KR20100112586A

KR20100112586A - 표면 합금 의료용 이식물

Info

Publication number: KR20100112586A
Application number: KR1020107016347A
Authority: KR
Inventors: 비베크 디. 파와르; 도날드 이. 크라머; 캐롤린 엘. 웨버; 쉴레쉬 씨. 자니
Original assignee: 스미스 앤드 네퓨, 인크.
Priority date: 2008-01-04
Filing date: 2009-01-02
Publication date: 2010-10-19
Also published as: AU2009204411B2; US11717597B2; WO2009089095A3; CN102046214B; EP2240213A2; CN102046214A; AU2015201857A1; AU2016269495B2; AU2009204411A1; AU2016269495A1; EP2240213B1; US20230330303A1; JP5693965B2; US20200254145A1; EP2240213A4; CA2711156A1; US20110015756A1; WO2009089095A2; AU2015201857B2; JP2011508653A

Abstract

의료용 이식물이 개시되어 있다. 의료용 이식물은 기판 (210, 310, 410)을 형성하는 첫 번째 생체친화성 금속, 생체친화성 합금 표면 (220, 314, 414)을 형성하기 위해 첫 번째 생체친화성 금속으로 확산된 두 번째 생체친화성 금속을 포함하고, 합금 표면은 확산 경화 종을 더 포함하며, 여기에서 확산 경화 종은 탄소, 질소, 산소, 붕소 또는 이들의 조합일 수도 있다. 의료용 이식물의 형성 방법이 개시되어 있다. 본 방법은 기판 (210, 310, 410)을 형성하는 첫 번째 생체친화성 금속 또는 합금을 제공하고, 두 번째 생체친화성 금속 또는 합금을 제공하고, 두 번째 생체친화성 금속을 첫 번째 생체친화성 금속으로 확산시켜 합금 층 (220, 314, 414)을 형성하고, 기판으로부터 과량의 두 번째 금속 재료를 제거하여 합금 층을 노출시키고, 합금 층을 확산 경화시키는 단계를 포함한다.

Description

표면 합금 의료용 이식물 {SURFACE ALLOYED MEDICAL IMPLANT}

관련 출원과의 상호 참조

본 출원은 미국 가출원번호 61/019,075 (2008년 1월 4일 출원)의 우선권을 청구한다. 이 선행 출원의 개시내용은 그 전체가 참고문헌으로 포함된다.

발명의 분야

본 발명은 일반적으로 이식가능한 보철물, 더욱 특별하게는 표면 합금 의료용 이식물에 관한 것이다.

의료용 이식물 재료, 특히 정형외과 이식물 재료는 고 강도, 내부식성 및 조직 친화성을 조합해야 한다. 환자의 전체 수명 동안에 이식물이 기능을 하는 것이 바람직하기 때문에, 이식물의 사용수명은 이식물의 수용자가 비교적 젊을 경우에 특히 중요하다. 특정한 금속 합금은 요구되는 기계적 강도 및 생체친화성을 갖기 때문에, 이들은 보철물의 조립을 위해 이상적인 후보이다. 이러한 합금은, 일례로서 316L 스테인레스 스틸, 크롬-코발트-몰리브덴 합금 (CoCr) 및 티타늄 합금을 포함한다.

정형외과 이식물 베어링 부품 (또한 "커플(couple)"이라 불림)은 대략적으로 (a) 경질-위-경질 (hard-on-hard) 또는 (b) 연질-위-경질 (hard-on-soft)로 분류될 수 있다. 경질-위-경질 응용에서, 재료는 그 자체에 또는 대략 동일하거나 더욱 큰 경도의 다른 재료에 대해 교합된다. 반대로, 연질-위-경질 응용은 더욱 연질의 것에 대해 교합되는 첫 번째 재료를 포함한다. 경질-위-경질 응용의 예는 서로에 대해 교합되는 2개의 금속 부품이고, 연질-위-경질 응용의 예는 폴리에틸렌 삽입물에 대해 교합되는 금속 부품이다.

현재, 통상적으로 입수가능한 경질-위-경질 고관절 이식물 베어링 부품의 2개의 주된 유형, 즉 금속-위-금속 및 세라믹-위-세라믹이 존재한다. 금속-위-금속 이식물의 현재의 일반적인 재료는 고 탄소 코발트 크롬 (CoCr) 합금이다. 금속-위-금속 이식물에 관한 주된 염려는, 보철물로부터의 금속 이온 방출 및 인체의 생리에 미치는 알려지지 않은 효과이다. 금속-위-금속 이식물의 장점은, 이것이 큰 크기로 사용될 수 있다는 것이다. 이식물의 더욱 큰 크기는 이식물의 더욱 넓은 범위의 운동 및 안정성을 가능하게 한다.

금속-위-금속 이식물은 뼈의 보존이 요망되는 유형의 표면재형성 응용을 위해 유용한 것으로 밝혀졌다. 이러한 더욱 큰 관절에서, 통상적이거나 가교된 폴리에틸렌은 바람직하지 않고, 금속-위-금속이 유일하게 이용가능한 선택일 수도 있다. 더욱 큰 크기는 폴리에틸렌 라이너가 더욱 얇은 것을 필요로 한다. 더욱 얇은 라이너는 기계적으로 강하지 않을 수도 있거나, 더욱 휘어질 수도 있거나, 또는 마모 또는 골용해가 증가될 수도 있고 결국 이식물의 파괴를 일으킬 수도 있다.

다른 일반적으로 사용되는 경질-위-경질 이식물 재료는 세라믹-위-세라믹이다. 세라믹-위-세라믹 이식물의 현재의 표준 재료는 알루미나이다. 알루미나의 표면 경도는 대략 20 내지 30 GPa이다. 금속 이온 방출은 전형적으로 이러한 이식물의 염려사항이 아니다. 그러나, 제한된 인성 및 세라믹의 부서지기 쉬운 성질로 인하여, 이러한 이식물을 더욱 큰 크기로 만드는 것이 어렵다. 세라믹 부품은 유한한 골절 가능성을 갖고, 따라서 잠재적인 관절 파괴 및 관절의 골절과 연관된 합병증을 일으킨다.

