金屬植入物的製作方法

2023-11-30 01:53:11 4

專利名稱：金屬植入物的製作方法
金屬植入物
背景技術：
關節置換術或關節成形術是一種外科手術方法，其中除去患病的關節部件，並 用新的人造部件置換。金屬和金屬合金通常用於製造醫用或矯形植入物，比如人工髖關 節。植入物包括關節連接的承壓材料以抵抗硬的對磨麵(counterface)，比如金屬、陶瓷或 聚合物偶件。近年來，變得逐漸明顯的是在矯形植入物和宿主骨骼接觸面的組織壞死 和骨質溶解是假關節長期鬆弛故障(loosening failure)的主要原因。矯形外科醫生和生物 材料科學家普遍認為組織壞死和骨質溶解是，至少部分是，由於金屬元件在磨損期間產 生的金屬或金屬合金的微觀粒子的存在引起。身體對這些顆粒的反應，例如免疫應答， 包括固定的矯形植入物引起的組織特別是骨骼的炎症和衰退。最終，矯形植入物變得令 人疼痛和/或鬆弛，必須調整和/或替換。 由於在關節部件之間形成的軟骨和天然潤滑劑例如體液，健康的動物關節具有 極其低的摩擦係數和很小的磨損。製造的人造關節很難獲得這樣的最小摩擦。 一個在人 造關節中促進磨損增加的問題是植入物的接觸面之間缺少充分潤滑。另外，表面之間引 起的摩擦產生磨損碎屑，其為病理性組織反應的重要原因。 已經進行了減少金屬植入物的磨損和相關金屬植入物磨損的微粒碎屑的嘗試。 已經進行了通過用包含碳化物的拋光工具拋光植入物的生物相容性金屬表面來減少磨損 的嘗試。然而，採用拋光，從金屬植入物表面發現的拋光線的銳緣或碳化物的高點可以 形成夾雜物。在磨合期期間，即，在插入植入物之後，夾雜物可以從植入物表面脫落， 或者碳化物夾雜物可以從植入物表面釋放。 進一步地，例如在用髖關節置換術系統中，已經嘗試通過減小股骨頭和插入物 之間的對角間隙(diametrical clearance)來減少金屬磨損，然而，這需要嚴格的生產控制 來保持耐受性。但該生產控制不能阻止金屬植入物的磨損接觸面的夾雜物脫落或進入體 液。 另一個提議的減少金屬磨損的方法是在金屬植入物表面建立凹槽。然而，如同 其它方法，硬的夾雜物仍可以從表面脫落和引起植入物部件磨損。 存在提供一種具有金屬磨損將少和相關微粒碎屑減少的生物相容性金屬植入物 的期望。 發明概述 本發明提供一種用於製備醫學植入物或醫學植入物部件的方法。所述方法包括 使生物相容性金屬或生物相容性金屬合金植入物或植入物部件進行電化學蝕刻，以便除 去植入物表面上的夾雜物和分布微凹痕。
本發明在以下方面提供了 方面l、 一種製備植入物的方法，其包括步驟(a)提供包括生物相容性金屬表 面的植入物，和(b)使所述生物相容性金屬表面與電解質溶液接觸，和(C)電流流過與所 述電解質溶液接觸的陰極和陽極之間的電解質溶液，和(d)形成在所述植入物表面分布的
微凹痕。
方面2、方面1的方法，其中所述生物相容性金屬表面包括合金。 方面3、方面2的方法，其中所述合金為鈷-鉻-鉬合金。 方面4、方面1的方法，其中所述植入物包括至少一個人工髖關節的部件。 方面5、方面1的方法，其中所述電解質溶液包括選自下述的電解質可溶性無
機化合物、可溶性有機化合物、酸、鹼、過氧化氫、乙醇及其混合物。 方面6、方面5的方法，其中所述電解質在電解質溶液中的存在濃度為約0.05M
