專利名稱：具有高潤濕性的納米紋理化鈷鉻合金制品及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明特別涉及由鈷鉻合金制成并具有高潤濕性的納米紋理化制品及其制備和 使用方法。
背景技術(shù)：
長期以來有多個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在探尋節(jié)段性骨置換植入體，這些標(biāo)準(zhǔn)包括(1)植入 體應(yīng)伴隨患者一生而不喪失功能或引發(fā)任何不良過程反應(yīng)；(2)植入體應(yīng)恢復(fù)其所植入的 骨的正常功能；以及(3)植入體應(yīng)能以商業(yè)規(guī)模進(jìn)行生產(chǎn)。為了滿足上述標(biāo)準(zhǔn)，植入體不僅 應(yīng)能支撐所施加的負(fù)荷(往往具有波動(dòng)性)，而且植入體與骨之間的界面也應(yīng)承受負(fù)荷要 求。諸如聚甲基丙烯酸甲酯之類的塑料粘固劑通常用于將植入體附連到骨上，以及 增強(qiáng)植入體與骨之間的貼合性。植入體還具有多孔涂層，這些多孔涂層與骨配合并引起 骨長入，使得假體經(jīng)過一段時(shí)間后與骨結(jié)構(gòu)融為一體。代表性的此類涂層為美國專利 No. 3，855，638,4, 206，516,4, 156，943 和 4，612，160 中所公開的那些。陶瓷涂層也因良好的效果而得以應(yīng)用，并由于骨與諸如氧化鋁(Al2O3)之類的陶 瓷材料之間的親和力而使其通常特別理想。代表性的此類涂層為尤其涉及牙科植入體的美 國專利No. 4，145，764和4，483，678，以及更為廣泛地公開了用于全身的植入性骨置換材料 的美國專利No. 4，309，488和4，846，837中所公開的那些。其他研究工作利用了植入體上高度旋繞的表面。美國專利No. 5，368，881和 5，658，333示出了采用非球狀粉末來制備假體的粗糙表面。然而，已知的是這些表面幾乎不 具有互連的孔隙。本領(lǐng)域仍然需要具有改善性質(zhì)的假體表面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面涉及適于植入哺乳動(dòng)物體內(nèi)的制品，該制品包含鈷鉻合金并具 有厚度為20至40A的表面氧化層，該表面氧化層與所述制品相比富含鉻并包含多個(gè)獨(dú)立地 具有約40至約500nm直徑的凹痕。在一些實(shí)施例中，該層具有至少約50微升/平方英寸 的液體吸收能力。在一些制品中，該鈷鉻合金為CoCrMo。在一些實(shí)施例中，所述制品的表面 包含鈷鉻合金珠。本發(fā)明的其他方面涉及制備具有高潤濕性的納米紋理化制品的方法。一些制品具 有如上所述的性質(zhì)。一些方法包括將包含鈷鉻合金的制品與包含鹽酸的溶液接觸，接觸的 時(shí)間和溫度為能在所述制品上有效地形成厚度為20至4 O入的表面氧化層，該表面氧化層與 所述制品相比富含鉻并包含多個(gè)獨(dú)立地具有約40至約500nm直徑的凹痕。在某些優(yōu)選的 實(shí)施例中，該溶液基本上不含氧化劑。在一些方法中，該溶液具有至少約4M的H+濃度，以及至少約4M的Cl—濃度。該溶 液還可以包含濃度范圍在約0. OlM至8M的含氯根的化合物。在一些實(shí)施例中，該溶液具有 約0. 8至約12M的H+濃度，以及大于所述H+濃度的Cl—濃度。優(yōu)選的含氯根的化合物包括 氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KCl)、氯化鈣(CaCl2)、氯化銨(NH4Cl)、氯化鐵(FeCl3)、氯化亞鐵 (FeCl2)、氯化鈷(CoCl2)、氯化鎂(MgCl2)以及它們的混合物。在本發(fā)明的一些方法中，將制品與溶液在約20至約100°C的溫度下接觸。