金属植入物 【发明背景】
关节置换术或关节成形术是一种外科手术方法,其中除去患病的关节部件,并用新的人造部件置换。金属和金属合金通常用于制造医用或矫形植入物,比如人工髋关节。植入物包括关节连接的承压材料以抵抗硬的对磨面(counterface),比如金属、陶瓷或聚合物偶件。近年来,变得逐渐明显的是:在矫形植入物和宿主骨骼接触面的组织坏死和骨质溶解是假关节长期松弛故障(loosening failure)的主要原因。矫形外科医生和生物材料科学家普遍认为组织坏死和骨质溶解是,至少部分是,由于金属元件在磨损期间产生的金属或金属合金的微观粒子的存在引起。身体对这些颗粒的反应,例如免疫应答,包括固定的矫形植入物引起的组织特别是骨骼的炎症和衰退。最终,矫形植入物变得令人疼痛和/或松弛,必须调整和/或替换。
由于在关节部件之间形成的软骨和天然润滑剂例如体液,健康的动物关节具有极其低的摩擦系数和很小的磨损。制造的人造关节很难获得这样的最小摩擦。一个在人造关节中促进磨损增加的问题是植入物的接触面之间缺少充分润滑。另外,表面之间引起的摩擦产生磨损碎屑,其为病理性组织反应的重要原因。
已经进行了减少金属植入物的磨损和相关金属植入物磨损的微粒碎屑的尝试。已经进行了通过用包含碳化物的抛光工具抛光植入物的生物相容性金属表面来减少磨损的尝试。然而,采用抛光,从金属植入物表面发现的抛光线的锐缘或碳化物的高点可以形成夹杂物。在磨合期期间,即,在插入植入物之后,夹杂物可以从植入物表面脱落,或者碳化物夹杂物可以从植入物表面释放。
进一步地,例如在用髋关节置换术系统中,已经尝试通过减小股骨头和插入物之间的对角间隙(diametrical clearance)来减少金属磨损,然而,这需要严格的生产控制来保持耐受性。但该生产控制不能阻止金属植入物的磨损接触面的夹杂物脱落或进入体液。
另一个提议的减少金属磨损的方法是在金属植入物表面建立凹槽。然而,如同其它方法,硬的夹杂物仍可以从表面脱落和引起植入物部件磨损。
存在提供一种具有金属磨损将少和相关微粒碎屑减少的生物相容性金属植入物的期望。
发明概述
本发明提供一种用于制备医学植入物或医学植入物部件的方法。所述方法包括使生物相容性金属或生物相容性金属合金植入物或植入物部件进行电化学蚀刻,以便除去植入物表面上的夹杂物和分布微凹痕。
本发明在以下方面提供了:
方面1、一种制备植入物的方法,其包括步骤:(a)提供包括生物相容性金属表面的植入物,和(b)使所述生物相容性金属表面与电解质溶液接触,和(c)电流流过与所述电解质溶液接触的阴极和阳极之间的电解质溶液,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属表面包括合金。
方面3、方面2的方法,其中所述合金为钴-铬-钼合金。
方面4、方面1的方法,其中所述植入物包括至少一个人工髋关节的部件。
方面5、方面1的方法,其中所述电解质溶液包括选自下述的电解质:可溶性无机化合物、可溶性有机化合物、酸、碱、过氧化氢、乙醇及其混合物。
方面6、方面5的方法,其中所述电解质在电解质溶液中的存在浓度为约0.05M至约5M。
方面7、方面6的方法,其中所述电解质在电解质溶液中的存在浓度为约0.1M至约1M。
方面8、方面5的方法,其中所述电解质为选自下述的可溶性无机化合物:氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、氯化钙(CaCl2)、氯化镁(MgCl2)、氯化铵(NH4Cl)、磷酸氢二钠(Na2HPO4)、磷酸二氢钠(NaH2PO4)、磷酸二氢钾(KH2PO4)、磷酸氢二钾(K2HPO4)、硫酸钠(Na2SO4)、硫酸钾(K2SO4)、硫酸铵((NH4)2SO4)、硝酸钠(NaNO3)、硝酸钾(KNO3)、硝酸铵(NH4NO3)、亚硝酸钾(KNO2)及其混合物。