至約5M。 方面7、方面6的方法，其中所述電解質在電解質溶液中的存在濃度為約0.1M 至約1M。 方面8、方面5的方法，其中所述電解質為選自下述的可溶性無機化合物氯化 鈉(NaCl)、氯化鉀(KC1)、氯化鈣(CaCl》、氯化鎂(MgCl》、氯化銨(NH4C1)、磷酸氫二鈉 (Na2HP04)、磷酸二氫鈉(NaH2P04)、磷酸二氫鉀(KH2P04)、磷酸氫二鉀(K2HP04)、硫酸 鈉(Na2S04)、硫酸鉀(K2S04)、硫酸銨((NH4)2S04)、硝酸鈉(NaN03)、硝酸鉀(KN03)、硝 酸銨(NH4N03)、亞硝酸鉀(KN02)及其混合物。 方面9、方面5的方法，其中所述電解質為有機化合物，其為糖和糖的混合物。
方面10、方面9的方法，其中所述糖為葡萄糖。 方面ll、方面5的方法，其中所述電解質為選自下述的酸鹽酸、硫酸、硝 酸、磷酸、乙酸、檸檬酸及其混合物。 方面12、方面5的方法，其中所述電解質為選自下述的鹼氫氧化鈉、氫氧化 鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉及其混合物。 方面13、方面1的方法，其中所述要蝕刻的生物相容性金屬表面也與陽極接 觸。 方面14、方面1的方法，其中所述生物相容性金屬表面進行電化學蝕刻的時間 為約0.5分鐘至約30分鐘。 方面15、方面14的方法，其中所述生物相容性金屬表面進行電化學蝕刻的時間 為約2分鐘至約20分鐘。 方面16、方面1的方法，其中所述生物相容性金屬表面進行電化學蝕刻中的電 流密度為約0.001mA/cm2至約10A/cm2。 方面17、方面15的方法，其中所述生物相容性金屬表面進行電化學蝕刻中的電 流密度為約0.01mA/cm2至約1A/cm2。 方面18、方面1的方法，其中所述生物相容性金屬表面進行電化學蝕刻中的電 解質溶液的溫度為約fC至約80°C。 方面19、方面18的方法，其中所述生物相容性金屬表面進行電化學蝕刻中的電 解質溶液的溫度為約15t:至約25°C。 方面20、方面19的方法，其中所述生物相容性金屬表面在電化學蝕刻後具有比 電化學蝕刻前更大的負Rsk值。 方面21、 一種植入物，其通過包括如下步驟的方法製備(a)提供包括生物相容 性金屬表面的植入物，和(b)使所述生物相容性金屬表面與電解質溶液接觸，和(c)電流 流過與所述電解質溶液接觸的陰極和陽極之間的電解質溶液，和(d)形成在所述植入物表面分布的微凹痕。


圖1為根據本發明的一個實施方案製造的鈷鉻鉬表面的表面掃描電子顯微術 (SEM)顯微照片(放大倍數1000倍)。
發明詳述 在一個實施方案中，本發明提供一種製備植入物的方法，其包括提供包括生物 相容性金屬表面的植入物，通過使該生物相容性金屬表面與電解質溶液接觸而使該植入 物的生物相容性金屬表面進行電化學蝕刻，電流流過與所述電解質溶液接觸的陰極和陽 極之間的電解質溶液。 本發明尋找減少或消除用澆鑄工藝生產的金屬植入物所通常伴有的缺點。在金 屬植入物部件的澆鑄工藝中，在表面上形成一些不期望的化合物，如夾雜物，例如碳化 物。在鉻鈷鉬植入物的情況下，例如，這些為M7C3碳化物。所述夾雜物易於凸出在植 入物頂部和種植窩(socket)的表面上，在被磨損後，其可以呈細微粒進入植入物的活動部 件之間的關節腔。 根據本發明的電化學蝕刻方法通過除去植入物表面上存在的夾雜物，建立了包 含微凹痕(micropitting)的生物相容性金屬表面。該微凹痕的表面提供了更強的抗腐蝕表 面。