在某些 方法中，將制品與溶液在約20至約40°C的溫度下接觸。在一些方法中，將制品與溶液接觸 約30分鐘至約96小時(shí)。在一些其他方面，該制品適于植入哺乳動(dòng)物體內(nèi)。一些制品為關(guān)節(jié)置換假體或其 元件。某些制品為髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)置換假體。本發(fā)明的又一些其他方面涉及將根據(jù)權(quán)利要求1所述的制品植入哺乳動(dòng)物(例如 人)的體內(nèi)。本發(fā)明另外體現(xiàn)在如下方面1. 一種適于植入哺乳動(dòng)物體內(nèi)的制品，所述制品包含鈷鉻合金并具有厚度為20 至4 OA的表面氧化層，所述表面氧化層與所述制品相比富含鉻并包括多個(gè)獨(dú)立地具有約40 至約500nm直徑的凹痕。2.根據(jù)方面1所述的制品，其中所述層具有至少約50微升/平方英寸的液體吸收 能力。3.根據(jù)方面1所述的制品，其中所述鈷鉻合金為CoCrMo。4.根據(jù)方面1所述的制品，其中所述制品的所述表面包含鈷鉻合金珠。5. 一種方法，包括將包含鈷鉻合金的制品與包含鹽酸的溶液接觸，接觸的時(shí)間和 溫度為能在所述制品上有效地形成厚度為20至4 OA的表面氧化層，所述表面氧化層與所述 制品相比富含鉻并包括多個(gè)獨(dú)立地具有約40至約500nm直徑的凹痕。6.根據(jù)方面5所述的方法，其中所述溶液基本上不含氧化劑。7.根據(jù)方面5所述的方法，其中所述層具有至少約50微升/平方英寸的液體吸收 能力。8.根據(jù)方面5所述的方法，其中所述溶液具有至少約0. IN的H+濃度，以及至少約 4N的Cl_濃度。
9.根據(jù)方面5所述的方法，其中所述溶液還包含濃度范圍在約0. OlM至8M的含氯 根的化合物。10.根據(jù)方面9所述的方法，其中所述溶液具有約0. 1至約12M的H+濃度，以及高 于所述H+濃度的Cl—濃度。11.根據(jù)方面9所述的方法，其中所述含氯根的化合物為氯化鈉(NaCl)、氯化鉀 (KCl)、氯化鈣(CaCl2)、氯化銨(NH4Cl)、氯化鐵(FeCl3)、氯化亞鐵(FeCl2)、氯化鈷(CoCl2)、 氯化鎂(MgCl2)或它們的混合物。12.根據(jù)方面5所述的方法，其中將所述制品與所述溶液在約20至約100°C的溫 度下接觸。13.根據(jù)方面5所述的方法，其中將所述制品與所述溶液在約20至約40°C的溫度 下接觸。14.根據(jù)方面5所述的方法，其中將所述制品與所述溶液接觸約30分鐘至約96小 時(shí)。15.根據(jù)方面5所述的方法，其中所述鈷鉻合金為CoCrMo。16.根據(jù)方面5所述的方法，其中所述制品的所述表面包含鈷鉻合金珠。17.根據(jù)方面5所述的方法，其中所述制品適于植入哺乳動(dòng)物體內(nèi)。18.根據(jù)方面17所述的方法，其中所述制品為關(guān)節(jié)置換假體或其元件。19.根據(jù)方面18所述的方法，其中所述制品為髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)置換假體。20. 一種方法，包括將根據(jù)方面1所述的制品植入哺乳動(dòng)物體內(nèi)。21.根據(jù)方面20所述的方法，其中所述哺乳動(dòng)物為人。


