방법은 대퇴부 두부의 특성을 변화시키는 것이다. 이러한 접근 방법은 데이빗슨(Davidson) 특허(미국 특허 제5,037,438호)에 개시되었다. 데이빗슨 특허는 폴레에틸린의 마모를 감소시키기 위해 산화 지르코늄 표면 사용을 권장하다. 이러한 접근법으로 폴리에틸렌의 마모를 상당히 감소시킬 수 있지만, 좀 더 내마모성인 이식물에 대한 요구가 증가되고 있다. 이러한 필요는 관절 교체후 정상적인 삶으로 되돌아가길 원하는 젊고 활동적인 환자로부터 발생된다. 젊고 활동적인 환자에게 필요한 또 다른 요건은 관절의 안정성이다. 통상적으로 해부학적으로 크기가 큰 관절은 작은 관절보다 더 안정적이다. 폴리에틸렌은 강도가 낮기 때문에 특정한 크기 이상으로 제조될 수 없으므로 젊고 활동적인 환자에 대한 사용이 제한된다. 이로 인해 경질 대 경질 금속 이식물이 출현하게 되었다.

현재, 주로 두 가지 종류의 경질 대 경질 고관절부 이식물이 상업적으로 판매되고 있다. 바로 [금속 합금 대 금속 합금(metal alloy-on-metal alloy)을 포함 하는] 금속 대 금속(metal-on-metal) 및 세라믹 대 세라믹(ceramic-on-ceramic)이다. 금속 대 금속 이식물의 현재 표준 재료는 고탄소 CoCr 합금이다. 금속 대 금속 이식물의 주요 문제점은 관절로부터 방출되는 금속 이온 및 신체 생리학에 알려지지 않은 영향이다. 금속 대 금속 이식물의 이점은 크기가 클 수 있다는 것이다. 이식물의 크기가 크면 운동 범위가 넓어지고 관절 안정성이 좀 더 나아질 수 있다. 금속 대 금속 이식물은 뼈의 보존을 원하는 타입의 응용 분야에서 재성형에 유용하다는 것이 밝혀졌다. 크기가 큰 관절에서, 종래의 또는 교차 결합된 폴리에틸렌은 바람직하지 않으며, 금속 대 금속만이 유일하게 가능한 선택 사항이다. 크기가 크면 폴리에틸렌 라이너(liner)는 얇아야 한다. 얇은 라이너는 기계적 강하지 않고, 더 잘 변형되거나 마모가 증가 및 골용해로 이어져서 결국에는 이식물이 파손된다. 통상적으로 경질 대 경질 이식물의 종류는 현격이 넓어질 수 있다. 금속이나 세라믹 또는 이들의 조합으로 만들어진 서로 관절 연결되는 구성 요소를 포함할 수 있다. 본원에서 경질이라는 용어는 금속이나 세라믹을 의미한다. 그러므로 "경질 대 경질(hard-on-hard)"은 금속 대 금속, 금속 대 세라믹, 및 세라믹 대 세라믹일 수 있다. 전술된 기재에서 "금속(metal)"은 순수한 금속과 금속 합금을 모두 포함한다.

기타 공통적으로 사용되는 경질 대 경질 관절은 세라믹 대 세라믹이다. 세라믹 대 세라믹 이식물의 현재 표준 재료는 알루미나이다. 통상적으로 금속 이온 방출은 이러한 이식물의 문제점이 아니다. 세라믹의 제한된 거칠기와 부서지기 쉬운 특성 때문에 이식물을 크게 만드는 것이 어렵다. 세라믹 구성 요소는 한정된 골절 가능성을 가지므로 잠재적으로 관절 파손 및 관절 골절과 관련된 복잡한 문제로 이어진다.

대부분의 종래 기술의 목적은 금속 이온 방출을 감소시키고, 금속과 세라믹 구성 요소를 조합하여 골절 위험을 최소화하는 것이다. 휘셔(Fisher) 등의 특허 출원(미국 특허 출원 제2005/0033442) 및 칸드카(Khandkar) 등의 특허(미국 특허 제6,881,229호)는 금속 대 세라믹 관절 연결을 가지는 이식물의 사용을 개시한다. 피셔 특허는 금속 구성 요소와 세라믹 구성 요소 사이의 경도 차이는 적어도 4000 MPa이라고 개시하고 있다. 칸드카 특허는 특히 금속 요소에 대해서 관절 연결되기 위한 질화 규소 세라믹 구성 요소의 사용을 개시한다. 두 가지 경우에서, 목적은 정합하는 결합의 마모를 낮추는 것이다. 하지만, 두 가지 경우에서 세라믹의 골절 위험성은 여전히 심각하다. 두 가지 경우, 세라믹 구성 요소의 강도는 관절이 제조될 수 있는 크기에 영향을 준다. 두 가지 경우에 있어서 금속 표면과 정합하는 것은 바로 세라믹 표면인 것에 주목해야 한다. 상세히 후술된 바와 같이, 본 발명의 목적은 두 가지 구성 요소 표면이 본질적으로 금속인 경우 정합하는 결합의 마모를 감소시키는 것이다. 다른 접근 방법에서 리핀콧(Lippincott) 및 메들리(Medley) 특허(미국 특허 제6,059,830)는 정합하는 고관절부 구성 요소에 기하학적인 제약을 가하는 것을 개시한다. 상기 '830 특허는 정합 구성 요소의 반경 차이가 50 마이크로미터 이하가 되도록 구성 요소를 사용하는 것을 개시한다. 이러한 반경의 작은 차이로 인해 두꺼운 유체 막 형성이 촉진되므로, 정합하는 금속 구성 요소의 마모가 감소된다. 이러한 방법의 단점은 그러한 기밀한 공차를 갖는 구 성 요소를 제조하기 위해서는 복잡한 제조 설비가 필요하다는 것이다.

저마모의 경질 대 경질 금속 결합에 관한 문제점은 의료용 이식물 분야에만 국한된 것이 아니라, 예를 들어 자동차 및 항공 구성 요소를 포함하여 기타 기술 분야에도 존재한다. 기타 베어링 응용 분야도 개선된 결합으로부터 이점을 얻게 된다.

본 발명의 발명자는 두 개의 접촉 표면, 특히 서로 관절 연결되는 접촉 표면들 중 하나의 표면을 상이하게 처리함으로써 마모 감소가 현격히 개선될 수 있기 때문에 전술된 지나친 제조 접근 방법은 필요하지 않다는 것을 발견하였다.

본 발명은 예를 들어 CoCr 등의 금속이나 금속 합금을 가지며, 비확산 경화 표면이나 대향 표면과 상이한 확산 경화 종을 가지는 확산 경화 표면과 접촉하는 예를 들어 플라즈마 침탄화 표면인 확산 경화 표면을 가지는 의료용 이식물 및 이를 제조하는 방법에 관한 것이다.

일 실시예에서, 본 발명은 제1 접촉 표면을 가지는 제1 부분과, 제2 접촉 표면을 가지는 제2 부분을 포함하는 장치이며, 제1 부분과 제2 부분은 금속이나 금속 합금으로 구성되고, 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면은 서로 접촉하고; 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나는 확산 경화 종으로 확산 경화된 확산 경화 금속 표면을 포함하며 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 다른 하나는 확산 경화되지 않은 금속 표면인 조건(a)과, 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 모두가 확산 경화 금속 표면을 포함하며 상기 제1 접촉 표면은 적어도 제1 확산 경화 종으로 확산 경화되고 상기 제2 접촉 표면은 적어도 제2 확산 경화 종으로 확산 경화되며, 상기 제1 확산 경화 종은 상기 제2 확산 경화 종과는 상이한 조건(b) 중 어느 하나의 조건을 만족하며, 상기 확산 경화 종은 탄소, 질소, 산소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 다른 실시예에서, 장치는 의료용 이식물이다. 일부 실시예에서, 상기 제1 부분을 포함하는 금속이나 금속 합금은 상기 제2 부분을 포함하는 금속이나 금속 합금과는 상이하다. 상기 장치의 일부 실시예에서, 금속이나 금속 합금은 CoCr이다. 상기 장치의 일부 실시예에서, 상기 접촉 표면들 중 하나 또는 이들 모두는 플라즈마 경화 표면을 포함한다. 상기 장치의 일부 실시예에서, 플라즈마 경화 표면은 플라즈마 침탄화 표면, 플라즈마 질화 표면, 플라즈마 산화 표면, 플라즈마 붕소화 표면 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 장치가 의료용 이식물인 일부 실시예에서, 의료용 이식물은 고관절부 이식물이다. 일부 고관절부 이식물 실시예에서, 상기 제1 부분과 제2 부분 중 하나는 접촉 표면을 갖는 대퇴부 두부를 포함하는 대퇴부 구성 요소이며, 상기 제1 부분과 제2 부분 중 다른 하나는 접촉 표면을 갖는 내측 표면을 포함하는 비구 구성 요소이다. 일부 고관절부 이식물 실시예에서, 상기 접촉 표면들 중 하나 또는 이들 모두는 플라즈마 경화 표면이다. 일부 고관절부 이식물 실시예에서, 상기 플라즈마 경화 표면은 플라즈마 침탄화 표면, 플라즈마 질화 표면, 플라즈마 산화 표면, 플라즈마 붕소화 표면 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 일부 의료용 이식물 실시예에서, 의료용 이식물은 무릎 이식물이다. 일부 무릎 이식물 실시예에서, 상기 제1 부분과 제2 부분 중 하나는 접촉 표면을 갖는 적어도 하나의 관절구를 포함하는 대퇴부 구성 요소이며, 상기 제1 부분과 제2 부분 중 다른 하나는 접촉 표면을 갖는 경골 구성 요소이다. 일부 무릎 이식물 실시예에서, 상기 접촉 표면들 중 하나 또는 이들 모두는 플라즈마 경화 표면을 포함한다. 일부 무릎 이식물 실시예에서, 상기 플라즈마 경화 표면은 플라즈마 침탄화 표면, 플라즈마 질화 표면, 플라즈마 산화 표면, 플라즈마 붕소화 표면 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 일부 의료용 이식물 실시예에서, 의료용 이식물은 어깨 이식물, 팔꿈치 이식물, 손가락 이식물, 척추 이식물, 및 악관절 이식물로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 상기 장치의 일부 실시예에서, 상기 제1 접촉 표면과 상기 제2 접촉 표면은 서로에 대해서 관절 연결된다. 상기 장치의 일부 실시예에서, 장치는 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 성막된 세라믹 코팅을 더 포함한다. 성막된 세라믹 코팅을 포함하는 상기 장치의 일부 실시예에서, 상기 성막된 세라믹 코팅은 세라믹 산화물, 세라믹 질화물, 세라믹 탄화물, 세라믹 붕소화물 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 상기 장치의 일부 실시예에서, 상기 장치는 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 다이아몬드나 다이아몬드 같은 탄소 코팅을 더 포함한다. 상기 장치의 일부 실시예에서, 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 모두는 확산 경화 금속 표면을 포함하며, 상기 제1 접촉 표면은 확산 침탄화 및 확산 산화되고, 상기 제2 접촉 표면은 확산 침탄화된다. 상기 장치의 일부 실시에서, 조건(b)이 적용되고, 상기 제1 접촉 표면을 위한 상기 확산 경화 종은 탄소, 질소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되며, 상기 제2 접촉 표면을 위한 상기 확산 경화 종은 탄소, 질소, 산소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되며, 상기 접촉 표면들 중 하나는 다른 접촉 표면에서의 확산 경하 종과 같지않는 확산 경화 종으로 확산 경화되는 조건을 겪게 된다. 상기 장치의 일부 실시예에서, 상기 확산 경화 종은 탄소, 질소, 산소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 상기 장치의 일부 실시예에서, 상기 장치는 자동차 또는 항공 장치이다.