所述金屬表面上的微凹痕還可提供用於血清潤滑的間隙，從而增加了潤滑和減少了 磨損。 電化學處理生物相容性金屬表面建立了模擬植入物表面的表面形態的金屬表 面，其已經經受了磨合期。在磨合期期間，夾雜物被從新的植入物表面除去。利用得到 的該磨合期，可以建立有利的潤滑狀態。 所述醫學植入物裝置或其部件可以是任何合適的醫學植入物裝置或其部件。合 適的醫學植入物裝置和其部件包括，但不限於，用於臀部、膝、踝、肩部、肘和脊柱的 矯形假體。示例性的醫學植入物裝置包括完全的或部分的膝關節置換假體、完全的或部 分的臀部關節置換假體、完全的或部分的肘關節置換假體、完全的或部分的腕關節置換 假體、完全的或部分的肩關節置換假體和完全的或部分的脊髓節段關節置換假體。醫學 植入物裝置的示例性的部件包括膝假體(例如單室或全部膝關節置換假體)的股骨部件 (例如，用於置換一個或多個股骨髁)或脛骨部件(例如，用於置換一個或多個近端脛骨 坪)、臀部假體的股骨部件(例如，用於置換至少股骨的近端部分或頂部)或基節杯(例 如，用於置換臀部骨頭的股骨窩(femoral socket》、肘假體的肱部部件(例如，用於置換肱 骨的遠端)或尺骨部件(例如，用於置換尺骨的近端)、腕假體的掌骨部件(用於置換一個 或多個掌骨的至少一部分)或橈骨部件(用於置換橈骨的遠端)、肩假體的肱部部件(例 如，用於置換肱骨的近端或頂部)或淺窩部件(例如，用於置換肩胛骨的淺窩或窩部)、踝 假體的脛骨部件(例如，用於置換脛骨的遠端)或距骨部件(例如，用於置換距骨的近端) 和脊骨盤假體的終板部件(例如，用於接觸頸、腰椎或胸椎的上部或下部)或間隔段部件 (例如，用於插入終板部件之間)。 所述金屬基體可以是除了鋼的任何合適的金屬基體。除非本文另有說明，術語 "金屬"指純金屬和金屬合金。所述"金屬基材"可以是基本上形成醫學植入物裝置或其部件的全部，或者幾乎全部結構；或者"金屬基材"可以是基本上形成醫學植入物裝 置或其部件的一部分結構，基本上形成醫學植入物裝置或其部件的結構的其餘部分包括 其它材料。當所述金屬基體是基本上形成醫學植入物裝置或其部件的一部分時，該金屬 基體可以基本上形成醫學植入物裝置或其部件的結構的全部表面或表面的一部分。 所述金屬基體可以包括任何合適的金屬，期望地生物相容性金屬，基本上由 其組成，或者由其組成。期望的金屬包括具有用於關節置換術假體的合適機械性質的 金屬。所述金屬優選地不易與在將要放置該醫學植入物裝置或其部件的患者中被侵 蝕，並且優選地具有合適的強度和疲勞特徵。示例性的優選的金屬基體包括鈷、鈷合 金、鈦、鈦合金及其混合物。合適的鈷鉻合金包括，但不限於澆鑄的、鍛造的和鍛造 的鈷-28-鉻-6-鉬(Co28Cr6Mo))合金，其分別描述在例如ASTM Standards F75-01 、 F799-02和F1537-00中。合適的鈦-鋁合金包括，但不限於描述在例如ASTM Standard F2146-01中的鈦-3-鋁-2.5-釩合金(Ti-3A1-2.5V)和描述在例如ASTM Standard F136-02a 中的鈦-6-鋁-4-釩(Ti-6A1-4V)合金。ASTM標準可以從ASTM International(West Conshohocken， PA)的出版物或電子介質獲得。 在本發明的方法的一個優選的實施方案中，植入物暴露於電解質溶液中。