圖1示出了 3/4英寸(直徑)的經(jīng)拋光的鍛制CoCrMo (ASTM F1537)圓盤以及那些 在8N的HCl中浸泡了 5分鐘、30分鐘、1小時(shí)、1. 5小時(shí)、3. 5小時(shí)、6小時(shí)和18小時(shí)的圓盤 的圖像。圖2示出了(A)經(jīng)拋光的鍛制CoCrMo圓盤(未在8N的HCl中浸泡)；以及在8N 的HCl (室溫)中浸泡(B) 5分鐘、(C) 30分鐘、(D) 1小時(shí)、(E) 1. 5小時(shí)、(F) 6小時(shí)和(G) 24 小時(shí)后的圓盤上的深度分布變化(通過XPS測定)。圖3(所有圓盤均在室溫下于8N的HCl中處理了 24小時(shí))示出了㈧在3/4英 寸(直徑)經(jīng)拋光的鍛制CoCrMo圓盤上，每單位面積的重量損失與酸浸泡時(shí)間的關(guān)系， (B)水在經(jīng)拋光的鍛制圓盤表面上的接觸角與酸浸泡時(shí)間的關(guān)系，以及(C)3/4英寸(直 徑)Porocoat 圓盤的吸水性與酸浸泡時(shí)間的關(guān)系。圖4示出了㈧74英寸(直徑)經(jīng)拋光的鍛制CoCrMo圓盤在IN的HCl中浸泡 24小時(shí)后的形態(tài)；和(B)V4英寸(直徑)經(jīng)拋光的鍛制CoCrMo圓盤在添加有氯化物的IN HCl中浸泡24小時(shí)后的形態(tài)。添加有氯化物的IN HCl通過將70g CaCl2 ·2Η20在室內(nèi)條件 下加入IOOml IN的HCl進(jìn)行制備。添加有氯化物的鹽酸的最終濃度大約為[H+] = 0. 8Ν、 [Cr] = 8. 8N、[Ca2+] = 4N。圖5示出了(A)Global CAP肩關(guān)節(jié)植入體Porocoa t (CoCrMo)在酸中浸泡24小 時(shí)后的低倍放大圖像；(B)珠面上IOOnm至500nm凹坑的高倍放大圖像。
具體實(shí)施例方式植入體材料的表面性質(zhì)對相鄰細(xì)胞附著到植入體上起著重要的作用。據(jù)信，潤濕 性是影響植入體附著性的一個(gè)因素。通過使用本發(fā)明的方法，CoCrMo制品的表面化學(xué)會(huì)變 成富含鉻。此外，該表面將變成納米紋理化的并表現(xiàn)出增強(qiáng)的吸水性。在一些實(shí)施例中，相 對于未經(jīng)處理的植入體表面，觀察到經(jīng)處理的植入體表面的吸水率有3至10倍的提高。使 用這種材料制成的植入體顯示出改善的骨長入。本發(fā)明的一個(gè)方面涉及適于植入哺乳動(dòng)物體內(nèi)的制品，該制品包含鈷鉻合金并具 有厚度為20至40A的表面氧化層，該表面氧化層與所述制品相比富含鉻并包含多個(gè)獨(dú)立地 具有約40至約500nm直徑的凹痕。在一些實(shí)施例中，該層具有至少約50微升/平方英寸 的液體吸收能力。液體吸收能力通過測量吸收到制品中的水量來確定。對要測定液體吸收能力的制 品進(jìn)行稱重。將7滴10 μ 1的RO水(總計(jì)7個(gè)斑點(diǎn)，共70mg水)置于制品上。讓水平衡 5分鐘，隨后通過濾紙接觸制品的頂部表面以移除poroeoat 表面上留下的任何水。然后， 再次測量Porocoat 圓盤的重量。將重量差值轉(zhuǎn)換為體積(Img水=1 y 1)。液體吸收能 力通過將水的體積除以制品的投影表面積來確定。在一些實(shí)施例中，將液體吸收能力記錄 為微升/平方英寸。本發(fā)明的一些制品具有至少約50微升/平方英寸的液體吸收能力。其他制品具 有至少約75微升/平方英寸或100微升/平方英寸的液體吸收能力。如果需要，可將液體吸收能力與標(biāo)準(zhǔn)品例如DePuy標(biāo)準(zhǔn)Porocoa t 圓盤(直徑為 3/4英寸，厚度為750 μ，孔隙度為40-50% )進(jìn)行比較。如果制品具有高潤濕性，則水通常 會(huì)在5分鐘內(nèi)芯吸到制品中。如果制品不具有高潤濕性，則水通常會(huì)在表面上結(jié)珠。一些優(yōu)選的金屬物品包括含有鈷、鉻和鉬中的至少一者的那些，例如鍛制的 CoCrMo0在一些制品中，鈷鉻合金為CoCrMo。在一些實(shí)施例中，所述制品的表面包含鈷鉻合 金珠。