다른 실시예에서, 본 발명은 제1 접촉 표면을 가지는 제1 부분과 제2 접촉 표면을 가지는 제2 부분을 포함하며 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면이 서로 접촉하는 장치를 금속이나 금속 합금으로 형성하는 단계와, 확산 경화에 의해 상기 장치에 확산 경화 금속 표면을 형성하는 단계를 포함하는 장치 제조 방법이며, 상기 확산 경화 단계는 탄소, 질소, 산소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 확산 경화 종으로 수행되며, 상기 확산 경화 단계는, 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나에만 확산 경화 금속 표면을 형성하기 위한 확산 경화 단계 (a), 또는 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 모두에 확산 경화 금속 표면을 형성하기 위한 확산 경화 단계 (b)로서, 상기 제1 접촉 표면은 적어도 제1 확산 경화 종으로 확산 경화되고, 상기 제2 접촉 표면은 적어도 제2 확산 경화 종으로 확산 경화되며, 상기 제1 확산 경화 종은 상기 제2 확산 경화 종과는 상이한, 확산 경화 단계(b)에 따라 수행된다. 일부 실시예에서, 장치 형성 단계는 의료용 이식물을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 제1 부분과 제2 부분을 포함하는 장치를 금속이나 금속 합금으로 형성하는 단계는 상이한 금속이나 금속 합금으로 상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 금속이나 금속 합금은 CoCr이다. 일부 실시예에서, 상기 확산 경화 단계는 플라즈마 경화를 포함한다. 의료용 이식물이 형성되는 일부 실시예에서, 상기 의료용 이식물 형성 단계는 고관절부 이식물을 형성하는 단계를 포함한다. 고관절부가 형성되는 일부 실시예에서, 상기 제1 부분과 제2 부분 중 하나는 비구 구성 요소이며, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 다른 하나는 대퇴부 구성 요소이다. 의료용 이식물이 형성되는 일부 실시예에서, 상기 형성 단계는 무릎 이식물을 형성하는 단계를 포함한다. 무릎 이식물이 형성되는 실시예에서, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 하나는 경골 구성 요소이며, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 다른 하나는 대퇴부 구성 요소이다. 의료용 이식물이 형성되는 일부 실시예에서, 상기 의료용 이식물 형성 단계는 어깨 이식물, 팔꿈치 이식물, 손가락 이식물, 척추 이식물, 및 악관절 이식물로 구성된 그룹으로부터 선택된 의료용 이식물을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 세라믹 코팅을 성막시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 다이아몬드나 다이아몬드 같은 탄소 코팅을 성막시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 모두에 확산 경화 금속 표면을 형성하기 위한 확산 경화 단계는, 상기 제1 접촉 표면에 확산 침탄화 표면과 확산 산화 표면을 형성하는 단계와 상기 제2 접촉 표면에 확산 침탄화 표면을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 단계 (b)가 적용되고, 상기 제1 접촉 표면을 위한 상기 확산 경화 단계는 탄소, 질소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 확산 경화 종으로 수행되고, 상기 제2 접촉 표면을 위한 상기 확산 경화 단계는 탄소, 질소, 산소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 확산 경화 종으로 수행되고, 상기 접촉 표면들 중 하나는 다른 접촉 표면의 확산 경화 종과 같지 않는 확산 경화 종으로 확산 경화되는 조건을 겪게된다. 일부 실시예에서, 확산 경화 금속 표면을 형성하기 위한 상기 확산 경화 단계는 탄소, 질소, 산소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 확산 경화 종으로 수행된다.