方面9、方面5的方法,其中所述电解质为有机化合物,其为糖和糖的混合物。
方面10、方面9的方法,其中所述糖为葡萄糖。
方面11、方面5的方法,其中所述电解质为选自下述地酸:盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、乙酸、柠檬酸及其混合物。
方面12、方面5的方法,其中所述电解质为选自下述的碱:氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠及其混合物。
方面13、方面1的方法,其中所述要蚀刻的生物相容性金属表面也与阳极接触。
方面14、方面1的方法,其中所述生物相容性金属表面进行电化学蚀刻的时间为约0.5分钟至约30分钟。
方面15、方面14的方法,其中所述生物相容性金属表面进行电化学蚀刻的时间为约2分钟至约20分钟。
方面16、方面1的方法,其中所述生物相容性金属表面进行电化学蚀刻中的电流密度为约0.001mA/cm2至约10A/cm2。
方面17、方面15的方法,其中所述生物相容性金属表面进行电化学蚀刻中的电流密度为约0.01mA/cm2至约1A/cm2。
方面18、方面1的方法,其中所述生物相容性金属表面进行电化学蚀刻中的电解质溶液的温度为约4℃至约80℃。
方面19、方面18的方法,其中所述生物相容性金属表面进行电化学蚀刻中的电解质溶液的温度为约15℃至约25℃。
方面20、方面19的方法,其中所述生物相容性金属表面在电化学蚀刻后具有比电化学蚀刻前更大的负Rsk值。
方面21、一种植入物,其通过包括如下步骤的方法制备:(a)提供包括生物相容性金属表面的植入物,和(b)使所述生物相容性金属表面与电解质溶液接触,和(c)电流流过与所述电解质溶液接触的阴极和阳极之间的电解质溶液,和(d)形成在所述植入物表面分布的微凹痕。
【附图说明】
图1为根据本发明的一个实施方案制造的钴铬钼表面的表面扫描电子显微术(SEM)显微照片(放大倍数:1000倍)。
发明详述
在一个实施方案中,本发明提供一种制备植入物的方法,其包括提供包括生物相容性金属表面的植入物,通过使该生物相容性金属表面与电解质溶液接触而使该植入物的生物相容性金属表面进行电化学蚀刻,电流流过与所述电解质溶液接触的阴极和阳极之间的电解质溶液。
本发明寻找减少或消除用浇铸工艺生产的金属植入物所通常伴有的缺点。在金属植入物部件的浇铸工艺中,在表面上形成一些不期望的化合物,如夹杂物,例如碳化物。在铬钴钼植入物的情况下,例如,这些为M7C3碳化物。所述夹杂物易于凸出在植入物顶部和种植窝(socket)的表面上,在被磨损后,其可以呈细微粒进入植入物的活动部件之间的关节腔。
根据本发明的电化学蚀刻方法通过除去植入物表面上存在的夹杂物,建立了包含微凹痕(micropitting)的生物相容性金属表面。该微凹痕的表面提供了更强的抗腐蚀表面。所述金属表面上的微凹痕还可提供用于血清润滑的间隙,从而增加了润滑和减少了磨损。
电化学处理生物相容性金属表面建立了模拟植入物表面的表面形态的金属表面,其已经经受了磨合期。在磨合期期间,夹杂物被从新的植入物表面除去。利用得到的该磨合期,可以建立有利的润滑状态。