本發(fā)明的其他方面涉及制備具有高潤濕性的納米紋理化制品的方法。一些制品具 有如上所述的性質(zhì)。一些方法包括將包含鈷鉻合金的制品與包含鹽酸的溶液接觸，接觸的 時(shí)間和溫度為能在所述制品上有效地形成厚度為20至4 OA的表面氧化層，該表面氧化層與 所述制品相比富含鉻并包含多個(gè)獨(dú)立地具有約40至約500nm直徑的凹痕。在某些優(yōu)選的 實(shí)施例中，溶液基本上不含氧化劑。在一些方法中，溶液具有至少約4N的H+濃度，以及至少約4N的Cl_濃度。溶液還 可以包含濃度范圍在約0. OlN至8N的含氯根的化合物。在一些實(shí)施例中，溶液具有約0. 8 至約12N的H+濃度，以及高于所述H+濃度的Cl—濃度。優(yōu)選的含氯根的化合物包括氯化鈉 (NaCl)、氯化鉀(KCl)、氯化鈣(CaCl2)、氯化銨(NH4Cl)、氯化鐵(FeCl3)、氯化亞鐵(FeCl2)、 氯化鈷(CoCl2)、氯化鎂(MgCl2)以及它們的混合物?？蓪⒅破放c溶液在適于改性表面的任何溫度下接觸。在一些實(shí)施例中，將制品與 溶液在約20至約100°C的溫度下接觸，或者在一些實(shí)施例中，在約20至約40°C的溫度下接 觸。可將制品與溶液接觸足以得到所需表面性質(zhì)的一段時(shí)間。在一些方法中，例如，在一些 方法中將制品與溶液接觸約30分鐘至約96小時(shí)。在其他方法中，將制品與溶液接觸約1小時(shí)至約36小時(shí)。本文所述的制品適于植入哺乳動(dòng)物體內(nèi)。這些制品中的某些為假體裝置，例如關(guān) 節(jié)置換假體或其元件。這些裝置包括髖關(guān)節(jié)或膝關(guān)節(jié)置換假體。本發(fā)明還涉及將本文所述的制品植入哺乳動(dòng)物體內(nèi)。在一些實(shí)施例中，這些制品 適于植入人體。Porocoat 多孔涂層是由DePuy Orthopaedics, Inc.市售的三維珠狀涂層。在 一些實(shí)施例中，涂層含有CoCrMo材料?，F(xiàn)將通過以下實(shí)例對本發(fā)明進(jìn)行說明，這些實(shí)例旨在為示例性的而非限制性的。SMM^l將經(jīng)過鏡面拋光的ASTM F1537鍛制CoCrMo圓盤(直徑為3/4英寸)用于重量損 失評估和接觸角測量。這類圓盤可通過對棒料(ASTM F1537鍛制)進(jìn)行機(jī)械切割以及鏡面 拋光(Ra<0. 1μ)獲得。CoCrMo porocoat 包含尺寸范圍在大約150至250 μ的CoCrMo 球形珠。Porocoat 的厚度為750μ、直徑為3/4英寸、孔隙度范圍為40-50%。酸浸泡測 試在室內(nèi)溫度/條件(18°C至23°C)下進(jìn)行。對于平坦的74英寸圓盤，使用體積為至少 30ml的酸溶液；對于3/4英寸的Porocoat 圓盤，使用體積為至少50ml的酸溶液。酸溶液將IOOmL 12N的HCl用50mL經(jīng)反滲透(RO)處理的水進(jìn)行稀釋，得到8N的HCl溶 液(溶液1)。將IOOmL 12N的HCl用IOOmL經(jīng)反滲透(RO)處理的水進(jìn)行稀釋，得到6N的HCl 溶液(溶液2)。將IOOmL 12N的HCl用200mL經(jīng)反滲透(RO)處理的水進(jìn)行稀釋，得到4N的HCl 溶液(溶液3)。添加有氯化物的IN HCl通過將70g CaCl2 ·2Η20加入IOOml IN的HCl進(jìn)行制備。 添加有氯化物的鹽酸的最終濃度大約為[Η+] =0. 8N、[C1_] =8. 8N、[Ca2+] =4N(溶液4)。各酸浸泡時(shí)間結(jié)束后進(jìn)行超聲清洗，將每個(gè)試驗(yàn)樣本在RO水中沖洗，然后在RO水 中超聲清洗20分鐘、10分鐘和5分鐘。接著將樣本用氮?dú)獯蹈?，并?0°C的烘箱中熱干燥 至少2小時(shí)。 