다른 실시예에서, 본 발명은 제1 접촉 표면을 가지는 제1 부분과, 제2 접촉 표면을 가지는 제2 부분을 포함하는 의료용 이식물이며, 제1 부분과 제2 부분은 금속이나 금속 합금으로 구성되고, 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면은 서로 접촉하고; 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나는 확산 경화 표면을 포함하며 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 다른 하나는 확산 경화되지 않는 조건(a)과, 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 모두가 확산 경화 표면을 포함하며 상기 제1 접촉 표면은 제1 확산 경화 종으로 확산 경화되고 상기 제2 접촉 표면은 제2 확산 경화 종으로 확산 경화되며, 상기 제1 확산 경화 종은 상기 제2 확산 경화 종과는 상이한 조건(b) 중 어느 하나의 조건을 만족하며, (a)와 (b)에서 확산 경화 표면은 확산 침탄화 표면과 확산 질화 표면으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 상기 제1 부분을 포함하는 금속이나 금속 합금은 상기 제2 부분을 포함하는 상기 금속이나 금속 합금과는 상이하다. 특정한 실시예에서, 금속이나 금속 합금은 CoCr이다. 특정 실시예에서, 확산 경화 표면은 플라즈마 경화 표면이다. 일부 실시예에서, 플라즈마 경화 표면은 플라즈마 침탄화 표면, 플라즈마 질화 표면, 및 플라즈마 침탄화와 플라즈마 질화가 모두된 표면으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 이식물은 고관절부 이식물이다. 고관절부 이식물의 특정 실시예에서, 제1 부분은 스템과 대퇴부 두부를 포함하는 대퇴부 구성 요소이며, 상기 대퇴부 두부는 상기 제1 접촉 표면을 포함하고, 상기 제2 부분은 비구 구성 요소이며, 상기 비구 구성 요소는 내측 표면을 포함하고, 상기 내측 표면은 상기 제2 접촉 표면을 포함한다. 고관절부 이식물의 특정 실시예에서, 확산 경화 표면은 플라즈마 경화 표면이다. 고관절부 이식물의 특정 실시예에서, 플라즈마 경화 표면은 플라즈마 침탄화 표면, 플라즈마 질화 표면, 및 플라즈마 침탄화와 플라즈마 질화가 모두된 표면으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 의료용 이식물은 무릎 이식물이다. 무릎 이식물의 특정 실시예에서, 제1 부분은 상기 제1 접촉 표면을 갖는 적어도 하나의 관절구를 포함하는 대퇴부 구성 요소이며, 상기 제2 부분은 상기 제2 접촉 표면을 갖는 경골 구성 요소이다. 무릎 이식물의 특정 실시예에서, 확산 경화 표면은 플라즈마 경화 표면이다. 무릎 이식물의 특정 실시예에서, 플라즈마 경화 표면은 플라즈마 침탄화 표면, 플라즈마 질화 표면, 및 플라즈마 침탄화와 플라즈마 질화가 모두된 표면으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 다른 실시예에서, 의료용 이식물은 어깨 이식물, 팔꿈치 이식물, 손가락 이식물, 척추 이식물, 및 악관절 이식물로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 특정 실시예에서, 제1 접촉 표면과 상기 제2 접촉 표면은 서로에 대해서 관절 연결된다. 일부 실시예에서, 이식물은 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 세라믹 코팅을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 이식물은 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 다이아몬드나 다이아몬드 같은 탄소 코팅을 더 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 본 발명은 제1 접촉 표면을 가지는 제1 부분과, 제2 접촉 표면을 가지는 제2 부분을 포함하는 의료용 이식물이며, 제1 부분과 제2 부분은 금속이나 금속 합금으로 구성되고, 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면이 서로 접촉하고; 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나는 확산 산화 표면을 포함하며 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 다른 하나는 확산 경화되지 않는 조건(a)과, 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나는 확산 산화 표면을 포함하며 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 다른 하나는 확산 침탄화, 확산 질화 또는 확산 침탄화와 확산 질화가 모두되는 조건(b) 중 어느 하나의 조건을 만족한다. 일부 실시예에서, 제1 접촉 표면과 상기 제2 접촉 표면은 서로 관절 연결된다. 특정 실시예에서, 금속이나 금속 합금은 CoCr이다. 일부 실시예에서, 의료용 이식물은 고관절부 이식물이다. 일부 실시예에서, 의료용 이식물은 무릎 이식물이다. 특정 실시예에서, 이식물은 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 세라믹 코팅을 더 포함한다. 일부 실시예에서, 의료용 이식물은 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 다이아몬드나 다이아몬드 같은 탄소 코팅을 더 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 본 발명은 제1 접촉 표면을 가지는 제1 부분과 제2 접촉 표면을 가지는 제2 부분을 포함하며 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면은 서로 접촉하는 의료용 이식물을 금속이나 금속 합금으로 형성하는 단계와, 상기 의료용 이식물을 확산 경화시키는 단계를 포함하는 의료용 이식물 제조 방법이며, 상기 확산 경화 단계는 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나만을 확산 경화시키는 단계 (a), 또는 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 모두를 확산 경화시키는 단계 (b)로서, 상기 제1 접촉 표면은 제1 확산 경화 종으로 확산 경화되고 상기 제2 접촉 표면은 제2 확산 경화 종으로 확산 경화되며 상기 제1 확산 경화 종은 상기 제2 확산 경화 종과는 상이한, 확산 경화 단계(b)에 따라 수행되며, (a)와 (b)에서의 확산 경화 표면은 확산 침탄화 표면과 확산 질화 표면으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 제1 부분은 상기 제2 부분과 상이한 금속이나 금속 합금을 포함한다. 특정 실시예에서, 금속이나 금속 합금은 CoCr이다. 특정 실시예에서, 확산 경화 단계는 플라즈마 경화 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 의료용 이식물 형성 단계는 고관절부 이식물을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 형성 단계는 무릎 이식물을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 의료용 이식물 형성 단계는 어깨 이식물, 팔꿈치 이식물, 손가락 이식물, 척추 이식물, 및 악관절 이식물로 구성된 그룹으로부터 선택된 의료용 이식물을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 세라믹 코팅을 성막시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 다이아몬드나 다이아몬드 같은 탄소 코팅을 성막시키는 단계를 더 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에서, 본 발명은 제1 접촉 표면을 가지는 제1 부분과 제2 접촉 표면을 가지는 제2 부분을 포함하며 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면이 서로 접촉하는 의료용 이식물을 금속이나 금속 합금으로 형성하는 단계와, 상기 의료용 이식물을 확산 경화시키는 단계를 포함하는 의료용 이식물 제조 방법이며, 상기 확산 경화 단계는 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나만을 확산 산화시키고 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 다른 하나는 확산 경화시키지 않는 단계 (a), 또는 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나는 확산 산화시키고 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 다른 하나는 확산 경화시키는 단계 (b)에 따라 수행되며, (b)에서의 확산 경화 단계는 확산 침탄화 표면 및 확산 질화 표면으로 구성된 그룹으로부터 선택된다. 일부 실시예에서, 상기 제1 부분은 상기 제2 부분과 상이한 금속이나 금속 합금을 포함한다. 특정 실시예에서, 금속이나 금속 합금은 CoCr이다. 일부 실시예에서, 확산 경화 표면은 플라즈마 경화 표면이고, 상기 확산 산화 표면은 플라즈마 산화 표면이거나 상기 확산 경화 표면은 플라즈마 경화 표면이고, 상기 확산 산화 표면은 플라즈마 산화 표면이다. 일부 실시예에서, 의료용 이식물 형성 단계는 고관절부 이식물을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 형성 단계는 무릎 이식물을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 의료용 이식물 형성 단계는 어깨 이식물, 팔꿈치 이식물, 손가락 이식물, 척추 이식물, 및 악관절 이식물로 구성된 그룹으로부터 선택된 의료용 이식물을 형성하는 단계를 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 세라믹 코팅을 성막시키는 단계를 더 포함한다. 일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 다이아몬드나 다이아몬드 같은 탄소 코팅을 성막시키는 단계를 더 포함한다.

전술된 사항은 본 발명의 상세한 설명이 좀 더 잘 이해되도록 하기 위해 본 발명의 특징과 이점을 폭넓게 설명하였다. 본 발명의 추가적인 본 발명의 청구 범위의 청구 대상을 형성하는 특징 및 이점이 후술될 것이다. 당업자라면 개시된 개념 및 특정 실시예가 본 발명의 동일한 목적을 수행하기 위한 다른 구조를 변경 또는 설계하기 위한 기초로 이용될 수 있음을 알아야 한다. 당업자는 그러한 균등의 구성이 청구 범위에 기재된 본 발명의 정신과 범위 내에 있음을 알아야 한다. 추가의 목적 및 이점과 함께 작동 방법 및 조직 모두에 관해서 본 발명의 특징으로 여겨지는 신규한 특징은 첨부된 도면을 참고할 때 하기의 설명으로부터 더 잘 이해될 수 있다. 그러나, 각각의 도면은 설명과 도시를 목적으로 하는 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 의도는 아님을 이해해야 한다.

본 발명을 더 완전히 이해하기 위해서, 하기 설명은 첨부된 도면을 참고한다.

도1은 고관절부 시뮬레이터에서 테스트된 애즈 캐스트 및 플라즈마 침탄화된 금속 대 금속 결합의 선형 마모를 도시한다.

도2는 애즈 캐스트 CoCr 합금 샘플의 침탄화 층의 금속 현미경 이미지를 도 시한다.

도3은 제위치의 고관절 인공 보철을 도시하는 개략도이다.

도4는 제위치를 벗어난 위치에 있는 통상적인 고관절 인공 보철을 도시하는 개략도이다.

도5는 제위치의 통상적은 무릎 관절 인공 보철을 도시하는 개략도이다.

도6은 제위치를 벗어난 위치에 있는 통상적인 무릎 관절 인공 보철을 도시하는 개략도이다.

본원에서 사용된 "하나(a 또는 an)"는 하나 이상을 의미한다. 다른 언급이 없거나 특별히 문맥상 명확한 경우를 제외하고 단수는 복수를 포함하며 복수는 단수를 포함한다.

본원에 사용된 용어 "관절 연결(articulating)"은 여러개의 의료용 이식물 표면을 의미할 때 1차적인 하중 지지 방식으로 서로 접촉하고 있는 표면을 의미한다. 본원에 사용된 용어 "접촉(contacting)"은 여러개의 의료용 이식물 표면을 의미할 때 (관절 연결 표면과 같이) 하중 지지 접촉 및 비하중 지지 접촉을 포함하여 이식물의 다른 표면과 접촉하는 이식물의 표면을 의미한다. 그러므로 "접촉 표면(contacting surface)"이란 "관절 연결 표면(articulating surface)"이라는 용어보다 더 넓은 의미이면서 이를 포함한다. 용어 "접촉"은 모든 형태의 접촉을 의미하며, 2차적인 하중 지지 방식의 접촉과 같이 중간 형태의 접촉도 포함한다. 이러한 의료용 이식물 표면을 접촉 표면이라고 한다. 이식물 표면이 다른 이식물 표면 에 대해서 이용되지만, 두 개의 표면이 서로에 대해서 접촉하는 표면이 되는 위치에 놓이는 것을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 의료용 이식물에서 표면이 접촉하는 것을 서로 "결합된다(coupled to)"라고 한다.

본원에 사용된 "이식물 부분(implant portion)"은 모든 의료용 이식물의 부분을 의미한다. 의료용 이식물의 이식을 부분은 별도의 (분리된) 부분이거나 단일 이식물 중 별도의 부분일 수 있다.

본원에 사용된 "확산 경화(diffusion hardening)"는 경화 종(hardening species)을 금속이나 금속 합금의 표면에 그리고 금속이나 금속 합금의 체적으로 확산시킴으로써 금속이나 금속 합금을 경화시키는 통상적인 기술을 의미한다. 확산 경화는, 기체, 액체 또는 고체 상태의 확산 경화 종이 통상적으로 상승된 온도에서 금속이나 금속 합금과 접촉하게 되는 "통상적인 확산 경화(conventional diffusioin hardening)"를 포함하며, 플라즈마에서 확산 경화 종이 금속이나 금속 합금에 종의 확산을 초래하도록 금속이나 금속 합금과 접촉하게 되는 "플라즈마 경화(plasma hardening)"를 포함한다. 본 발명의 확산 경화 종은 탄소, 질소, 붕소 및 산소로 제한된다. 그러므로, 본원에서 확산 경화는 결과적으로 침탄화 표면, 질화 표면, 산화 표면, 붕소화 표면 또는 이들의 조합이 된다. 본원에서 "플라즈마 경화(plasma hardened)"는 플라즈마 침탄화, 플라즈마 질화, 플라즈마 붕소화, 플라즈마 산화 또는 이들의 조합을 의미한다. "플라즈마 경화 표면(plasma hardened surface)"은 플라즈마 침탄화 표면, 플라즈마 질화 표면, 플라즈마 붕소화 표면, 플라즈마 산화 표면 또는 이들의 조합을 의미한다.