在本 發明的方法中所用的電解質溶液包括選自下述的電解質水溶性無機化合物、水溶性有 機化合物、酸、鹼、水溶性氧化劑、醇、二醇、二醇醚、胺、醯胺、吡咯烷酮及其混合 物。典型地，所述電解質在電解質溶液中的存在濃度為約0.05M至約5M，優選約0.05M 至約3M，更優選約0.1M至約1M。 可以使用任何合適的可溶性無機化合物來形成所述電解質溶液。合適的水溶 性無機化合物包括族Ia、 IIa、過渡金屬的鹽及其混合物。合適的金屬陽離子的實例 包括鋰、鈉、鉀、鎂和鈣。根據本發明的實施方案，所述水溶性無機化合物可選自 氯化物，比如氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KC1)、氯化鈣(CaCl》、氯化鎂(MgCl2)，和氯化 銨(NH4C1);磷酸鹽，比如磷酸氫二鈉(Na2HP04)、磷酸二氫鈉(NaH2P04)、磷酸二氫鉀 (KH2P04)和磷酸氫二鉀(K2HP04);硫酸鹽，比如硫酸鈉(Na2S04)、硫酸鉀(K2S04)和硫酸 銨((NH4)2S04);硝酸鹽，比如硝酸鈉(NaN03)、硝酸鉀(KN03)、硝酸銨(NH4N03)和亞硝 酸鉀(KNO》；及其混合物。典型地，所述水溶性無機化合物在電解質溶液中的存在濃度 為約0.05M至約5M，優選約0.05M至約3M，更優選約0.1M至約1M。
在製備所述電解質溶液中可以使用任何合適的水溶性有機化合物。合適的水溶 性有機化合物包括糖類，包括四碳糖，比如赤蘚糖、蘇糖和赤蘚酮糖；五碳糖，比如 核糖、阿拉伯糖、木糖、來蘇糖、核酮糖和木酮糖；六碳糖，比如阿洛糖、阿卓糖、葡 萄糖、甘露糖、古洛糖、艾杜糖、半乳糖、塔羅糖、psiscose、果糖山梨糖和塔格糖；二 糖，比如蔗糖、乳糖、麥芽糖、海藻糖和纖維二糖；低聚糖；多糖；及其混合物。在 一個優選的實施方案中，所述水溶性有機化合物為葡萄糖。典型地，所述水溶性有機化 合物在電解質溶液中的存在濃度為約0.05M至約5M，優選約0.05M至約3M，更優選約 0.1M至約1M。 本發明可以使用任何合適的酸。合適的酸包括無機酸和有機酸。合適的無機 酸包括，例如鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸及其混合物。合適的有機酸包括，例如甲酸、 乙酸、檸檬酸、酒石酸、草酸、丙二酸、戊二酸、己二酸、葡糖醛酸、羥基乙酸、氯乙酸、二氯乙酸、三氯乙酸、氟乙酸、溴乙酸、硝基乙酸、丙酸、丁酸、氯代丁酸、苯酚 及其混合物。在一個優選的實施方案中，所述酸為鹽酸、硫酸或硝酸。典型地，所述酸 在電解質溶液中的存在濃度為約0.05M至約5M，優選約0.05M至約3M，更優選約0.1M 至約1M。 本發明可以使用任何合適的鹼。合適的鹼包括，例如鹼金屬鹼(其中所述鹼金屬 為鋰、鈉、鉀、銣和/或銫)，比如氫氧化物或碳酸鹽；鹼土金屬鹼(其中所述鹼土金屬為 鈹、鎂、鈣、鍶、鋇和/或鐳)，比如氫氧化物和碳酸鹽；有機鹼，比如例如氫氧化銨、 胺比如伯胺、仲胺或叔胺(例如二乙胺、三乙胺)和烷醇胺比如乙醇胺、二乙醇胺、丙醇 胺、二丙醇胺等。優選地，所述鹼選自氫氧化鈉、氫氧化鉀、碳酸鈉、碳酸氫鈉及其混 合物。典型地，所述鹼在電解質溶液中的存在濃度為約0.05M至約5M，優選約0.05M至 約3M，更優選約0.1M至約1M。 本發明可以使用任何合適的水溶性氧化劑。合適的水溶性氧化劑包括，例如比 如過氧化氫、鹼金屬或鹼土金屬硝酸鹽、亞硝酸鹽、高氯酸鹽、氯酸鹽、亞氯酸鹽、次 氯酸鹽、重鉻酸鹽、高錳酸鹽、過硫酸鹽及其混合物。