더욱 최근들어, 처리된 지르코늄 합금이 하중-베어링 및 비-하중 베어링 보철물의 조립을 위해 가장 적절한 재료인 것으로 입증되었다. 지르코늄 합금은 전형적으로 연질이고, 이러한 합금의 경도는 전형적으로 1½ 내지 3 GPa의 범위일 수 있다. 이러한 합금은 연질이기 때문에, 더욱 경질의 재료로 쉽게 마모될 수 있다. 그러나, 지르코늄 합금의 내마모성은 이러한 합금을 산화시키거나 질화시킴으로써 상당히 개선될 수 있다. 산화된 지르코늄 이식물은 전형적으로 공기 중에서 열적 구동 확산 방법에 의해 형성된 산화 지르코늄의 5 내지 6 마이크로미터 두께 세라믹 표면을 갖는다. 산화지르코늄 아래에, 대략 1½ 내지 2 마이크로미터의 경질의 산소-풍부 확산 층이 존재한다. 확산 대역 아래에 더욱 연질의 지르코늄 합금 기질이 존재한다. 산화지르코늄 표면의 경도는 대략 12 GPa이다. 산화지르코늄 표면에 대한 폴리에틸렌의 상당한 마모 감소는 산화 세라믹의 더욱 경질인 성질에 기인한다. 도 1은 산화지르코늄 층 (12) 및 확산 경화 대역 (14)을 가진 산화된 지르코늄 구조물 (10)의 개략적인 단면도를 나타내고, 이것은 2 마이크로미터 미만의 두께를 갖는다. 도 2는 세라믹 산화물 부분 (16), 산소-풍부 확산 대역 (18) 및 금속 기판 (20)을 가진 산화된 지르코늄 구조물의 경도 프로파일을 나타낸다. 도 2는 문헌 [M.Long, L.Reister and G.Hunter, Proc. 24th Annual Meeting of the Society For Biomaterials, April 22-26, 1998, San Diego, California, USA]에서 취해진다.

U.S. 특허 2,987,352 (Watson)은 내마모성을 증가시키기 위하여 지르코늄 합금 부품 위에서 흑청색 산화물 코팅물의 제조 방법을 개시하고 있다. U.S. 특허 2,987,352 및 U.S. 특허 3,615,885는 공기 산화에 의하여 지르코늄 합금 위에서 산화지르코늄 코팅물을 제조한다. U.S. 특허 3,615,885는 U.S. 특허 2,987,352의 흑청색 코팅물에 비해 더욱 큰 두께의 베이지색 코팅물을 제조하기에 충분히 오랫동안 공기 산화를 계속한다. 이러한 베이지색 코팅물은 흑청색 코팅물의 내구성을 갖고 있지 않으며, 따라서 더욱 근접한 2개의 작업 면이 존재하는 많은 부품에 적용될 수 없다. 베이지색 코팅물은 흑청색 산화물 코팅물에 비해 더욱 빨리 마모되고, 그 결과 산화된 지르코늄 입자가 형성되고 산화된 지르코늄 표면의 무결성이 소실된다. 산화물 표면의 소실과 함께, 지르코늄 금속이 환경에 노출되고 지르코늄 이온이 인접한 환경으로 전달될 수 있다.

흑청색 코팅물은, 흑청색 코팅물의 경도가 베이지색 코팅물의 경도보다 높긴 하지만 베이지색 코팅물보다 적은 두께를 갖는다. 이러한 더욱 경질의 흑청색 산화물 코팅물은 보철 장치와 같은 표면에 더욱 적합하다. 흑청색 코팅물은 베이지색 코팅물에 비해 더욱 내마모성이긴 하지만, 이것은 비교적 얇은 코팅물이다. 따라서, 선행 기술의 흑청색 코팅물의 바람직한 성질 (예를 들어, 증가된 내마모성)을 유지하는 신규의 개선된 조성물을 제조하는 것이 요망된다.

U.S. 특허 5,037,438 (Davidson)은 산화된 지르코늄 표면을 가진 지르코늄 합금 보철물의 제조 방법을 개시하고 있다. U.S. 특허 2,987,352 (Watson)은 산화된 지르코늄 표면을 가진 지르코늄 베어링의 제조 방법을 개시하고 있다. 제조된 산화물 코팅물은 항상 두께가 균일한 것은 아니고 지르코늄 합금과 산화물 층 사이에서 결합의 무결성 및 산화물 층 내에서 결합의 무결성을 불균일하게 감소시킨다. U,S.특허 2,987,352 및 U.S. 특허 5,037,438은 마치 여기에 완전히 개시된 것처럼 참고문헌으로 포함된다.

산화된 지르코늄이 통상적인 코발트 크롬 및 스테인레스 스틸 합금에 비해 뛰어난 향상을 갖긴 하지만, 여전히 개선될 여지가 있다. 산화물 + 확산 경화된 합금인 전체 경화 대역은 이식물이 (예를 들어, 뼈 시멘트, 뼈 조각, 금속 파편 등과 같은 제3의 체로부터의) 극히 작은 마모에도 내성이 되도록 하고 거시적인 충격 (외과 기계 및 금속 관골구 외피와의 탈구/아탈구 접촉)에 대해 약간 덜 내성이 되도록 한다. 고관절에서와 같은 경질-위-경질 응용에서, 재료를 폴리에틸렌 대신에 그 자체에 대해 또는 다른 경화 또는 비-경화 금속에 대해 교합시킨다. 이러한 유형의 이식물에서 마모 속도는 1년당 1 마이크로미터 만큼 빠를 수 있다. 7 마이크로미터 미만의 두께를 가진 전체 경화 대역에서, 이전의 산화된 지르코늄 이식물은 수명을 고려할 때 경질-위-경질 응용을 위해 최적에 못 미친다.