본원에 사용된 "확산 경화 금속 표면(diffusion hardened metallic surface)"은 표면에 세라믹 층의 형성을 방지하거나 확산 경화 공정 중에 형성된 세라믹 층을 제거하는 방식으로 확산 경화된 금속이나 금속 합금으로 정의된다. "확산 경화 세라믹 표면(diffusion hardened ceramic surface)"은 금속이나 금속 합금이 표면 세라믹 층을 형성시키는 확산 경화 공정을 겪을 때 발생되는 표면이다. 이러한 방식으로, 확산 경화 표면은 확산 경화 세라믹 표면과 다르다.

본원에 사용된 CoCr 합금은 폭넓게 정의되며 적어도 20 (중량) % 크롬 및 적어도 50% 코발트를 가지는 합금을 포함한다. 나머지 성분은 몰리브덴, 텅스텐, 철, 질소 및 탄소일 수 있다. 통상적인 이러한 조성의 합금은 ASTM 국제 표준 F799, F1537, F75 및 F90 (ISO 5832-4 내지 ISO 5832-8)에 기재되어 있다. 대부분의 논의가 CoCr 합금에 집중되어 있지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 모든 금속이나 금속 합금에 적용될 수 있음을 알아야 하며, 의료용 이식물이라는 관점에서 금속이나 금속 합금은 정형외과 분야에서 공통적으로 사용되는 것과 같은 생체 친화성 금속이나 금속 합금인 것이 바람직하다.

본원에서 "침탄화 층(carburized layer)"은 기판 금속이나 금속 합금의 고용제(solid solution)와 탄소를 포함하는 금속이나 금속 합금의 층으로 정의된다. 기판은 고용제를 형성하도록 탄소로 확산된다. (질소로 확산된) 질화 층, (산소로 확산된) 산소 층, (붕소로 확산되) 붕소 층, 및 침탄화, 질화, 산화 및 붕소화의 조합을 이용하는 조합 층을 이용하는 것도 본 발명의 범위 내에 있다는 것에 주목해야 한다. 본원에서 대부분의 논의가 침탄화에 집중되었지만, 본 발명은 탄소, 질소, 산소 및 붕소 중 침입 성분 또는 이들의 조합으로 경화되는 금속을 포함하는 것을 알아야 한다. 그러므로, 침탄화 층 외에도 산화 층, 질화 층, 붕소화 층 및 이들의 조합도 포함될 수 있다. 탄소, 질소, 산소 및 붕소 모두가 유용하고 본 발명에 포함되지만, 탄소가 가장 바람직하며, 붕소가 가장 덜 바람직하다. 그러므로, 본 발명의 일부 실시예에서 붕소화 층을 형성하기 위해 붕소를 사용하는 것은 제외한다.

젊고 활동적인 환자를 위해 마모가 적은 이식물에 대한 필요가 증가하고 있다. 종래의 이식물은 폴리에틸렌 및 금속이나 세라믹 대응면을 채용한다. 이러한 이식물의 마모가 매우 낮더라도 한계를 갖고 있다. 한계점들 중 하나는 이식물의 크기이다. 젊고 활동적인 환자를 위해 안정적이며 넓은 운동 범위를 얻기 위해서 크기가 큰 이식물에 대한 추세로 가고 있었다. 이러한 추세로 금속 대 금속 이식물이 출현하였다. 통상적인 금속 대 금속 이식물은 고탄소 CoCr 합금으로 제조된다. 이는 마모율이 상당히 낮지만, 이러한 이식물로부터 금속 이온이 방출되고 그로 인한 인체 생리학에 대한 영향이 여전히 문제가 된다. 전술된 바와 같이 본 발명의 목적은 이러한 마모를 줄이는 것이다.

정형 외과 분야에서 금속 및 금속 합금에 대한 종래의 확산 경화는 이미 공지되어 있다. 정형 외과 분야에서 산화 지르코늄 등의 확산 경화 산화 표면의 사용은 미국 특허 제5,037,438호에서 데이빗슨(Davidson)에 의해 처음 소개되었다. 데이빗슨의 '438 특허는 산화 지르코늄 표면을 갖는 지르코늄 합금 인공 보철물 제조 방법을 개시한다. 왓슨(Watson)에서 허여된 미국 특허 제2,987,352호는 산화 지르코늄 표면을 갖는 지르코늄 베어링 제조 방법을 개시한다. 제조된 산화 코팅은 두께가 항상 일정하지 않고, 비균일한 두께로 인해 지르코늄 합금과 산화 층 사이의 결합 강도 및 산화 층 내의 결합 강도가 감소된다. 데이빗슨 및 왓슨 특허 모두 지르코늄 합금의 확산 경화에 대해 개시하고 있다. 통상적인 방법에서, 지르코늄 합금은 고온의 공기에서 가열된다. 공기 중에서 가열하면 기판에서 산소의 확산이 일어나므로 표면에 세라믹 산화물이 형성된다. 다른 접근 방법에서 셰티(shetty) 등에게 허여된 특허(미국 특허 제5,308,412호)는 CoCr 합금의 질소 확산 경화를 개시하고 있다. 셰티 특허는 표면을 질소로 확산 경화시키기 위해 장기간의 시간 동안 (이온 또는 분자의) 질소 농후 환경에서 CoCr을 가열하는 것을 개시한다. 데이빗슨(Davidson)에게 허여된 미국 특허 제5,152,794호는 종래의 확산 경화의 개념을 (질화를 위한 질소 공급원을 이용하는) 확산 질화로 확장시킨다. 미국 특허 제2,987,352호, 제5,037,438호, 제5,308,412호 및 제5,152,794호는 전체가 본원에 참조로 합체되었다.

미국 특허 제6,447,550호, 제6,858,772호 및 계류 중인 미국 특허 출원 제10/942,464호에서, 헌터(Hunter) 등은 균일한 두께의 산화 지르코늄 코팅을 얻기 위한 방법에 대해 개시하고 있다. 헌터 특허는 그러한 코팅이 예비 산화 처리 기술과 기판 미세 구조 조작에 의해 얻어지는 것을 개시하고 있다. 두께가 균일한 산화 층을 사용함으로써 체액의 작용에 대한 내부식성이 향상되고 기타 이점이 발생되며, 생체 적합형이고 이식물을 받는 사람의 수명 동안 안정적이다. 미국 특허 제6,447,550호, 제6,585,772호 및 계류중인 미국 특허 출원 제10/942,464호는 그 전체가 본원에 참조로 합체되었다. 헌터 특허는 균일한 산화물을 얻기 위해 두 가지 접근법을 개시하고 있다. 한 가지 접근법은 예비 산화 단계로서 적절한 표면 거칠기를 이루는 것이다. 이러한 표면 거칠기는 균일한 산소의 확산을 허용하여 점착성의 균일한 산화물을 표면에 형성한다. 다른 접근법으로 헌터 특허는 정제된 고운 알갱이 미세구조의 사용을 개시한다. 그 목적 또한 기판에서 균일한 산소의 확산을 허용하여 균일한 점착성 산화물을 형성하는 것이다. 그러나, 데이빗슨, 왓슨 및 헌터 특허의 구성은 확산 경화 세라믹 표면인 것을 알아야 한다. 본 발명의 표면은 후술될 확산 경화 금속 표면인 점에서 다르다.