在一個優選的實施方案中，所述 水溶性氧化劑為過氧化氫。典型地，所述可溶性氧化劑在電解質溶液中的存在濃度為約 0.05M至約5M，優選約0.05M至約3M，更優選約0.1M至約1M。 在一個優選的實施方案中，使將要電化學蝕刻的生物相容性金屬表面與陽極接 觸。 在足夠提供具有期望性質的生物相容性金屬表面的條件下，將所述生物相容性 金屬表面暴露於電化學蝕刻一段時間。典型地，所述金屬表面進行電化學蝕刻約0.5分鐘 至約30分鐘，優選地約1分鐘至約20分鐘，更優選地約2分鐘至約IO分鐘。
典型地，所述金屬表面在電解質溶液中進行電化學蝕刻，向該電解質溶液施用 電流密度為約0.001mA/cm2至約10A/cm2，優選地為約0.01mA/cm2至約5A/cm2，更優選 地為約O.lmA/cm2至約1A/cm2。 典型地，所述生物相容性金屬表面進行電化學蝕刻中的電解質溶液的溫度為約 4t:至約8(TC，優選地為約1(TC至約6(TC，更優選地為約室溫。 在蝕刻過程開始前，可以使用典型的清洗方法清洗基體表面，比如用洗滌劑或 鹼性溶液去除油汙。可以通過在洗滌劑中超聲清洗，接著在操作室的水中超聲清洗並幹 燥來去除所述基體表面的油汙。然後，將清潔的金屬表面暴露於合適量的在容器或槽中 的電化學蝕刻溶液中。蝕刻溶液的量取決於期望蝕刻的基體的表面積。在某些情況下， 植入物的全部表面都要蝕刻，因此蝕刻溶液的量應當足夠覆蓋整個植入物。在其它應用 中，僅僅一部分植入物要蝕刻，僅僅將需要的期望部分的植入物暴露於蝕刻溶液。本領 域技術人員將容易地理解需要用於給定蝕刻過程的蝕刻溶液的量。 電化學蝕刻產生具有凹座、微凹痕、蝕刻斑、尖峰(valley)、凹槽和/或小孔的表 面。表面形態可以用任何合適的方式表示。在一個本發明的優選的實施方案中，所述生 物相容性金屬表面在電化學蝕刻後具有比電化學蝕刻前更大的負民k值。Rsk(Skew)是關 於平均線的分布對稱性的測量尺度。負R&值表明植入物表面中的凹槽或缺口佔優勢， 而正民k值表明植入物表面中的尖峰佔優勢。民k在IS04287: 1997中有進一步的說明。 ISO標準從國際標準化組織(Geneva, Switzerland)的出版物或電子介質可獲得。例如，生物醫學植入物具有的民k值為約-0.001至約-15，優選約-0.01至約-10，更優選約-0.1 至約-5。 本發明提供一種生物醫學植入物，例如矯形植入物，其具有在其部分中至少一 個形成的毛化表面(textured surface),多個分開的或未分開的缺口 ，例如凹座、微凹痕、 蝕刻斑、尖峰、凹槽和/或小孔。所述毛化表面的微凹痕的直徑和深度都可以為納米至 微米尺寸範圍。所述微凹痕具有的直徑可以為約100nm至15iim，優選地為100nm至 10iim，更優選地為100nm至5iim。所述微凹痕的深度可以變化；典型地，所述微凹痕 具有的深度為小於約10 y m，優選地小於約8 ii m。 下述實施例進一步闡述本發明，但是，當然，其不應當看作以任何方式限制本
發明的範圍。 實施例1 該實施例闡述了本發明的電化學蝕刻過程。在0.5N HN03的電解質溶液中電化 學蝕刻CoCrMo表面10分鐘，電流密度為0.2A/cm2。得到的植入物表面包括具有微凹痕 的表面，並且基本上不含有夾雜物，例如碳化物。 在此，將本文引用的所有參考文獻，包括出版物、專利申請和專利，都以如同 每個參考文獻分別或特別地指出引入本文並在本文中列出全部內容一樣引入作為參考。