U.S. 특허 6,726,725는, 산화물 두께를 경질-위-경질 응용을 위해 20 마이크로미터까지 증가시킬 수 있지만, 이러한 두께를 가진 산화물 조성물은 높은 내구성을 갖긴 하지만 상당한 수의 산화물 층 결점을 가질 수 있음을 교시하고 있다. 이러한 결점으로 인해 산화물을 국소적으로 파쇄될 수 있다. 또한, 산화된 지르코늄 구조는 비교적 작은 확산 경화 대역을 갖고, 이것은 경질-위-경질 응용을 위해 이상적인 것에 못 미친다. U.S. 특허 6,726,725는 여기에서 참고문헌으로 포함된다.

U.S. 특허출원 공고 2007/0137734 A1은 경화 깊이를 증가시키기 위한 산화 후 진공 처리의 사용을 교시하고 있다. 이러한 처리는 산화물로부터 산소가 기판으로 확산되도록 하고, 따라서 경화 깊이를 아마도 50마이크로미터 만큼 많이 증가시킨다. 이것은 이전의 산화된 지르코늄 구조에 비해 상당한 개선이긴 하지만, 확산 경화된 금속 대역의 두께를 증가시킴으로써 경화 깊이가 증가된다는 것을 주목해야 한다. 따라서, 산화물이 마모되긴 하지만, 확산 경화 대역은 생성물의 나머지 수명 동안에 베어링 부분이다. 경질-위-경질 응용에서, 산화물 마모 파편은 금속 확산 경화된 마모 파편에 비해 더욱 불활성인 것으로 예상되지만 이러한 금속 마모 파편은 어느 정도의 이온 방출을 가져올 수도 있다.

산화물 마모를 감소시키기 위한 방법의 한 가지는 산화지르코늄 대신에 질화 지르코늄을 형성하는 것이다. 질화지르코늄은 산화지르코늄에 비해 약간 경질이고 따라서 마모를 감소시킬 수 있다. U.S. 특허 5,399,207은, 유동층 로를 사용하여 산화 또는 질화 지르코늄 조성물을 형성하는 방법을 설명한다. '207 특허는, 700 ℃ 내지 870 ℃에서 질화반응을 수행할 수 있음을 언급한다. '207 특허는 표면의 질화반응을 달성하기 위해 공기 또는 산소 대신에 순수한 질소의 사용을 교시하고 있다. U.S. 특허 5,180,394 (Davidson)은, 흑청색 산화지르코늄 또는 질화지르코늄 표면을 가진 정형외과 이식물을 개시하고 있다. '394 특허는, 질화물 층이 약 1 시간 내에 질소 대기하에 800 ℃에서 형성됨을 교시하고 있다. 이러한 고온의 사용은 입자 성장과 같은 미세구조 변화를 유도할 수 있다. 이러한 변화는 다시 기판의 기계적 성질에 영향을 미칠 수도 있다. 고온 방법은 제조되는 부품을 치수적으로 변형시킬 수 있다. 산화지르코늄이 지르코늄 합금 기판에 부착되지 않을 뿐만 아니라 질화지르코늄도 부착되지 않을 수도 있음을 주목해야 한다. 또한, 전체 선행 기술에서, 조합이 아니라 산화지르코늄 또는 질화지르코늄을 형성하려는 시도가 개시되어 있음을 주목해야 한다. U.S. 특허 5,399,207 및 5,180,394는 여기에서 참고문헌으로 포함된다.

U.S. 특허 출원 공고 2006/0233944 A1은, 이온 빔 보조 침착 (IBAD)으로서 공지된 진공 방법에서 코발트 크롬 (CoCr)을 지르코늄 이온으로 처리한 다음, 이를 산화시키는 것을 교시한다. 이러한 방법의 한 가지 단점은, 대부분의 지르코늄이 코팅물로서 침착되고 단지 매우 작은 부분 만이 기판 합금으로 합금되는 것이다. 그 후에 산화 단계는 CoCr 합금의 표면 위에서 코팅물로서 산화지르코늄을 형성한다. 이러한 방법의 잠재적인 단점은, 이러한 형성된 산화지르코늄의 무결성이 표면에 물리적으로 결합될 때만큼 양호하지 않을 수도 있다는 것이다. 또한, '944 출원에 의해 제안된 산화지르코늄 두께는 단지 3 내지 5 마이크로미터 두께이다. 이러한 얇은 표면은 경질-위-경질 응용을 위해 최적에 못 미칠 것이다.

발명의 요약

본 발명은 신규의 조성물 및 그로부터 만들어진 의료용 이식물이다. 조성물은 의료용 이식물 위의 합금 표면을 포함한다. 하나의 구현양태에서, 하나 이상의 금속 종을 확산시키고 이어서 이것을 처리하여 세라믹 표면을 형성함으로써 합금된 표면을 만든다. 본 발명은 신규의 조성물로부터 만들어진 정형외과 이식물, 신규의 조성물의 제조 방법, 및 신규의 조성물로부터 정형외과 이식물의 제조 방법을 포함한다. 조성물은 예를 들어 의료용 이식물의 교합 표면 및 비-교합 표면에서 응용을 갖는다. 조성물은 연질-위-경질 응용을 위해 특히 적합하지만, 본 발명은 고관절, 무릎, 척추 또는 기타 이식물에서와 같이 경질-위-경질 응용에서 의료용 이식물 조성물의 용도를 포함한다.