데이빗슨과 헌터 특허의 종래의 확산 경화 공정은 (C, N, O 및/또는 B 등의) 침입형 원소(interstitial element)가 금속 표면에서 확산되는 것을 허용한다. 이러한 원소들이 표면에서 확산되면, 금속 표면을 포화시켜 표면의 경화로 이어진다. 만약 확산이 기판에서 침입형 원소의 용해도(solubility) 한계를 더 넘어서 계속된다면, 확산 경화된 구역과 함께 세라믹 표면이 형성되거나 복합물로 이어질 수 있다. 데이빗슨과 헌터 특허의 예시적인 공정에서는 Zr 합금 표면에 산화물이 형성된다. 본 발명의 목적은 표면에 세라믹 층이나 복합물을 형성하지 않고 확산 경화 금속 표면만을 형성하는 것이다. 만약 세라믹 층이나 복합물이 종래의 공정 중에 형성된다면, 종래의 기술로 제거될 수 있다. 확산 공정이 몇가지 수단에 의해 수행될 수 있다는 것은 당업자에게 공지된 사항이다. 당업계에 공지된 종래의 확산 경화 공정은 고체 침탄법(pack carburizing) 또는 질화법, 염용 침탄법(salt bath carburizing) 또는 질화법이거나, 확산되는 종의 기체 혼합물을 이용한다. 예를 들어, CoCr 합금으로 제조된 장치는 장시간 동안 250 ℃ 내지 1000 ℃ 범위의 온도에서 100% 질소 가스의 존재하에서 가열된다. 확산 시간이 길수록 두꺼운 확산 경화 구역이 생성될 것이다. 통상적으로 경화되는 시간은 5시간 이상일 수 있다. 장치는 자연 대류 오븐에 놓이거나, 이와 달리 저항 가열에 의해 가열될 수 있다. 이러한 장기간의 처리 후에 표면에 얇은 세라믹 층(크롬 질화물)과 함께 확산 경화된 구역이 형성된다. 이러한 세라믹 층은 실리콘 카바이드 또는 알루미나 또는 규토 등의 연마 매체로 연마되어 제거되지만, 이에 한정되지는 않는다. 본 발명의 목적은 확산 경화되며 본질적으로 금속인 표면을 형성하는 것이다. 확산 경화를 위한 종래의 다른 공정은 플라즈마 경화이다. 당업자라면 본 발명의 목적이 고체 또는 액체 또는 기체 또는 플라즈마 형태나 이들의 조합 형태로 확산 종의 존재를 가지는 것임을 알아야 한다. 예를 들어, 만약 질소 확산이 표면에서 티타늄 질화물에 대해 오랜 시간 수행된다면, Ti 합금의 질소 확산 경화는 질소 농후 분위기 또는 질소 가스 플라즈마에서 수행될 수 있다. 종래의 확산 경화는 종종 표면에 세라믹 코팅을 형성시키지만, 본 발명의 목적은 세라믹 층이 형성되지 않은 정도까지 포화를 허용하거나, 세라믹 층이 형성되었을 경우 기계적으로 제거하거나 확산 경화 종이 기판 내로 깊숙히 들어가 형성된 세라믹 층을 소모하도록 확산 경화 종이 없을 때 표면을 가열하여 제거하는 정도로만 포화를 허용하는 것이다. 세라믹 층의 기계적인 제거의 예는 탄화 규소, 알루미나 또는 규토 등의 연마재로 연삭하는 것을 포함한다. 대부분의 세라믹 표면이 산이나 알칼리로 제거하기가 어렵지만, 화학 기계 연마 방법이 이용될 수 있다. 화학적 연마 방법은 세라믹 표면의 제거율을 향상시켜 줄 산성 매개물 또는 알칼리성 매개물에 부유된 연마재를 채용한다. 이와 달리, 종래의 확산 경화 공정에서의 세라믹 층의 형성은 공정 변수(시간, 온도, 확산 경화 종의 농도 등)를 적절히 제어함으로써 방지될 수 있다. 금속이나 금속 합금 기판의 특성, 확산 경화 종의 특성 및 기타 가능한 인자에 따라 종래의 확산 경화 공정의 변수를 변경할 필요가 있다. 어떠한 경우에는, 일정한 조건 하에서 샘플을 제작하여 샘플에 대한 분석 테스트를 실행함으로써 세라믹 층의 존재 및 세라믹 층 형성의 정도를 판단할 필요가 있다. 세라믹 층의 존재는 종래의 단면 금속 현미경 기술(cross-sectional metallographic techniques)에 의해 판단될 수 있다. 또한, 표면의 화학적 조성으로부터 판단되며 합금 시스템의 확산 경화 종의 용해도에 기초하여 판단될 수 있다. 확산 경화 종의 용해도는 상평형도(phase diagram)로부터 얻어질 수 있다. 또한, 세라믹 층의 존재는 샘플의 전기 용량-전압 측정을 이용하여 판단될 수 있다. 세라믹 층은 통상적으로 절연체이기 때문에 금속 표면 상의 세라믹 층은 커패시터(capacitor)를 형성한다. 이와 달리 세라믹 층이나 그 두께는 깊이 프로파일링과 x-선 광전자 분광기(x-ray photoelectron spectroscopy : XPS)를 이용하여 측정될 수 있다. XPS에서 확산 경화 종의 원자가 상태가 판단되어 세라믹 층의 깊이를 추정하는데 도움이 될 수 있다. 당업계에 공지된 기타 분석 기술, 특히 표면 분석 기술이 적용될 수 있다. 공정 변수는 세라믹 형성을 배제하기 위해 변경될 수 있다. 유사하게 세라믹을 기계적, 화학적 또는 열 처리로 제거할 때 세라믹 층의 제거 정도를 판단하기 위해 샘플에 분석 테스트를 수행할 수 있다. 본 발명에서, 확산 경화 표면은 데이빗슨, 왓슨 및 헌터 특허의 종래 확산 경화 공정을 이용하여 형성되지만, 최종 제품은 확산 경화 세라믹 표면이 아닌 확산 경화 금속 표면이어야 한다.

전술된 바와 같이, 확산 경화 금속 표면을 제조하기 위해 금속 및 금속 합금의 확산 경화를 위한 다른 방법은 금속이나 금속 합금을 플라즈마에서 비금속 종으로 처리하여 비금속 종을 포함시킴으로써 이러한 재료의 표면을 변경시키는 것을 포함한다. 플라즈마는 통상적으로 이온화된 가스(원자 또는 분자)이며, 통상적으로 그 자체의 고유한 특성 때문에 고체, 액체 및 기체와는 달리 물질의 독특한 상인 것으로 여겨진다. 기체 상태의 원자 또는 분자의 이온화로 인해 적어도 하나의 전자가 원자나 분자의 일정 비율의 원자 또는 분자로부터 해리된다. 그 결과 자유 전기 충전으로 인해 플라즈마가 전기 전도성이 되어 전자기장에 강하게 반응한다. 플라즈마는 전자기장(예, RF 또는 마이크로파 플라즈마)이나 전압 방전(예, 글로우 방전)에 의해 형성될 수 있다. 어떤 경우에 있어서, 종래의 확산 경화에 대해서 논의된 바와 같이 세라믹 층의 형성을 방지하거나 그러한 세라믹 층을 제거할 필요가 있다. 이는 종래의 확산 경화에 대해서 논의된 상황과 유사하다. 제거 기술은 종래 방식대로 확산 경화된 샘플에 대한 기술과 동일하다. 또한 종래의 확산 경화와 유사하여서 금속이나 금속 합금 기판의 특성, 확산 경화 종의 특성 및 기타 가능한 인자에 따라 플라즈마 경화 공정의 변수를 변경할 필요가 있다. 일부의 경우, 일정한 조건 하에서 샘플을 제작하여 세라믹 층의 존재 및 세라믹 층 형성의 범위를 판단하기 위해 샘플에 분석 테스트를 수행할 필요가 있다.

탄소를 이용한 CoCr 합금의 플라즈마 경화는 벨(Bell) 등의 특허 출원(미국 특허 출원 제2005/0241736 A1호)에 이미 개시되었다. 질소를 이용한 확산 경화는 세티(Shetty) 등의 특허(미국 특허 제5,308,412호)에 의해 개시되었다. 상기 '736 특허 출원은 침탄화 공정을 개시한다. 또한, 이렇게 처리된 이식물이 무릎이나 고관절에 이용될 수 있음을 개시하고 있다. 상기 '412 특허는 질화 공정을 개시한다. 이 두 발명은 경화된 이식물을 비경화된 이식물에 결합시키는 것을 예상하고 있지 않다는 점에 주목해야 한다. 미국 특허 출원 제2005/0241736 A1 및 미국 특허 제5,308,412호는 전체가 본원에 참조로 합체되었다.

그러나, 침탄화 및/또는 질화 및/또는 산화 및/또는 붕소화에 의한 표면 경화는 모든 종래 기술로 수행될 수 있다. 바람직한 실시예는 전술된 종래의 확산 경화 또는 플라즈마 경화 기술을 이용한다. 본 발명은 통상적으로 금속 장치의 표면, 및 의료용 이식물 특히 관절 연결 표면과 같이 마모를 겪는 의료용 이식물 표면의 침탄화, 질화, 붕소화, 산화 및 이들의 조합을 포함한다.

통상적으로, 본 발명의 기재 중 플라즈마 처리는 탄소 공급원, 산소 공급원, 질소 공급원, 붕소 공급원 또는 이들의 조합이 존재하에서 플라즈마에 금속이나 금속 합금을 노출시키는 것을 의미한다. 탄소 공급원의 예는 메탄을 포함하고, 질소 공급원의 예는 질소 가스를 포함하며, 산소 공급원의 예는 산소 가스 및 공기를 포함한다. 붕소 공급원의 예는 비정질 붕소, 붕산(B₂O₃) 및 삼염화 붕소화물(BCl₃)을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. 이들은 확산 종의 공급원에 대한 예시적인 것이 불과하며, 당업자에게 공지된 다른 것들도 적용 가능하다. 동일한 공급원이 종 래의 확산 경화 기술에 이용될 수 있다.

한가지 비제한적인 예시적인 과정이 의료용 이식물의 플라즈마 침탄화를 위해 제공된다. 이식물이 용기 내의 표면에 놓이고, 표면은 캐소드(cathod)로서 전원과 제어 유닛에 연결되고, 용기의 벽은 어노드(anode)로서 직류원에 연결된다. 이식물의 온도는 이식물 부분이나 더미 샘플(dummy sample)에 천공된 3 mm 직경의 구멍으로 삽입된 열전대(thermocouple)에 의해 측정되었다. 밀봉 가능한 용기가 단단히 폐쇄된 후에, 잔여 공기(산소)를 제거하여 용기 내의 압력을 낮추기 위해 회전 펌프가 사용된다. 압력 감소가 10 Pa (0.1 mbar) 이하에 도달할 때, 이 두 전극 사이에 약 400 볼트 내지 약 900 볼트의 전압을 인가하여 이식물과 용기 벽(어노드) 사이에 글로우 방전이 발생되었다. 동시에 수소의 가열 가스가 용기 내로 도입되었다. 용기 내의 수소 가스 압력은 이식물의 온도가 올라감에 따라 점진적으로 증가된다. 어떠한 외부 가열이나 보조 가열도 채용되지 않았으며, 이식물은 글로우 방전 플라즈마로만 가열된다. 이와 달리, 외부 열원이 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 용기에 부착된 외부 가열기가 채용되거나, 외부 가열 및 전기 글로우 방전 가열의 조합이 채용될 수 있다. 직류(dc) 방전, 펄스형 직류 방전 또는 교류(ac) 방전이 사용될 수 있다.

이식물이 미리 정해진 온도로 가열된 후에, 수소(98.5 %)와 메탄(1.5%)의 가스 혼합물이 용기 내로 유입되고 플라즈마 처리가 시작된다. 10 시간의 처리 시간동안 약 400 ℃ 내지 약 600 ℃의 처리 온도가 사용된다. 처리 단계의 작업 압력은 500 Pa(5.0 mbar)이다.