在描述本發明的上下文中((特別是在下述權利要求書的內容中)的使用的術語 "一個"和"所述的"及類似指示詞將被解釋為包括單數和複數，除非本文中另有說明 或與上下文有明顯的矛盾。除非另有說明，術語"包括"和"包含"應當看作是開放式 的術語(即意味著"包括，而不限於")。除非本文另有說明，本文中數值範圍的列舉僅 僅意味著充當分別指出屬於所述範圍的各個單獨值的簡寫方法，並且將各個單獨值如同 其分別在本文中列舉一樣引入說明書中。除非本文另有說明或者與上下文明顯相矛盾， 本文描述的所有方法都可以以任何合適的順序進行。除非另有說明，本文提供的任一個 或所有的實例或示例性術語(例如"比如")的使用意味著僅僅為了更好地闡述本發明， 而不造成對本發明範圍的限制。在說明書中，沒有術語應當看作是指示任何作為實施本 發明所必需的未提出要求的元素。 在本文中描述了本發明的優選的實施方案，包括已知發明人用於實施本發明的 最佳方式。在本領域普通技術人員閱讀前述說明書後，那些優選的實施方案的變化可變 得顯而易見。本發明人預期本領域技術人員可酌情實施這樣的變化，並且本發明人打算 按除了本文特別描述的之外的方式實施本發明。因此，當適用法律所允許時，本發明包 括所有在附加權利要求中描述的主題的修飾和同等物。而且，除非本文另有說明，或者 與上下文明顯的矛盾，上述元素以其所有可能變化的任何組合都包括在本發明內。
權利要求
一種製備植入物的方法，其包括步驟(a)提供包括生物相容性金屬表面的植入物，和(b)使所述生物相容性金屬表面與電解質溶液接觸，和(c)電流流過與所述電解質溶液接觸的陰極和陽極之間的電解質溶液，和(d)形成在所述植入物表面分布的微凹痕。
2. 權利要求1的方法，其中所述生物相容性金屬表面包括合金。
3. 權利要求1的方法，其中所述植入物包括至少一個人工髖關節的部件。
4. 權利要求1的方法，其中所述電解質溶液包括選自下述的電解質可溶性無機化合物、可溶性有機化合物、酸、鹼、過氧化氫、乙醇及其混合物。
5. 權利要求4的方法，其中所述電解質在電解質溶液中的存在濃度為約0.05M至約5M。
6. 權利要求1的方法，其中所述要蝕刻的生物相容性金屬表面也與陽極接觸。
7. 權利要求1的方法，其中所述生物相容性金屬表面進行電化學蝕刻的時間為約0.5分鐘至約30分鐘。
8. 權利要求1的方法，其中所述生物相容性金屬表面進行電化學蝕刻中的電流密度為約0.001mA/cm2至約10A/cm2。
9. 權利要求1的方法，其中所述生物相容性金屬表面進行電化學蝕刻中的電解質溶液的溫度為約4"至約8(TC。
10. —種植入物，其通過包括如下步驟的方法製備(a)提供包括生物相容性金屬表面的植入物，和(b)使所述生物相容性金屬表面與電解質溶液接觸，和(c)電流流過與所述電解質溶液接觸的陰極和陽極之間的電解質溶液，和(d)形成在所述植入物表面分布的微凹痕。
全文摘要
本發明公開了一種製備醫學植入物的方法。所述植入物的生物相容性金屬表面在施加電流的電解質溶液中進行電化學蝕刻。
文檔編號A61F2/32GK101691668SQ200910203939
公開日2010年4月7日 申請日期2009年2月13日 優先權日2008年2月13日
發明者X·楊, Y·-S·廖 申請人:德普伊產品公司