본 발명의 일부 측면에 따르면, 기판을 포함하고, 상기 기판이 첫 번째 생체친화성 금속을 포함하는 것인 첫 번째 부품; 상기 기판의 적어도 일부 위에 두 번째 생체친화성 금속을 포함하는 표면 합금/비-경화 대역; 탄소, 질소, 산소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 확산 경화 종을 포함하는 표면 합금/경화 대역을 포함하는, 상기 기판의 적어도 일부 위의 표면 합금 대역; 및 임의로 상기 첫 번째 부품과 접촉되는 두 번째 부품을 포함하는 의료용 이식물이 제공될 수도 있다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 첫 번째 생체친화성 금속 및 두 번째 생체친화성 금속의 적어도 하나는 통상적으로 순수하다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 첫 번째 생체친화성 금속은 티타늄, 지르코늄, 탄탈룸 및 니오븀으로 구성된 군에서 선택된다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 두 번째 생체친화성 금속은 티타늄, 지르코늄, 탄탈룸 및 니오븀으로 구성된 군에서 선택된다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 표면 합금/경화 대역은 세라믹을 포함한다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 표면 합금 대역은 약 5 내지 약 100 마이크로미터 범위의 두께를 갖는다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 표면 합금 대역은 약 20 내지 약 100 마이크로미터 범위의 두께를 갖는다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 표면 합금 대역은 약 50 내지 약 100 마이크로미터 범위의 두께를 갖는다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 첫 번째 생체친화성 금속 및 두 번째 생체친화성 금속의 적어도 하나는 합금이다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 합금은 지르코늄, 코발트, 크롬, 티타늄, 니오븀, 알루미늄, 바나듐, 탄탈룸 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된다.

본 발명의 일부 측면에 따르면, 첫 번째 생체친화성 금속을 포함한 기판을 제공하고; 두 번째 생체친화성 금속을 첫 번째 생체친화성 금속으로 확산시켜 상기 기판의 적어도 일부 위에 표면 합금 대역을 형성하고; 상기 표면 합금 대역의 적어도 일부를 탄소, 질소, 산소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 확산 경화 종으로 확산 경화시켜 상기 표면 합금 대역의 적어도 일부 내에 표면 합금/경화 대역을 형성하는 것을 포함하는 의료용 이식물의 형성 방법이 제공될 수도 있다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 상기 첫 번째 생체친화성 금속은 합금이다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 두 번째 생체친화성 금속의 확산 단계를 10^-4 토르 미만의 진공에서 600 ℃ 내지 1200 ℃의 온도 범위에서 수행한다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 산소, 질소 및 탄소로 구성된 군에서 선택되는 기체의 존재하에서 확산 경화 단계를 수행한다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 방법은 상기 두 번째 생체친화성 금속의 일부를 제거하는 단계를 포함하고, 상기 제거 단계는 분쇄, 텀블링 (tumbling), 유리-비드화, 쇼트-피닝 (shot-peening), 그릿 블라스팅, 연마, 샌딩, 및 연마 슬러리의 사용으로 구성된 군에서 선택된다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 두 번째 생체친화성 금속의 확산 방법은 불활성 기체 대기에서 수행된다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 불활성 기체는 아르곤, 헬륨, 질소 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 두 번째 생체친화성 금속의 확산 단계는 상기 기판에 집속 에너지 원을 적용하는 것을 포함한다. 본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 상기 집속 에너지 원은 레이저를 포함한다. 본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 상기 집속 에너지 원은 유도 가열 원을 포함한다.

본 발명의 일부 측면에 따르면, 첫 번째 협력 부품 및 두 번째 협력 부품을 포함하는 의료용 이식물이 제공될 수 있고, 여기에서 첫 번째 협력 부품, 두 번째 협력 부품 또는 양쪽 모두가 상기 기판의 적어도 일부 위에 표면 합금 대역을 포함하고, 상기 표면 합금 대역은 상기 기판의 적어도 일부 위에 두 번째 생체친화성 금속을 포함하는 표면 합금/비-경화 대역; 탄소, 질소, 산소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 확산 경화 종을 포함하는 표면 합금/경화 대역을 포함한다.

본 발명의 일부 측면에 따르면, 기판을 형성하는 첫 번째 생체친화성 금속; 생체친화성 합금 표면을 형성하기 위해 상기 첫 번째 생체친화성 금속으로 확산된 두 번째 생체친화성 금속을 포함하고, (b)에서 형성된 합금 표면이 확산 경화 종을 더 포함하며, 상기 확산 경화 종이 탄소, 질소, 산소, 붕소, 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 의료용 이식물이 제공될 수도 있다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 첫 번째 생체친화성 금속 및 두 번째 생체친화성 금속의 적어도 하나는 순수하다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 첫 번째 생체친화성 금속이 티타늄, 지르코늄, 탄탈룸 및 니오븀으로 구성된 군에서 선택된다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 두 번째 생체친화성 금속이 티타늄, 지르코늄, 탄탈룸 및 니오븀으로 구성된 군에서 선택된다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 확산 경화된 합금 표면은 세라믹이다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 합금 표면의 두께는 약 5 내지 약 100 마이크로미터의 범위이다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 합금 표면의 두께는 약 20 내지 약 100 마이크로미터의 범위이다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 합금 표면의 두께는 약 50 내지 약 100 마이크로미터의 범위이다.

본 발명의 일부 측면에 따르면, 첫 번째 생체친화성 금속으로 만들어진 금속 기판을 포함하는 첫 번째 부분; 및 적어도 첫 번째 생체친화성 금속 및 두 번째 생체친화성 금속으로 이루어진 합금 층을 포함하는 확산 경화된 두 번째 부분을 포함하는, 의료용 이식물이 제공될 수도 있다.