플라즈마 열 처리 중에, 메탄은 이온화, 활성 및 해리되어 탄소 이온과 활성화된 탄소 원자와 중성 분자를 생성한 다음, 디스크의 표면으로 확산되어 탄소 확산 층을 형성한다. 플라즈마 처리가 300 ℃ 내지 550 ℃ 범위의 비교적 낮은 온도에서 수행될 때, 탄소 원자는 주로 코발트 격자에 존재하여, 처리에 사용된 비교적 낮은 온도 때문에 가능한 나노결정체 구조를 갖는 과포화된 고용제를 형성한다. 최종 층은 높은 경도, 양호한 피로 강도, 우수한 내마모 및 내부식성을 가진다(아래 참조). 플라즈마 처리가 600 ℃ 내지 700 ℃ 범위의 비교적 높은 온도에서 수행되면, 탄소 원자는 코발트 격자에 부분적으로 존재하여 과포화 고용제를 형성하며, 탄소와 부분적으로 결합하여 크롬 탄화물을 형성한다. 최종 층은 높은 경도, 피로 강도 및 우수한 내마모성을 가진다.

플라즈마 처리 완료 후에, 글로우 방전 플라즈마가 꺼지고, 처리 분위기에서 이식물이 용기로부터 제거되기 전에 용기 내에서 실내 온도로 냉각된다. 처리 시간 및 온도는 원하는 레벨의 질화를 이루기 위해 변동될 수 있다. 이식물의 질화를 위해, 동일한 과정이 수소 및 질소의 가스 혼합물이나, 오직 질소로만 이용될 수 있다. 또한, 처리 시간 및 온도는 원하는 레벨의 질화를 이루기 위해 변동될 수 있다. 마지막으로, 침탄화 및 질화 모두에 대해서 질소 공급원 및 탄소 공급원(예를 들어, 메탄, 수소 및 질소 등의 혼합물) 모두를 이용 가능하다. 이와 달리, 별도의 침탄화 및 질화 단계가 동일한 이식물 부분에 순차적으로 수행될 수 있다.

전술된 예시는 오직 설명을 위한 것이며, 공지되거나 앞으로 개발될 플라즈 마 질화 및/또는 침탄화 과정이 이용될 수 있음을 알아야 한다. 충분한 정도의 금속 또는 금속 합금(바람직하게 CoCr) 표면의 침탄화 및/또는 질화가 본 발명에 적용 가능하다는 것만으로 충분하다. 본 발명의 일부 실시예에서, 적어도 1 마이크로미터 두께의 침탄화되거나 질화된 층을 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명의 발명자는 제1 접촉 표면이 확산 경화 금속 표면이고 제2 접촉 표면이 1) 확산 경화되지 않거나, 2) 제1 접촉 표면에 사용된 것과 다른 경화 종을 이용하여 확산 경화되는 경우, 의료용 이식물의 제1 접촉 금속 표면과 제2 접촉 금속 표면의 마모 성능(특히, 접촉 표면들이 관절 연결 표면인 경우)이 현저히 낮다는 것을 발견하였다. 본 발명에서 표면이 확산 경화된 경우 확산 경화 금속 표면을 형성하기 위해 확산 경화된다. 마모가 낮은 이유는 완전히 명확하지 않다. 이론으로 묶이고 싶지는 않지만, (표면의 상이한 처리로 인한) 접촉 표면의 경도 차이 및/또는 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면의 상이한 조성이 발견된 이로운 효과에 역할을 할 가능성이 있다. 하중 지지 방식으로 비침탄화된 CoCr 표면과 접촉하는 플라즈마 침탄화된 CoCr 표면은 다른 비플라즈마 침탄화된 CoCr 표면에 대한 비플라즈마 침탄화된 CoCr 표면과 비교하고, 다른 플라즈마 침탄화된 CoCr 표면에 대한 플라즈마 침탄화된 CoCr 표면과도 비교할 때 월등한 마모 특성을 나타낸다.

도1은 고관절부 시뮬레이터에서 테스트된 애즈 캐스트(as-cast) 및 플라즈마 침탄화된 CoCr 금속 대 금속 결합에 대한 선형 마모를 도시한다. 애즈 캐스트 금속 대 금속 결합에 대한 애즈 캐스트 관절 연결의 선형 마모는 50만 사이클 종료시 7 마이크로미터이다. 1백만 사이클 종료시 10 마이크로미터로 증가한다. 그런 다 음, 안정 상태에 도달하고 10 마이크로미터에서 안정된다. 본 발명의 발명자는 이러한 마모율은 정합 커플 중 오직 하나만이 예를 들어 침탄화 공정을 이용하여 선택적으로 경화될 경우 현격히 감소될 수 있다는 것을 발견하였다. 도2에 도시된 바와 같이, 대퇴부 두부가 침탄화되고 비구(acetabular)의 외피는 침탄화되지 않은 경우 선형 마모는 대략 3 마이크로미터이고 최대 2백 5십만 사이클까지 5 마이크로미터에서 안정화된다. 그러므로 대략 50%의 선형 마모의 감소로 이어진다. 도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 발명자는 두 가지 결합 모두가 선택적으로 경화될 때, 경화되지 않을 때보다 실제로 마모가 더 된다는 것을 발견하였다. 침탄화된 두 가지 구성 요소 모두 선형 마모는 50만 사이클에서 대략 6 마이크로미터이다. 1백만 사이클 종료시 23 마이크로미터로 증가하고, 2백 5십만 사이클 종료시 대략 35 마이크로미터에 도달한다. 본 발명의 특정한 실시예는 결합 중 하나의 구성 요소를 선택적으로 경화시켜 정합 결합의 마모가 감소되는 것이다. 당업자라면 결합 중 하나가 질화되면 유사한 결과를 얻을 수 있다는 것을 알 것이다.

본 발명의 실시예에서, 침탄화된 기판 합금은 애즈 캐스트일 수 있다. 도2는 애즈 캐스트 구성 요소의 침탄화 층의 금속 현미경 이미지를 도시한다. 침탄화 층은 대략 8 마이크로미터 두께이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 침탄화된 구성 요소는 비침탄화된 구성 요소와 결합된다. 비침탄화된 구성 요소는 애즈 캐스트이거나, 소성 바 스톡(wrought bar stock)으로부터 기계 가공된다. 이와 달리, 단조된 구성 요소로 제조될 수 있다. 본 발명의 특정 실시예는 정합 구성 요소의 표면 경도/조성 특징의 차이를 이용하는 것임을 주목해야 한다.

이와 달리, 침탄화되는 기판 합금은 소성 바 스톡으로부터 기계 가공되거나 단조 처리된다. 침탄화된 구성 요소는 비침탄화된 구성 요소와 결합된다. 비침탄화된 구성 요소는 애즈 캐스트되거나, 소성 바 스톡으로부터 기계 가공된다. 이와 달리, 단소 구성 요소로부터 제조될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 침탄화 층 두께는 1 내지 25 마이크로미터이다. 애즈 캐스트 구성 요소에서, 침탄화 층은 도2에 도시된 바와 같이 기판 탄화물을 포함할 수 있다. 소성 구성 요소에서, 침탄화 층은 기판 합금의 예비 침탄화 열 처리를 기초로 미세한 탐화물을 포함하거나 포함하지 않을 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 침탄화 층은 기판 합금보다 대략 1.2배 더 단단하다.

도1의 예시가 미처리된 (애즈 캐스트) CoCr 표면에 대한 플라즈마 침탄화된 CoCr 표면을 이용하여 실현된 마모 성능의 예상치 못했던 개선을 나타내지만, 본 발명은 여기에 제한되지 않는다. 이론으로 묶이고 싶지는 않지만, 이러한 개선은 플라즈마 침탄화된 CoCr 표면과 비처리된 (애즈 캐스트) CoCr 표면 간에 경도 차이에 기인한 것으로 짐작된다. 따라서, 상호 작용하는 표면의 상이한 처리를 이용함으로써 경질 대 경질 결합에서 마모 성능이 개선된 것으로 짐작된다. 예를 들어, 플라즈마 질화된 CoCr 표면과 상호 작용하는 플라즈마 침탄화된 CoCr 표면을 가지는 의료용 이식물을 갖는 것도 본 발명의 범위 내에 있다. 두 가지 상이한 확산 종이 사용되기 때문에, 상호 작용하는 표면에서 경도에 차이가 나게 된다. (상이한 종으로 경화된) 다른 플라즈마 경화 표면에 대해 플라즈마 경화의 기타 조합도 본 발명의 범위 내에 있다. 예를 들어, 플라즈마 질화된 CoCr 등에 대한 플라즈마 산화된 CoCr을 이용할 수 있다. 플라즈마 경화에 있어서, 플라즈마 침탄화, 플라즈마 질화 및 플라즈마 산화 중 어느 하나가 유용하다. 각각은 (기타 확산 경화 종들 중 하나로 경화된) 플라즈마 경화 표면에 대해서 이용될 수 있지만, 이와 달리 비처리된 CoCr 표면에 대해 이용될 수 있다. 마지막으로, 플라즈마 침탄화 표면, 플라즈마 질화 표면 또는 플라즈마 산화 표면 중 어느 하나는 종래의 확산 경화 기술로 경화된 표면에 대해 사용될 수 있다. 이에 대한 한가지 예시는 데이빗슨 타입의 확산 경화 표면에 대해서 사용된 플라즈마 침탄화 표면, 플라즈마 질화 표면 또는 플라즈마 산화 표면이 된다.