所述医学植入物装置或其部件可以是任何合适的医学植入物装置或其部件。合适的医学植入物装置和其部件包括,但不限于,用于臀部、膝、踝、肩部、肘和脊柱的矫形假体。示例性的医学植入物装置包括完全的或部分的膝关节置换假体、完全的或部分的臀部关节置换假体、完全的或部分的肘关节置换假体、完全的或部分的腕关节置换假体、完全的或部分的肩关节置换假体和完全的或部分的脊髓节段关节置换假体。医学植入物装置的示例性的部件包括膝假体(例如单室或全部膝关节置换假体)的股骨部件(例如,用于置换一个或多个股骨髁)或胫骨部件(例如,用于置换一个或多个近端胫骨坪)、臀部假体的股骨部件(例如,用于置换至少股骨的近端部分或顶部)或基节杯(例如,用于置换臀部骨头的股骨窝(femoral socket))、肘假体的肱部部件(例如,用于置换肱骨的远端)或尺骨部件(例如,用于置换尺骨的近端)、腕假体的掌骨部件(用于置换一个或多个掌骨的至少一部分)或桡骨部件(用于置换桡骨的远端)、肩假体的肱部部件(例如,用于置换肱骨的近端或顶部)或浅窝部件(例如,用于置换肩胛骨的浅窝或窝部)、踝假体的胫骨部件(例如,用于置换胫骨的远端)或距骨部件(例如,用于置换距骨的近端)和脊骨盘假体的终板部件(例如,用于接触颈、腰椎或胸椎的上部或下部)或间隔段部件(例如,用于插入终板部件之间)。
所述金属基体可以是除了钢的任何合适的金属基体。除非本文另有说明,术语“金属”指纯金属和金属合金。所述“金属基材”可以是基本上形成医学植入物装置或其部件的全部,或者几乎全部结构;或者“金属基材”可以是基本上形成医学植入物装置或其部件的一部分结构,基本上形成医学植入物装置或其部件的结构的其余部分包括其它材料。当所述金属基体是基本上形成医学植入物装置或其部件的一部分时,该金属基体可以基本上形成医学植入物装置或其部件的结构的全部表面或表面的一部分。
所述金属基体可以包括任何合适的金属,期望地生物相容性金属,基本上由其组成,或者由其组成。期望的金属包括具有用于关节置换术假体的合适机械性质的金属。所述金属优选地不易与在将要放置该医学植入物装置或其部件的患者中被侵蚀,并且优选地具有合适的强度和疲劳特征。示例性的优选的金属基体包括钴、钴合金、钛、钛合金及其混合物。合适的钴铬合金包括,但不限于浇铸的、锻造的和锻造的钴-28-铬-6-钼(Co28Cr6Mo))合金,其分别描述在例如ASTM Standards F75-01、F799-02和F1537-00中。合适的钛-铝合金包括,但不限于描述在例如ASTM Standard F2146-01中的钛-3-铝-2.5-钒合金(Ti-3Al-2.5V)和描述在例如ASTM Standard F136-02a中的钛-6-铝-4-钒(Ti-6Al-4V)合金。ASTM标准可以从ASTM International(West Conshohocken,PA)的出版物或电子介质获得。
在本发明的方法的一个优选的实施方案中,植入物暴露于电解质溶液中。在本发明的方法中所用的电解质溶液包括选自下述的电解质:水溶性无机化合物、水溶性有机化合物、酸、碱、水溶性氧化剂、醇、二醇、二醇醚、胺、酰胺、吡咯烷酮及其混合物。典型地,所述电解质在电解质溶液中的存在浓度为约0.05M至约5M,优选约0.05M至约3M,更优选约0.1M至约1M。
可以使用任何合适的可溶性无机化合物来形成所述电解质溶液。合适的水溶性无机化合物包括族Ia、IIa、过渡金属的盐及其混合物。合适的金属阳离子的实例包括:锂、钠、钾、镁和钙。根据本发明的实施方案,所述水溶性无机化合物可选自氯化物,比如氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、氯化钙(CaCl2)、氯化镁(MgCl2),和氯化铵(NH4Cl);磷酸盐,比如磷酸氢二钠(Na2HPO4)、磷酸二氢钠(NaH2PO4)、磷酸二氢钾(KH2PO4)和磷酸氢二钾(K2HPO4);硫酸盐,比如硫酸钠(Na2SO4)、硫酸钾(K2SO4)和硫酸铵((NH4)2SO4);硝酸盐,比如硝酸钠(NaNO3)、硝酸钾(KNO3)、硝酸铵(NH4NO3)和亚硝酸钾(KNO2);及其混合物。典型地,所述水溶性无机化合物在电解质溶液中的存在浓度为约0.05M至约5M,优选约0.05M至约3M,更优选约0.1M至约1M。