본 발명의 일부 측면에 따르면, 기판을 형성하는 첫 번째 생체친화성 금속을 제공하고; 두 번째 생체친화성 금속을 제공하고; 두 번째 생체친화성 금속을 첫 번째 생체친화성 금속에 확산시켜 합금 층을 형성하고; 합금 층으로부터 과량의 두 번째 금속 재료를 제거하고; 합금 층을 확산 경화시키는 것을 포함하는, 의료용 이식물의 형성 방법이 제공될 수도 있다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 첫 번째 생체친화성 금속 및 두 번째 생체친화성 금속의 적어도 하나가 합금이다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 합금 층을 확산 경화시키는 단계를 산소, 질소 및 탄소로 구성된 군에서 선택되는 기체의 존재 하에서 수행한다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 합금 층을 노출시키기 위해 기판으로부터 과량의 두 번째 재료를 제거하는 단계가 분쇄, 텀블링, 유리-비드화, 쇼트 피닝, 그릿 블라스팅, 연마, 샌딩 및 연마 슬러리의 사용으로 구성된 군에서 선택되는 단계를 포함한다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 합금 층을 확산 경화시키는 단계는 탄소, 질소, 산소, 붕소, 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 확산 경화 종으로 확산 경화 종으로 확산 경화시키는 단계를 포함한다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 합금 층을 형성하기 위해 첫 번째 생체친화성 금속에 두 번째 생체친화성 금속을 확산시키는 단계를 10^-4 토르 미만의 진공에서 수행한다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 두 번째 생체친화성 금속을 확산시키는 단계를 600 ℃ 내지 1200 ℃ 범위의 온도에서 수행한다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 두 번째 생체친화성 금속은 분말 형태이다. 본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 각각의 분말 입자의 두께는 약 500 내지 약 2000 마이크로미터의 범위이다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 합금 층을 형성하기 위해 두 번째 생체친화성 금속을 첫 번째 생체친화성 금속에 확산시키는 단계를 불활성 기체에서 수행한다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 기판을 형성하는 첫 번째 생체친화성 금속을 제공하고; 두 번째 생체친화성 금속을 제공하고; 두 번째 생체친화성 금속 및 첫 번째 생체친화성 금속을 집속 에너지로 처리하여 합금 층을 형성하고; 합금 층을 노출시키기 위해 기판으로부터 과량의 두 번째 금속 재료를 제거하고; 합금 층을 확산 경화시키는 것을 포함하는 의료용 이식물의 형성 방법이 제공될 수도 있다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 합금 층을 형성하기 위해 두 번째 생체친화성 금속 및 첫 번째 생체친화성 금속을 집속 에너지로 처리하는 단계는 레이저를 사용하는 것을 포함한다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 합금 층을 형성하기 위해 두 번째 생체친화성 금속 및 첫 번째 생체친화성 금속을 집속 에너지로 처리하는 단계는 유도 가열의 사용을 포함한다.

본 발명의 일부 측면에 따르면, 첫 번째 협력 부품 및 두 번째 협력 부품을 포함하는 의료용 이식물이 제공될 수 있고, 여기에서 첫 번째 협력 부품, 두 번째 협력 부품 또는 양쪽 모두가 기판을 형성하는 첫 번째 생체친화성 금속; 및 합금 표면을 형성하기 위해 상기 첫 번째 금속에 확산된 두 번째 생체친화성 금속을 포함하고, 합금 표면은 확산 경화 종을 더 포함하고, 여기에서 상기 확산 경화 종은 탄소, 질소, 산소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택된다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 확산 경화된 합금 표면이 세라믹이다.

본 발명의 일부 구현양태에 따르면, 첫 번째 및 두 번째 협력 부품은 고관절 이식물, 무릎 이식물, 척추 이식물 및 어깨 이식물로 구성된 군에서 선택되는 의료용 장치를 형성한다.

하나의 구현양태에서, CoCr 합금의 표면을 통상적인 확산 방법을 사용하여 고온에서 지르코늄으로 확산시킨다. 이어서, 합금을 산화시켜 CoCr 합금의 표면 위에 코발트 및 크롬 산화물과 혼합된 산화지르코늄을 형성한다.

다른 구현양태에서, 통상적인 확산 방법을 사용하여 Ti-6Al-4V 합금의 표면을 고온에서 지르코늄과 확산시킨다. 이어서, 합금을 산화시켜 티타늄, 지르코늄, 알루미늄 및 잠재적으로 바나듐의 혼합 산화물을 형성한다.

다른 구현양태에서, 티타늄을 지르코늄 합금에서 확산시킨다. 이어서, 전체 샘플을 산화시킨다. 지르코늄 기판에서 티타늄의 확산은 비-합금 지르코늄 표면에서 형성되는 것에 비해 표면 위에서 더욱 두꺼운 산화물을 형성한다. 이어서, 경화 깊이를 증가시키기 위하여 처리된 합금을 진공 처리로 더욱 확산 경화시킬 수 있다.

다른 구현양태에서, 크롬을 코발트 크롬 기판에 확산시킨 다음 표면을 질화시켜 질화 크롬을 형성하거나 산화시켜 산화 크롬을 형성한다.

본 발명의 추가의 응용 분야는 이하에 제공된 상세한 설명으로부터 명백할 것이다. 상세한 설명 및 특정한 실시예는, 본 발명의 특정한 구현양태를 나타내면서, 단지 예증의 목적으로 주어진 것이고 본 발명의 범위를 제한할 의도는 없음을 이해해야 한다.

본 명세서에 포함되고 일부를 형성하는 첨부된 도면은 본 발명의 구현양태를 예증하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리, 특징 및 특성을 설명하는 역할을 한다. 도면에서:
도 1은 산화된 지르코늄 샘플의 개략도이다.
도 2는 산화된 지르코늄 샘플의 경도 프로파일을 도시한다.
도 3은 티타늄으로 합금된 Zr-2.5Nb 합금 표면의 샘플에서 티타늄 확산의 깊이를 도시한다.
도 4는 티타늄으로 합금되고 이어서 산화된 Zr-2.5Nb 샘플 표면의 금속조직학 영상이다.
도 5는 지르코늄으로 합금되고 이어서 산화된 코발트 크롬 표면의 개략도이다.
도 6은 티타늄으로 합금되고 이어서 산화된 지르코늄 합금 표면의 개략도이다.
도 7은 고관절 이식물의 개략도이다.