본 발명의 일부 실시예에서, 확산 경화 층은 세라믹 코팅의 성막을 위한 예비 처리 표면으로 사용된다. (종래의 확산 경화 공정 및 플라즈마 경화 모두에서) 확산 경화 공정 중에 형성될 수 있는 제위치 세라믹 코팅과 (세라믹 코팅이 성막된) 상기 실시예들 사이를 구분해주는 것은 중요하다. 세라믹 코팅은 산화물, 질화물, 탄화물 또는 붕소화물일 수 있다. 각각의 코팅에 대한 예로서 산화 알루미늄, 질화 알루미늄, 탄화 크롬, 질화 크롬, 탄화 티타늄, 질화 티타늄 및 탄질화 티타늄이 포함된다. 이러한 코팅은 물리 증착법(PVD) 및 화학 증착법(CVD) 등의 종래 기술 방법에 의해 성막될 수 있지만, 이에 한정되지 않는다. 세라믹 코팅된 구성 요소는 의료용 이식물 중 확산 경화되거나 비확산 경화된 구성 요소와 결합된다. 이와 달리, 경질의 세라믹 코팅이 확산 경화된 구성 요소와 결합된 비확산 경화된 구성 요소에 수행된다.

본 발명의 다른 실시예에서, 확산 경화된 구성 요소는 비확산 경화된 구성 요소와 결합된 다이아몬드나 다이몬드 같은 탄소(diamond-like carbon) 코팅(예, 나노결정체 다이아몬드)의 표면으로 사용된다. 이와 달리, 확산 경화된 구성 요소는 확산 경화된 구성 요소와 결합된 다이아몬드나 다이아몬드 같은 탄소 코팅으로 코팅된다. 또한, 이러한 실시예의 코팅은 종래의 확산 경화 공정이나 플라즈마 경화 공정에서 형성될 수 있는 세라믹 코팅과는 달리 제위치에 형성되지 않으며, 오히려 성막되거나 이전에 형성된 확산 경화 금속 표면에 놓인다.

본 발명의 실시예에서, 항균성 표면이 침탄화 표면에 생성된다. 이는 침탄화 층을 은 이온으로 함침시켜 이루어진다. 은 이온은 이온 주입이나 확산 공정을 이용하여 함침될 수 있다. 은이 함침된 침탄화된 구성 요소는 비침탄화되거나 세라믹 코팅된 침탄화된 구성 요소와 결합된다.

또한, 본 발명은 CoCr 인공 보철 장치의 관절 연결 표면에 저마찰의 내마모성을 제공한다. 이러한 관절 연결 표면의 예시가 고관절부와 무릎 보철 장치를 도시하는 도3 내지 도6에 도식적으로 도시되어 있다. 도3 내지 도6은 예시를 도시하는 것 뿐이며, 본 발명은 광범위한 인공 보철 이식물에 적용될 수 있음을 알아야 한다. 기타 예시로서 어깨 이식물, 팔꿈치 이식물, 손가락 이식물, 척추 이식물, 및 악관절 이식물이 포함된다.

통상적인 고관절 조립체가 도3에 제위치에 있는 것으로, 도4에 제위치에서 벗어난 위치에 있는 것으로 도시되었다. 고관절 스템(2)은 대퇴부에 끼워 맞춤되며, 인공 보철의 대퇴부 두부(6)는 도3 및 도4에 도시된 바와 같이 골반에 부착되는 비구 컵(10)의 내측 표면(8)에 끼워 맞춤되어 관절 연결된다. 다공성 금속 비 드(bead) 또는 와이어 메쉬(wire mesh) 코팅(12)은 주변 조직을 다공성 코팅으로 성장시켜 이식물이 안정화되도록 통합될 수 있다. 대퇴부 두부(6)는 고관절 스템(2)의 일체형 부분이거나, 고관절 인공 보철의 경부(4; neck)에서 원뿔형 테이퍼에 장착된 별도의 구성 요소일 수 있다. 고관절부 이식물의 실시예에서, 대퇴부 두부는 비구 컵의 내측 표면에 대해 관절 연결됨으로써 마모를 유발시키고, 장기적으로는 인공 보철을 교체가 필요할 수 있다. 내부 표면은 비구 컵에 끼워 맞춤되는 라이너 형태거나 비구 구성 요소와 일체형 부분일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 대퇴부 두부(6)와 비구 컵(10) 모두는 CoCr 합금으로 제조되며, 대퇴부 두부(6)나 비구 컵(10)의 내측 표면(8) 중 하나 또는 이들 중 오직 하나의 표면이 확산 경화된다. 이러한 관절 결합은 (비확산 경화된) 다른 CoCr 표면에 대해서 관절 연결되는 (비확산 경화된) CoCr 표면 또는 다른 확산 경화된 CoCr 표면에 대해 관절 연결되는 확산 경화된 CoCr 표면과 비교하여 예상치 못하게 낮은 마모율을 보인다. 다른 실시예에서, 표면들 중 하나의 표면이 다른 표면에 공통적이지 않은 확산 종으로 확산 경화됨으로써 관절 연결 표면 모두가 확산 경화된다. 예를 들어, 침탄화 표면에 대해 관절 연결되는 탄질화 표면이 있을 수 있다. 바람직한 실시예에서, 종래의 확산 경화, 및 플라즈마 경화와 확산 경화의 조합이 적용될 수 있지만 플라즈마 경화, 바람직하게 플라즈마 침탄화를 통해 확산 경화가 이루어질 수 있다. 종래 기술에 공지된 다른 확산 경화 기술도 플라즈마 경화와 확산 경화 중 오직 하나 또는 이들의 조합으로 적용될 수 있다. 도3 및 도4에 도시된 실시예는 고관절 치환술을 도시한다. 그러나, 본 발명은 고관절부 치환술에만 적용되지 않고, 상업적으로 버밍햄 고관절부 연결 표면 치환술(Birmingham Hip Resurfacing)로 공지된 고관절 연결 표면 치환술에도 적용되지만, 이에 제한되지 않는다. 고관절부 연결 표면 치환술은 고관절 이식물의 큰 대퇴부 스템을 제거함으로써 뼈를 보존한다.

통상적인 무릎 관절 인공 보철이 도5에서 제위치에, 도6에서 제위치에서 벗어난 위치에 도시되었다. 무릎 관절은 대퇴부 구성 요소(20)와 경골 구성 요소(30)를 포함한다. 대퇴부 구성 요소는 대퇴부 구성 요소의 관절 연결 표면을 제공하는 관절구(22)와, 대퇴부에 대퇴부 구성 요소를 부착시키기 위한 페그(24)를 포함한다. 경골 구성 요소(30)는 경골 기부를 경골에 장착시키기 위한 페그(34)를 갖는 경골 기부(32)를 포함한다. 경골 대(36; tibial platform)는 경골 기부(32) 위에 장착되고, 관절구(22)의 형상과 유사한 홈(38)을 구비한다. 관절구(26)의 바닥면은 경골 대의 홈(38)과 접촉하여 관절구가 경골 대에 대해서 홈 내에서 관절 연결된다. 또한, 고관절의 경우 다공성 비드나 와이어 메쉬 코팅이 무릎의 경골이나 대퇴부 구성 요소에 또는 이들 모두에 적용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 대퇴부 구성 요소(20)와 경골 구성 요소(30)는 CoCr 합금으로 만들어지고, 대퇴부 구성 요소(20)와 경골 구성 요소(30) 중 하나 또는 이들 중 오직 하나만 확산 경화된다. 또한, 이러한 관절 결합은 (비확산 경화된) 다른 CoCr 표면에 대해 관절 연결되는 (비확산 경화된) CoCr 표면이나, 다른 확산 경화된 CoCr 표면에 대해 관절 연결되는 확산 경화된 CoCr 표면과 비교하여 예상치 못하게 낮은 마모율을 나타낸다. 다른 실시예에서, 표면들 중 하나의 표면이 다른 표면과 공통적 이지 않은 확산 종으로 확산 경화됨으로써 관절 연결 표면들 모두가 확산 경화된다. 예를 들어, 침탄화 표면에 대해 관절 연결되는 탄질화 표면이 있을 수 있다. 바람직한 실시예에서, 종래의 확산 경화, 및 플라즈마 경화와 확산 경화의 조합이 적용될 수 있지만 플라즈마 경화, 바람직하게 플라즈마 침탄화를 통해 확산 경화가 이루어질 수 있다. 종래 기술에 공지된 다른 확산 경화 기술도 플라즈마 경화와 확산 경화 중 하나 또는 이들의 조합으로 적용될 수 있다.

본 발명의 이식물과 방법에서 바람직한 기판이 CoCr이지만, 금속이나 금속 합금 기판의 사용이 본 발명의 범위 내에 있음을 알아야 한다. 금속 이식물 분야에서, 이러한 금속이나 금속 합금은 생체 적합형인 것이 바람직하다. 광범위하게는 본 발명의 범위가 금속이나 금속 합금의 접촉 표면을 가지는 이식물까지 확장되며, 표면들 중 하나는 확산 경화되며, 다른 접촉 표면은 확산 경화되지 않거나 대향 접촉 표면에 사용되지 않은 확산 경화 종으로 확산 경화된다.

본 발명의 금속 결합의 뛰어난 마모 특성 때문에 금속 이식물 외의 영역에서 응용 분야를 가진다. 예를 들어, 본 발명은 금속 구성 요소가 서로를 지지하는 응용 분야에 적용될 수 있다. 비제한적인 예시로서 자동차와 항공 산업의 부품 및 구성 요소(통상적으로 장치)가 포함된다. 기타 상업용 및 산업용 구성 요소도 본 발명에 적용될 수 있으며, 본 발명에 포함된다. 기타 베어링 응용 분야도 개선된 결합으로부터 이점을 얻게 된다. 기타 응용 분야도 마모를 겪는 금속계 결합과 관련되는 한 본원에 포함되는 것은 당업자에게 명백하다.