蝕刻研究利用74英寸經(jīng)拋光的鍛制CoCrMo圓盤(ASTM F1537) (Ra < 0. 1 μ )來測 量酸浸泡過程中的重量損失。蝕刻研究利用1英寸經(jīng)拋光的鍛制CoCrMo圓盤(ASTM F1537) 來測量接觸角。蝕刻研究利用74英寸Porocoat 圓盤(ASTM F1537)來測量吸水性。實(shí)例1將300ml溶液1倒入500mL的燒杯中。將直徑為74英寸、經(jīng)拋光的鍛制CoCrMo 圓盤裝到特氟隆夾具上，使得只有拋光表面暴露到酸中并使得能垂直放置。燒杯的頂部用 石蠟?zāi)っ芊狻＝葜付ǖ臅r(shí)間后，使用流動(dòng)的RO水沖洗圓盤，然后進(jìn)行超聲清洗。以5分 鐘、30分鐘、1小時(shí)、1. 5小時(shí)、3. 5小時(shí)、6小時(shí)、18小時(shí)或24小時(shí)的浸泡時(shí)間重復(fù)實(shí)驗(yàn)。 圖1示出了對照圓盤(未浸泡)以及浸泡了 5分鐘、30分鐘、1.5小時(shí)、3. 5小時(shí)、6小時(shí) 和18小時(shí)的圓盤的顯微圖。圖2示出了經(jīng)拋光的圓盤以及那些在8N的HCl浸泡了 5分 鐘 30分鐘、1小時(shí)、1. 5小時(shí)、6小時(shí)和24小時(shí)的圓盤的深度分布。通過X射線光電子能譜(XPS)檢查距表面頂部的Co、Cr、Mo、0、C深度分布。在224. OOEV的通能和0. 4EV的步 長下檢查了五種元素(Cls、01s、Co2p、Cr2p和Mo3d)。在2kv2X2的濺射設(shè)置下使用氬對 200 μ mX200 μ m(200u45wl5kv)的區(qū)域?yàn)R射共2. 1分鐘。濺射周期在交替濺射模式下包括 時(shí)間為0. 1分鐘的6個(gè)周期和時(shí)間為0. 2分鐘的6個(gè)周期并且分析時(shí)間總計(jì)57分鐘。富 含Cr的層的深度由Cr和Co深度的交點(diǎn)限定(由箭頭指示)圖3示出了(A)各浸泡時(shí)間下的重量損失，(B)水在圓盤表面上的接觸角與浸泡 時(shí)間的關(guān)系，和(C) porocoat 圓盤表面的吸水能力與浸泡時(shí)間的關(guān)系。與未經(jīng)處理的 Porocoat 圓盤相比，酸浸泡過的Porocoa t 圓盤所吸收的水明顯更多。重量損失由圓盤 在浸泡前后測得的重量差值確定。接觸角的測量方法為使用標(biāo)準(zhǔn)接觸角測量儀器在3/4 英寸的鍛制圓盤上滴加一滴5ml的水，然后通過應(yīng)用液滴形狀分析提取接觸角。同一測試 重復(fù)三次。按照上述方法測量吸水性。實(shí)例2將300mL的指定溶液加入500mL的燒杯中。將3/4英寸經(jīng)拋光的CoCrMo鍛制圓 盤放入燒杯，以拋光面朝上平放96小時(shí)。燒杯的頂部使用石蠟?zāi)っ芊狻＝莺?，對圓盤進(jìn) 行超聲清洗。據(jù)觀察，在4N或6N的HCl中浸泡過的圓盤顯示出顏色變化(淡藍(lán))并且圓 盤表面失去光澤(拋光表面上出現(xiàn)白色模糊區(qū))，但在2N的HCl中浸泡四天后的圓盤未表 現(xiàn)出溶液顏色變化或表面外觀變化。實(shí)例3將兩個(gè)經(jīng)過拋光的3/4英寸(直徑)鍛制CoCrMo圓盤固定在一個(gè)Tef Ion 夾具 中，使得每個(gè)圓盤只有一個(gè)表面暴露到酸中。在室內(nèi)條件下將兩個(gè)經(jīng)拋光的圓盤浸泡在盛 有IOOml添加了氯化物的鹽酸、并用Paraf ilm 密封的Pyrex玻璃容器中24小時(shí)。將另外 兩個(gè)經(jīng)拋光的圓盤固定在Tef Ion 夾具中，然后在室內(nèi)條件下將其浸泡在盛有IOOml IN 的HC1、并用Pai^fiim 密封的Pyrex 玻璃容器中24小時(shí)。