묘사된 구현양태(들)의 하기 상세한 설명은 단지 일례이고 어떠한 방식으로도 본 발명, 응용 또는 용도를 제한하는 것으로 해석되지 않는다.

여기에서 사용된 단수 표현 ("a" 또는 "an")은 하나 또는 그 이상을 의미한다. 달리 나타내지 않는 한, 단수 표현은 복수를 함유하고 복수 표현은 단수를 함유한다.

여기에서 사용된 용어 "합금"은 금속성 고용체를 의미한다. 용어 "표면 합금"이란 하나 이상의 합금 종이 벌크 기판에서에 비하여 더욱 큰 농도로 표면 및 근-표면 영역에 존재하는 합금으로서 정의된다. 이로서, 표면 및 근-표면 영역은 하나 이상의 "표면 합금 종"을 포함한다. 따라서, Zr-2.5Nb의 벌크 샘플은 2.5% 생산량으로 니오븀을 갖는 지르코늄의 합금이다. 티타늄이 기판에서보다 표면 및 근-표면 영역에서 더욱 큰 농도로 존재하도록 동일한 샘플을 티타늄으로 표면 합금한다면, 샘플은 "합금"이고 "표면 합금"을 갖는다.

여기에서 사용된 "지르코늄 합금"은 넓은 범위로 정의되고, 적어도 5% (w/w) 지르코늄을 가진 합금을 포함한다. 합금은 지르코늄, 티타늄, 하프늄 및 니오븀일 수 있다. 합금은 다결정성 또는 비결정성 또는 단일 결정 또는 이들의 조합일 수 있다.

"표면 합금 대역"은 하나 이상의 표면 합금 금속 종을 포함하는 표면 및 근-표면 영역으로서 정의된다. 일부 구현양태에서, 표면 합금 대역 영역은 기판의 두께의 약 1 내지 약 5%, 더욱 특별하게는 기판의 두께의 약 1 내지 약 2%의 두께일 수도 있다. 일부 구현양태에서, 표면 합금 대역은 약 10 마이크로미터 내지 약 2000 마이크로미터의 두께를 가질 수도 있다. 예를 들어, 기판이 10 mm 두께라면, 표면 합금 대역이 2 mm 정도의 두께일 수도 있다. 하나의 특별한 구현양태에서, 표면 합금 대역은 약 10 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터의 두께를 가질 수도 있다.

"확산 경화 대역"은 하나 이상의 확산 경화 종을 포함하는 표면 합금 대역으로 정의된다. 확산 경화 종의 예는 탄소, 산소, 질소, 붕소 또는 이들의 조합을 포함한다. 확산 경화 대역은 기판 경도에 비해 적어도 1.1 배 큰 경도를 갖는다. 조성물이 하나 이상의 합금 종으로 표면 합금되고 하나 이상의 확산 경화 종으로 확산 경화되는 경우에, 확산 경화 종 및 표면-합금 금속을 모두 포함하는 영역은 "표면 합금/경화 대역"으로 정의된다. 본 발명의 많은 구현양태에서, 확산 경화 종이 표면 합금 종에서와 같은 정도로 기판 내로 깊숙이 연장되지 않도록 확산 경화를 수행한다. 단지 표면 합금 종 만을 포함하지만 확산 경화 종을 포함하지 않는 깊이의 영역을 "표면 합금/비-경화 대역"이라 정의한다. 이러한 경우에, 표면 합금 대역은 표면 합금/경화 대역 및 표면 합금/비-경화 대역을 양쪽 모두 포함한다.

여기에서 사용된 "세라믹"은 금속 (또는 합금에서 금속 부품) 및 탄소, 산소, 질소, 붕소 및 이들의 조합을 포함하는 하나 이상의 비-금속의 화학 화합물로서 정의된다. 본 발명의 세라믹의 바람직한 구현양태가 산화물이긴 하지만, 본 발명의 세라믹은 산화물, 탄화물, 질화물, 붕소화물 및 이들의 조합을 포함한다. 여기에서 사용된 용어 "세라믹 층"은 더욱 큰 재료의 일부를 형성하는 세라믹으로 구성된 재료의 기층으로서 정의된다. 여기에서 사용된 용어 "세라믹 코팅물"이란 합금 또는 금속 기판에 존재하는 표면 변형된 층, 표면 필름, 표면 산화물, 질화물, 탄화물, 붕소화물 (또는 이들의 조합)을 가리킨다.

여기에서 사용된 "생체친화성 금속 또는 생체친화성 합금"은 정형외과 산업에서 보통 사용되는 개개의 금속 또는 금속 조합 (합금)으로서 정의된다. 생체친화성 금속의 예는 1 중량% 미만의 추가의 금속을 가진 순수한 티타늄 또는 순수한 지르코늄이다. 생체친화성 합금의 예는 코발트-크롬-몰리브덴, 티타늄-알루미늄-바나듐, 니켈-티타늄 및 지르코늄-니오븀을 포함한다. 본 발명에서 언급되는 다른 생체친화성 합금은 지르코늄 또는 티타늄 또는 탄탈룸 또는 니오븀 또는 하프늄 또는 이들의 조합으로부터 만들어진 합금이다.

본 발명의 하나의 구현양태에서, 이식물을 포함하는 조성물은, 기판을 형성하는 첫 번째 금속을 제공하고, 금속 기판으로 두 번째 금속을 확산시키고, 첫 번째 금속으로부터 과량의 코팅 재료를 제거하여 기판의 합금 표면을 제공하고, 합금 표면을 경화시키는 단계를 포함하는 방법에 의해 만들어진다. 일례로서, 첫 번째 금속은 코발트 크롬, 티타늄, 티타늄 합금, 스테인레스 스틸, 지르코늄 또는 지르코늄 합금으로 만들어질 수 있다. 일례로서, 두 번째 금속은 지르코늄, 코발트, 크롬, 티타늄, 니오븀, 알루미늄, 바나듐 또는 이들의 조합으로 만들어질 수 있다. 일례로서, 과량의 코팅 재료를 분쇄, 텀블링, 유리-비드화, 쇼트-피닝, 그릿 블라스팅, 샌딩 또는 연마 슬러리의 사용에 의해 제거할 수 있다. 경화 단계는 산소, 탄소, 질소, 붕소 또는 이들의 조합의 대기 중에서 표면을 처리하는 것을 포함할 수도 있다.