在制备所述电解质溶液中可以使用任何合适的水溶性有机化合物。合适的水溶性有机化合物包括糖类,包括:四碳糖,比如赤藓糖、苏糖和赤藓酮糖;五碳糖,比如核糖、阿拉伯糖、木糖、来苏糖、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、塔罗糖、psiscose、果糖山梨糖和塔格糖;二糖,比如蔗糖、乳糖、麦芽糖、海藻糖和纤维二糖;低聚糖;多糖;及其混合物。在一个优选的实施方案中,所述水溶性有机化合物为葡萄糖。典型地,所述水溶性有机化合物在电解质溶液中的存在浓度为约0.05M至约5M,优选约0.05M至约3M,更优选约0.1M至约1M。
本发明可以使用任何合适的酸。合适的酸包括无机酸和有机酸。合适的无机酸包括,例如盐酸、硫酸、硝酸、磷酸及其混合物。合适的有机酸包括,例如甲酸、乙酸、柠檬酸、酒石酸、草酸、丙二酸、戊二酸、己二酸、葡糖醛酸、羟基乙酸、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。在一个优选的实施方案中,所述酸为盐酸、硫酸或硝酸。典型地,所述酸在电解质溶液中的存在浓度为约0.05M至约5M,优选约0.05M至约3M,更优选约0.1M至约1M。
本发明可以使用任何合适的碱。合适的碱包括,例如碱金属碱(其中所述碱金属为锂、钠、钾、铷和/或铯),比如氢氧化物或碳酸盐;碱土金属碱(其中所述碱土金属为铍、镁、钙、锶、钡和/或镭),比如氢氧化物和碳酸盐;有机碱,比如例如氢氧化铵、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。优选地,所述碱选自氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠、碳酸氢钠及其混合物。典型地,所述碱在电解质溶液中的存在浓度为约0.05M至约5M,优选约0.05M至约3M,更优选约0.1M至约1M。
本发明可以使用任何合适的水溶性氧化剂。合适的水溶性氧化剂包括,例如比如过氧化氢、碱金属或碱土金属硝酸盐、亚硝酸盐、高氯酸盐、氯酸盐、亚氯酸盐、次氯酸盐、重铬酸盐、高锰酸盐、过硫酸盐及其混合物。在一个优选的实施方案中,所述水溶性氧化剂为过氧化氢。典型地,所述可溶性氧化剂在电解质溶液中的存在浓度为约0.05M至约5M,优选约0.05M至约3M,更优选约0.1M至约1M。
在一个优选的实施方案中,使将要电化学蚀刻的生物相容性金属表面与阳极接触。
在足够提供具有期望性质的生物相容性金属表面的条件下,将所述生物相容性金属表面暴露于电化学蚀刻一段时间。典型地,所述金属表面进行电化学蚀刻约0.5分钟至约30分钟,优选地约1分钟至约20分钟,更优选地约2分钟至约10分钟。
典型地,所述金属表面在电解质溶液中进行电化学蚀刻,向该电解质溶液施用电流密度为约0.001mA/cm2至约10A/cm2,优选地为约0.01mA/cm2至约5A/cm2,更优选地为约0.1mA/cm2至约1A/cm2。
典型地,所述生物相容性金属表面进行电化学蚀刻中的电解质溶液的温度为约4℃至约80℃,优选地为约10℃至约60℃,更优选地为约室温。