본 발명 및 그 이점이 상세히 기재되었지만 다양한 변화, 대체 및 변경이 첨 부된 청구 범위에 정의 본 발명의 정신과 범위 내에서 이루어질 수 있음을 알아야 한다. 또한, 본 발명의 범위는 본원에 기재된 공정, 기계, 제조, 및 물질의 조성, 수단, 방법, 및 단계의 특정한 실시예에 제한되지 않는다. 당업자는 본 발명의 기재로부터, 본원에 기재된 대응 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 수행하거나 동일한 결과를 이루는 현존하거나 앞으로 개발될 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계가 본 발명에 따라 이용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 청구 범위는 이러한 공정, 기계, 제조, 물질의 조성, 수단, 방법 또는 단계를 그 범위에 포함하는 의도를 가진다.

Claims

제1 접촉 표면을 가지는 제1 부분과,

제2 접촉 표면을 가지는 제2 부분을 포함하며,

상기 제1 부분과 제2 부분은 금속이나 금속 합금으로 구성되고, 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면은 서로 접촉하고,

상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나는 확산 경화 종으로 확산 경화된 확산 경화 금속 표면을 포함하며, 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 다른 하나는 확산 경화되지 않은 금속 표면인 조건(a)과,

상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 모두가 확산 경화 금속 표면을 포함하며, 상기 제1 접촉 표면은 적어도 제1 확산 경화 종으로 확산 경화되고 상기 제2 접촉 표면은 적어도 제2 확산 경화 종으로 확산 경화되며, 상기 제1 확산 경화 종은 상기 제2 확산 경화 종과는 상이한 조건(b) 중 어느 하나의 조건을 만족하며,

상기 확산 경화 종은 탄소, 질소, 산소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 장치.
제1항에 있어서, 상기 장치는 의료용 이식물인 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 부분을 포함하는 상기 금속이나 금속 합금은 상기 제2 부분을 포함하는 상기 금속이나 금속 합금과는 상이한 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 금속이나 금속 합금은 CoCr인 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 접촉 표면들 중 하나 또는 이들 모두는 플라즈마 경화 표면을 포함하는 장치.
제5항에 있어서, 상기 플라즈마 경화 표면은 플라즈마 침탄화 표면, 플라즈마 질화 표면, 플라즈마 산화 표면, 플라즈마 붕소화 표면 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 장치.
제2항에 있어서, 상기 의료용 이식물은 고관절부 이식물인 장치.
제7항에 있어서, 상기 제1 부분과 제2 부분 중 하나는 접촉 표면을 갖는 대퇴부 두부를 포함하는 대퇴부 구성 요소이며, 상기 제1 부분과 제2 부분 중 다른 하나는 접촉 표면을 갖는 내측 표면을 포함하는 비구 구성 요소인 장치.
제8항에 있어서, 상기 접촉 표면들 중 하나 또는 이들 모두는 플라즈마 경화 표면인 장치.
제9항에 있어서, 상기 플라즈마 경화 표면은 플라즈마 침탄화 표면, 플라즈 마 질화 표면, 플라즈마 산화 표면, 플라즈마 붕소화 표면 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 장치.
제2항에 있어서, 상기 의료용 이식물은 무릎 이식물인 장치.
제11항에 있어서, 상기 제1 부분과 제2 부분 중 하나는 접촉 표면을 갖는 적어도 하나의 관절구를 포함하는 대퇴부 구성 요소이며, 상기 제1 부분과 제2 부분 중 다른 하나는 접촉 표면을 갖는 경골 구성 요소인 장치.
제12항에 있어서, 상기 접촉 표면들 중 하나 또는 이들 모두는 플라즈마 경화 표면인 장치.
제13항에 있어서, 상기 플라즈마 경화 표면은 플라즈마 침탄화 표면, 플라즈마 질화 표면, 플라즈마 산화 표면, 플라즈마 붕소화 표면 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 장치.
제2항에 있어서, 상기 의료용 이식물은 어깨 이식물, 팔꿈치 이식물, 손가락 이식물, 척추 이식물, 및 악관절 이식물로 구성된 그룹으로부터 선택되는 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 접촉 표면과 상기 제2 접촉 표면은 서 로에 대해서 관절 연결되는 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 성막된 세라믹 코팅을 더 포함하는 장치.
제17항에 있어서, 상기 성막된 세라믹 코팅은 세라믹 산화물, 세라믹 질화물, 세라믹 탄화물, 세라믹 붕소화물 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 다이아몬드나 다이아몬드 같은 탄소 코팅을 더 포함하는 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 모두는 확산 경화 금속 표면을 포함하며, 상기 제1 접촉 표면은 확산 침탄화 및 확산 산화되고, 상기 제2 접촉 표면은 확산 침탄화되는 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 조건(b)이 적용되고,

상기 제1 접촉 표면을 위한 상기 확산 경화 종은 탄소, 질소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되며,

상기 제2 접촉 표면을 위한 상기 확산 경화 종은 탄소, 질소, 산소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되며,

상기 접촉 표면들 중 하나는 다른 접촉 표면에서의 확산 경화 종과 같지 않는 확산 경화 종으로 확산 경화되는 조건을 겪게 되는 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 확산 경화 종은 탄소, 질소, 산소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 장치.
제1항에 있어서, 상기 장치는 자동차 또는 항공 장치인 장치.
제1 접촉 표면을 가지는 제1 부분과 제2 접촉 표면을 가지는 제2 부분을 포함하며, 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면이 서로 접촉하는 장치를 금속이나 금속 합금으로 형성하는 단계와,

확산 경화에 의해 상기 장치에 확산 경화 금속 표면을 형성하는 단계를 포함하며,

상기 확산 경화 단계는 탄소, 질소, 산소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 확산 경화 종으로 수행되며, 상기 확산 경화 단계는,

상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나에만 확산 경화 금속 표면을 형성하기 위한 확산 경화 단계(a), 또는

상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 모두에 확산 경화 금속 표면을 형성하기 위한 확산 경화 단계(b)로서, 상기 제1 접촉 표면은 적어도 제1 확산 경화 종으 로 확산 경화되고, 상기 제2 접촉 표면은 적어도 제2 확산 경화 종으로 확산 경화되며, 상기 제1 확산 경화 종은 상기 제2 확산 경화 종과는 상이한, 확산 경화 단계(b)에 따라 수행되는 장치 제조 방법.
제24항에 있어서, 상기 장치 형성 단계는 의료용 이식물을 형성하는 단계를 포함하는 장치 제조 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서, 제1 부분과 제2 부분을 포함하는 장치를 금속이나 금속 합금으로 형성하는 상기 단계는 상이한 금속이나 금속 합금으로 상기 제1 부분과 상기 제2 부분을 형성하는 단계를 포함하는 장치 제조 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서, 상기 금속이나 금속 합금은 CoCr인 장치 제조 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서, 상기 확산 경화 단계는 플라즈마 경화 단계를 포함하는 장치 제조 방법.
제25항에 있어서, 상기 의료용 이식물 형성 단계는 고관절부 이식물을 형성하는 단계를 포함하는 장치 제조 방법.
제29항에 있어서, 상기 제1 부분과 제2 부분 중 하나는 비구 구성 요소이며, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 다른 하나는 대퇴부 구성 요소인 장치 제조 방법.
제25항에 있어서, 상기 형성 단계는 무릎 이식물을 형성하는 단계를 포함하는 장치 제조 방법.
제31항에 있어서, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 하나는 경골 구성 요소이며, 상기 제1 부분과 상기 제2 부분 중 다른 하나는 대퇴부 구성 요소인 장치 제조 방법.
제25항에 있어서, 상기 의료용 이식물 형성 단계는 어깨 이식물, 팔꿈치 이식물, 손가락 이식물, 척추 이식물, 및 악관절 이식물로 구성된 그룹으로부터 선택된 의료용 이식물을 형성하는 단계를 포함하는 장치 제조 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서, 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 세라믹 코팅을 성막시키는 단계를 더 포함하는 장치 제조 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서, 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 중 하나 또는 이들 모두에 다이아몬드나 다이아몬드 같은 탄소 코팅을 성막시키는 단계를 더 포함하는 장치 제조 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서, 상기 제1 접촉 표면과 제2 접촉 표면 모두에 확산 경화 금속 표면을 형성하기 위한 상기 확산 경화 단계는, 상기 제1 접촉 표면에 확산 침탄화 및 확산 산화 표면을 형성하는 단계와 상기 제2 접촉 표면에 확산 침탄화 표면을 형성하는 단계를 포함하는 장치 제조 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서, 단계 (b)가 적용되고,

상기 제1 접촉 표면을 위한 상기 확산 경화 단계는 탄소, 질소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 확산 경화 종으로 수행되고,

상기 제2 접촉 표면을 위한 상기 확산 경화 단계는 탄소, 질소, 산소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 확산 경화 종으로 수행되고,

상기 접촉 표면들 중 하나는 다른 접촉 표면에서의 확산 경화 종과 같지 않는 확산 경화 종으로 확산 경화되는 조건을 겪게 되는 장치 제조 방법.
제24항 또는 제25항에 있어서, 확산 경화 금속 표면을 형성하기 위한 상기 확산 경화 단계는 탄소, 질소, 산소 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된 확산 경화 종으로 수행되는 장치 제조 방법.