본 발명의 하나의 특별한 구현양태에서, 생체친화성 합금, 예컨대 Zr-2.5Nb의 기판은 지르코늄 및 티타늄을 포함한 세라믹 층을 특징으로 하는 표면을 갖는다. 세라믹 층의 두께는 일반적으로 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터이다.

하나의 특별한 방법에서, 순수 (commercially pure) 티타늄 분말을 Zr-2.5Nb 합금 샘플의 표면 위에 놓거나 또는 배치한다. 샘플 및 티타늄 분말을 약 10시간 동안 진공 하에, 예를 들어 약 10^-4 토르 미만에서 약 800 ℃로 가열한다. 처리 후에, 샘플을 실온으로 식히고 과량의 티타늄 표면 분말을 제거한다. 그 결과 기판 위에 표면 합금이 얻어지고, 이것을 도 3에서 금속조직학 영상으로 도시한다. 도 3에 나타낸 구현양태는 기판 (210) 및 표면 합금 대역 (220)을 가진 단면의 조성을 도시한다. 금속조직학 영상을 기초로 하여, 기판 (210)과 표면 합금 대역 (220) 사이에서 뚜렷한 경계가 존재하는 것으로 보인다는 것을 주목해야 한다. 그러나, 당업자라면 이러한 뚜렷한 경계가 존재하지 않음을 이해할 것이다. 금속조직학적으로 눈에 보이지 않긴 하지만, 티타늄 농도는 표면 합금 대역 (220)으로부터 기판 (210)으로 갈수록 서서히 변한다.

그 후에, 합금 표면을 가진 샘플을 경화할 수도 있다. 예를 들어, 합금 표면을 예컨대 약 600 ℃에서 약 1시간 15분 동안 산화시킴으로써 확산 경화시킬 수도 있다. 당업자라면 질화, 탄소처리 또는 기타 유사한 처리를 동일하게 사용할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 산화 후의 합금 표면을 도 4에서 금속조직학 영상으로 도시한다. 도 4에 나타낸 구현양태는 기판 (210), 표면 합금/비-경화 대역 (220) 및 표면 합금/경화 대역 (230)을 가진 단면의 조성을 도시한다. 묘사된 구현양태에서, 표면 합금/경화 대역 (230)은 산화물 층이다. 도 4에 나타낸 구현양태에서, 산화 방법은 표면 위에 대략 25 마이크로미터 두께의 산화물을 제공한다. 이것은 기판 내로의 티타늄 확산이 Ti 합금 영역이 없는 Zr-2.5Nb 기판 위에서 달성될 수 있는 것보다 더욱 두꺼운 산화물을 형성하는 표면을 제공하기 때문에 중요하다. 비-합금 표면을 위하여, 산화물 두께는 일반적으로 약 5 내지 6 마이크로미터 두께이다.

도 5는 본 발명의 다른 구현양태를 도시한다. 도 5에 나타낸 구현양태는 기판 (310) 및 표면 합금 대역 (314)을 가진 구조물 (300)이다. 도 5에서, 산화물, 질화물, 탄화물 또는 이들의 조합의 혼합물은 생체친화성 합금, 예컨대 CoCr의 기판을 덮는다. 하나 이상의 지르코늄, 티타늄, 코발트 및 크롬을 기판에 확산시킴으로써 혼합물을 형성할 수도 있다. 혼합된 산화물의 두께는 일반적으로 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터이다. 첫 번째 구현양태의 예로서, 통상적인 확산 방법을 사용하여 CoCr 합금의 표면을 고온에서 지르코늄으로 확산시킨다. 이어서, 합금을 산화시켜 CoCr 합금의 표면 위에서 코발트 및 크롬 산화물과 혼합된 산화지르코늄을 형성한다.

다른 구현양태에서, Ti-6Al-4V 합금의 표면을 통상적인 확산 방법을 사용하여 고온에서 지르코늄으로 확산시킨다. 이어서 합금을 산화시켜 티타늄, 지르코늄, 알루미늄 및 잠재적으로 바나듐의 혼합 산화물을 형성한다.

도 6은 본 발명의 다른 구현양태를 도시한다. 도 6에 나타낸 구현양태는 기판 (410) 및 표면 합금 대역 (414)을 가진 구조물 (400)이다. 도 6에서, 산화물, 질화물, 탄화물 또는 이들의 조합의 혼합물은 지르코늄 합금의 기판을 덮는다. 예를 들어, 티타늄을 지르코늄 기판에 확산시킴으로써 혼합물을 형성할 수도 있다. 혼합된 산화물의 두께는 일반적으로 약 1 마이크로미터 내지 약 100 마이크로미터이다. 이어서, 전체 샘플을 산화시킨다. 지르코늄 기판에서 티타늄을 확산시키면, 비-합금 지르코늄 표면 위에 형성되는 것보다 표면 위에서 더욱 두꺼운 산화물을 형성한다. 이어서 경화 깊이를 증가시키기 위해 처리된 합금을 진공 처리로 더욱 확산 경화시킬 수 있다.

본 발명의 다른 구현양태에서, 크롬을 코발트 크롬 기판으로 확산시킨 다음, 표면을 질화시켜 질화크롬을 형성하거나 산화시켜 산화크롬을 형성한다.