在蚀刻过程开始前,可以使用典型的清洗方法清洗基体表面,比如用洗涤剂或碱性溶液去除油污。可以通过在洗涤剂中超声清洗,接着在操作室的水中超声清洗并干燥来去除所述基体表面的油污。然后,将清洁的金属表面暴露于合适量的在容器或槽中的电化学蚀刻溶液中。蚀刻溶液的量取决于期望蚀刻的基体的表面积。在某些情况下,植入物的全部表面都要蚀刻,因此蚀刻溶液的量应当足够覆盖整个植入物。在其它应用中,仅仅一部分植入物要蚀刻,仅仅将需要的期望部分的植入物暴露于蚀刻溶液。本领域技术人员将容易地理解需要用于给定蚀刻过程的蚀刻溶液的量。
电化学蚀刻产生具有凹座、微凹痕、蚀刻斑、尖峰(valley)、凹槽和/或小孔的表面。表面形态可以用任何合适的方式表示。在一个本发明的优选的实施方案中,所述生物相容性金属表面在电化学蚀刻后具有比电化学蚀刻前更大的负Rsk值。Rsk(Skew)是关于平均线的分布对称性的测量尺度。负Rsk值表明植入物表面中的凹槽或缺口占优势,而正Rsk值表明植入物表面中的尖峰占优势。Rsk在ISO 4287:1997中有进一步的说明。ISO标准从国际标准化组织(Geneva,Switzerland)的出版物或电子介质可获得。例如,生物医学植入物具有的Rsk值为约-0.001至约-15,优选约-0.01至约-10,更优选约-0.1至约-5。
本发明提供一种生物医学植入物,例如矫形植入物,其具有在其部分中至少一个形成的毛化表面(textured surface),多个分开的或未分开的缺口,例如凹座、微凹痕、蚀刻斑、尖峰、凹槽和/或小孔。所述毛化表面的微凹痕的直径和深度都可以为纳米至微米尺寸范围。所述微凹痕具有的直径可以为约100nm至15μm,优选地为100nm至10μm,更优选地为100nm至5μm。所述微凹痕的深度可以变化;典型地,所述微凹痕具有的深度为小于约10μm,优选地小于约8μm。
下述实施例进一步阐述本发明,但是,当然,其不应当看作以任何方式限制本发明的范围。
实施例1
该实施例阐述了本发明的电化学蚀刻过程。在0.5N HNO3的电解质溶液中电化学蚀刻CoCrMo表面10分钟,电流密度为0.2A/cm2。得到的植入物表面包括具有微凹痕的表面,并且基本上不含有夹杂物,例如碳化物。
在此,将本文引用的所有参考文献,包括出版物、专利申请和专利,都以如同每个参考文献分别或特别地指出引入本文并在本文中列出全部内容一样引入作为参考。
在描述本发明的上下文中((特别是在下述权利要求书的内容中)的使用的术语“一个”和“所述的”及类似指示词将被解释为包括单数和复数,除非本文中另有说明或与上下文有明显的矛盾。除非另有说明,术语“包括”和“包含”应当看作是开放式的术语(即意味着“包括,而不限于”)。除非本文另有说明,本文中数值范围的列举仅仅意味着充当分别指出属于所述范围的各个单独值的简写方法,并且将各个单独值如同其分别在本文中列举一样引入说明书中。除非本文另有说明或者与上下文明显相矛盾,本文描述的所有方法都可以以任何合适的顺序进行。除非另有说明,本文提供的任一个或所有的实例或示例性术语(例如“比如”)的使用意味着仅仅为了更好地阐述本发明,而不造成对本发明范围的限制。在说明书中,没有术语应当看作是指示任何作为实施本发明所必需的未提出要求的元素。
在本文中描述了本发明的优选的实施方案,包括已知发明人用于实施本发明的最佳方式。在本领域普通技术人员阅读前述说明书后,那些优选的实施方案的变化可变得显而易见。本发明人预期本领域技术人员可酌情实施这样的变化,并且本发明人打算按除了本文特别描述的之外的方式实施本发明。因此,当适用法律所允许时,本发明包括所有在附加权利要求中描述的主题的修饰和同等物。而且,除非本文另有说明,或者与上下文明显的矛盾,上述元素以其所有可能变化的任何组合都包括在本发明内。