圖4A示出了在IN的HCl中 浸泡24小時(shí)后的表面，圖4B示出了在添加了氯化物的INHCl (溶液4)中浸泡后的表面對于浸泡在添加了氯化物的鹽酸中的圓盤，暴露給酸的每單位面積的平均重量損 失為2. 9士0.6毫克/平方英寸；而對于浸泡在IN的HCl中的圓盤，為0. 5士0. 2毫克/平 方英寸。實(shí)例4將Global CAP肩關(guān)節(jié)植入體(圖5A)于室內(nèi)條件下浸泡在盛有300ml 8N的鹽酸 溶液、并用石蠟?zāi)っ芊獾腜yrex玻璃容器中24小時(shí)。將植入體從酸溶液中取出，然后進(jìn)行 超聲清洗。在部分或全部珠面上可以觀察到100至500nm的蝕刻凹坑(圖5B)。
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權(quán)利要求
一種適于植入哺乳動(dòng)物體內(nèi)的制品，所述制品包含鈷鉻合金并具有厚度為20至的表面氧化層，所述表面氧化層與所述制品相比富含鉻并包括多個(gè)獨(dú)立地具有約40至約500nm直徑的凹痕。FSA00000091577200011.tif
2.一種方法，包括將包含鈷鉻合金的制品與包含鹽酸的溶液接觸，接觸的時(shí)間和溫度 為能在所述制品上有效地形成厚度為20至4 OA的表面氧化層，所述表面氧化層與所述制品 相比富含鉻并包括多個(gè)獨(dú)立地具有約40至約500nm直徑的凹痕。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述溶液具有至少約0.IN的H+濃度，以及至少約 4N的Cl_濃度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述溶液還包含濃度范圍在約0.OlM至8M的含氯 根的化合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述溶液具有約0.1至約12M的H+濃度，以及高 于所述H+濃度的Cl—濃度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述含氯根的化合物為氯化鈉(NaCl)、氯化鉀 (KCl)、氯化鈣(CaCl2)、氯化銨(NH4Cl)、氯化鐵(FeCl3)、氯化亞鐵(FeCl2)、氯化鈷(CoCl2)、 氯化鎂(MgCl2)或它們的混合物。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中將所述制品與所述溶液在約20至約100°C的溫度 下接觸。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中將所述制品與所述溶液在約20至約40°C的溫度 下接觸。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中將所述制品與所述溶液接觸約30分鐘至約96小時(shí)。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述制品適于植入哺乳動(dòng)物體內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一類制品，所述制品包含鈷鉻合金并具有厚度為20至的表面氧化層，所述表面氧化層與所述制品相比富含鉻并包括多個(gè)獨(dú)立地具有約40至約500nm直徑的凹痕。這類制品可適于植入哺乳動(dòng)物體內(nèi)。
文檔編號A61L27/50GK101879327SQ20101016434
公開日2010年11月10日 申請日期2010年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月15日
發(fā)明者L·薩爾瓦蒂, S·A·瓦斯, W·童 申請人:德普伊產(chǎn)品公司