본 발명의 일부 구현양태에서, 합금 표면을 예컨대 합금 과정 동안에 동일반응계에서 산화시키거나 질화시키거나 탄소처리할 수도 있다. 본 발명의 일부 구현양태에서, 의료용 이식물은 산화되거나 질화되거나 탄소처리되지 않은 합금 표면을 포함할 수도 있다.

여기에 기재된 확산 방법은 총망라한 것은 아니고 합금 표면의 형성의 대표적인 예임을 주목해야 한다. 합금 표면을 만들기 위하여, 표면을 가열하거나 부분 용융시킨 다음 금속 분말 제트를 사용하여 표면을 동시에 합금시키기 위해 레이저 또는 기타 집속 에너지 원, 예컨대 유도 가열의 사용과 같은 기타 기술을 사용할 수도 있다. 이러한 구현양태는 본 발명의 범위 내이다.

일부 구현양태에서, 진공 하에서 방법을 수행하는 대신에 확산 경화 과정 동안에 불활성 기체 또는 불활성 기체들의 혼합물을 사용할 수도 있다. 불활성 기체는, 이에 한정되지 않지만 질소, 아르곤, 헬륨, 크립톤 및 네온을 포함할 수도 있다.

신규의 조성물은 다양한 종류의 의료용 이식물에서 응용을 갖는다. 이러한 물품의 한 가지 용도는 고관절 이식물이다. 도 7은 고관절 보철물 (510)을 나타낸다. 고관절 보철물 (510)은 정강이 (512), 대퇴부 상부 (514), 라이너 (516) 및 외피 (518)를 포함한다. 대퇴부 상부 (514)를 정강이 (512)에 기능적으로 연결시키고, 라이너 (516)를 외피 (518)에 결합시킨다. 정강이 (512)는 넓적다리 (도시되지 않음)에 장착하기 위해 적합하고, 외피 (518)는 관골구 (도시되지 않음)에 장착하기 위해 적합하다. 대퇴부 상부 (514)는 라이너 (516)에 교합된다. 이러한 특별한 경우에, 대퇴부 상부 (514) 및 라이너 (516) 양쪽 모두는 여기에 기재된 조성물로 만들어질 수 있다.

본 발명의 일부 구현양태에서, 교합 부품의 단지 하나는 여기에 기재된 조성물로 만들어지고, 다른 교합 부품은 생체친화성 재료로 만들어진다.

본 조성물은 의료용 이식물의 어느 하나 및 모두에 적용될 수 있으며, 특히 이에 한정되지 않지만 고관절, 무릎, 어깨 및 팔꿈치 정형외과 이식물과 같은 의료용 이식물을 교합하기 위하여 적용될 수 있다. 척추 이식물도 본 발명에 따를 수 있다. 본 발명은 비-교합 의료용 이식물의 어느 하나 및 전부에 응용을 갖는다.

상기 내용에 비추어 볼 때, 본 발명의 몇 가지 장점이 성취되고 달성된다는 것을 알 수 있다.

본 발명의 원리 및 그의 실제적인 응용을 가장 잘 설명하기 위하여 구현양태를 선택하고 기재하였으며, 이에 의해 당업자라면 다양한 구현양태에서 본 발명을 가장 잘 사용하고 특정한 용도에 적합하도록 다양한 변형을 행할 수 있다.

본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 여기에 기재되고 예증된 구조 및 방법에 다양한 변형을 행할 수 있고 설명할 수 있기 때문에, 상기 상세한 설명에 함유되고 첨부된 도면에 나타낸 모든 사항들은 제한이라기 보다는 예증으로 해석되어야 한다. 예를 들어, 도 3은 Zr-2.5Nb 합금으로부터 만들어진 기판을 나타내긴 하지만, 다른 기판 재료가 동일하게 사용될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 범위 및 영역은 상기 기재된 일례의 구현양태에 의해 제한되어야 하는 것이 아니라 첨부된 청구의 범위 및 그의 균등범위에 따라서만 한정되어야 한다.

Claims

a. 기판을 포함하고, 상기 기판이 첫 번째 생체친화성 금속을 포함하는 것인 첫 번째 부품;
b. i. 상기 기판의 적어도 일부 위에 두 번째 생체친화성 금속을 포함하는 표면 합금/비-경화 대역;
ii. 탄소, 질소, 산소, 붕소 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 확산 경화 종을 포함하는 표면 합금/경화 대역
을 포함하는, 상기 기판의 적어도 일부 위의 표면 합금 대역; 및
c. 임의로, 상기 첫 번째 부품과 접촉되는 두 번째 부품
을 포함하는 의료용 이식물.
제1항에 있어서, 첫 번째 생체친화성 금속 및 두 번째 생체친화성 금속의 적어도 하나가 순수한 (commercially pure) 의료용 이식물.
제1항 또는 제2항에 있어서, 첫 번째 생체친화성 금속이 티타늄, 지르코늄, 탄탈룸 및 니오븀으로 구성된 군에서 선택되는 의료용 이식물.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 두 번째 생체친화성 금속이 티타늄, 지르코늄, 탄탈룸 및 니오븀으로 구성된 군에서 선택되는 의료용 이식물.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 표면 합금/경화 대역이 세라믹을 포함하는 의료용 이식물.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 표면 합금 대역이 약 5 내지 약 100 마이크로미터 범위의 두께를 갖는 의료용 이식물.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 표면 합금 대역이 약 20 내지 약 100 마이크로미터 범위의 두께를 갖는 의료용 이식물.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 표면 합금 대역이 약 50 내지 약 100 마이크로미터 범위의 두께를 갖는 의료용 이식물.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 첫 번째 생체친화성 금속 및 두 번째 생체친화성 금속의 적어도 하나가 합금인 의료용 이식물.
제9항에 있어서, 합금이 지르코늄, 코발트, 크롬, 티타늄, 니오븀, 알루미늄, 바나듐, 탄탈룸 및 이들의 조합으로 구성된 군에서 선택되는 의료용 이식물.