具有金刚石承重和接合面的人工关节部件的制作方法

专利名称：具有金刚石承重和接合面的人工关节部件的制作方法
I.发明背景A.发明领域本发明的各种实施例涉及多种成分和形状的超硬表面和部件、制作这些超硬表面和部件的方法，以及制品，其中包括这些超硬表面和部件。这些制品包括医疗器材，如人工关节和其它器材。更具体地，本发明一些优选的实施例涉及金刚石和多晶金刚石的支承表面以及包括金刚石和多晶金刚石支承表面的人工关节。本发明一些优选的实施例利用多晶金刚石紧密件(“PDC”)提供人工关节的高强度、低摩擦、长时间耐磨和生物相容的支承表面。经受磨损以及需要强度和持久性的任何支承表面，包括人工关节领域以外的支承表面，将从本发明的实施例中受益。
B.相关工艺的描述这一部分将讨论与人工关节支承表面有关的工艺。人工关节置换在关节炎或变形关节的治疗中已经是被广泛接受的成功医疗方法。每年都要进行许多的关节置换手术。人工髋关节和膝关节置换在这些手术中占有绝大多数，但是也能治疗很多其它的关节，包括肩、肘、腕、踝和temparomandibular关节，但不限于此。另外，其它的关节，例如脊椎骨的椎间盘关节，通常不用人工关节置换，但如果在功能设计上有足够耐用的材料可以使用，那么也应采用这种治疗来治愈患病状态。
理想的全人工关节假体应具有以下的特征灵活性、持久性和相容性。灵活性一种理想的全关节假体应恢复正常的运动范围，完成正常天然关节所有可能的动作，而不增加脱位的风险。持久性关节的机械部分在执行功能时不应损坏或断裂，植入物与受体骨骼的固定应在受体生命持续期内保持严格的完整性，而不需要对活动的强度或承重的大小作出超出对天然关节要求的限制。相容性假体材料和磨损后的产物应该生物相容，而不应该在受体内出现有毒的、发炎的、免疫的或其它有害的反应。目前，可以得到的设备在一个或多个明显方面不能完全满足这些标准。本发明的目的是根据满足这些标准改进先前工艺。
一般地，存在两种类型的人工关节接合的关节和柔性铰链关节。接合的关节包括髋、膝、踝和其它关节。柔性铰链关节包括硅橡胶和掌-指关节。过去，接合的关节通常包括与塑性表面(超高分子量聚乙烯)配对的硬表面(金属或陶瓷)。其它关节还包括硬对硬的接合(金属对金属以及陶瓷对陶瓷)。接合的关节有过无数的设计，包括对球在窝中的设计的很多变化，例如髋和肩关节，以及对铰链设计的很多变化，例如膝、肘或掌-指关节。在每种情况下，所设计的假体应最大程度地恢复所影响关节的运动功能范围和力学稳定性。
作为先前工艺发现的问题的详细例子，我们将对髋关节进行评述。髋关节包括凸球形的球(股骨头)和凹的窝(关节窝)的接合。髋关节置换包括用新的关节支承表面置换受损的接合面。在髋臼一侧，将半球形的杯放入病人受损的或磨坏的窝内，并通过某些方法固定到病人的骨骼上。在股骨头一侧，假体置换包括与假体髋臼杯配合并接合的球形的球。球形的球可以是与病人自己的股骨头匹配的表面更新件(称之为“表面置换”)。或者更常见的是，它包括连接在柄上的球，柄插入股骨管道中，将假体固定在病人股骨上。球和窝作为配对一起工作，工作方式与原有的髋关节相似，恢复部分范围的直线和旋转运动。
另外，可以仅是表面置换或提供一套球和柄，而不进行相应的窝的半关节成形过程(下面描述)。对于全髋关节置换，最常用的装置包括具有高密度超高分子量聚乙烯(UHMWPE)表面的金属关节头，但也可使用陶瓷(氧化铝、部分稳定氧化锆)头，与它们的金属配对件相比既有优点也有缺点。在世界其它地方的常规医疗方案中也使用金属与金属以及陶瓷与陶瓷的接合，而在美国仅是在研究基础内使用。
仅有一半髋关节的置换称为半关节成形术。这一手术仅在关节的一个接合部分受损时使用，如股骨头的缺血性坏死，或者是无法修复的髋关节破碎。受损部分用人工关节转换，所设计的人工关节与关节剩余的天然生物部分一起工作。这种手术与全关节置换有些不同，不同之处在于人造部分必须与解剖片段的轮廓匹配，并且必须能保持天然片段的功能。这包括具有足够光滑的表面，将对天然接合面的磨损减小到最低程度，以及优化表面材料的性能和轮廓，以保证关节流体流入关节腔内。对于将磨擦减小到最低程度并保持生物接合面的营养和功能，滑液的流入非常关键。
人工关节植入物必须牢固地固定在受体的骨骼上，以完成恰当的功能。上述固定的实现可以通过使用粘结剂完成固定，通常包括聚甲基丙烯酸酯粘结剂；或者通过生物固定技术，包括直接将骨质结合到金属或陶瓷固定表面上以及骨长入植入物表面的多孔表面；或者通过植入物与宿主骨间的机械压配合。对于假体结构的长期成功使用，保持和维护这种牢固固定是关键的。
当相对于前面对理想人工关节提出的标准来评价先前技术时，我们发现与聚乙烯杯接合的金属球不能产生最佳的结果。由于受植入物材料性能对植入物设计提出的形状限制以及解剖学上的限制，人工髋关节与正常的天然配对关节相比，运动的安全范围减小。聚乙烯支承在用过5到20年后会磨损严重，决定的因素有病人年龄、体重和活动水平。这种正常磨损产生的颗粒碎屑常常引起包围和固定植入物的骨骼的发炎，产生对骨的严重侵蚀。这称为“骨质溶解”，这被证明是导致失败和随后的人工关节置换的最普遍原因。
正常的金属与超高分子量聚乙烯(UHMWPE)人工关节的接合产生无数的亚微米级的聚乙烯磨屑。正是这种磨擦产生的碎屑的积累以及免疫系统对它的反应造成发炎反应，产生骨质溶解。也是这种UHMWPE的连续磨损的积累效应造成机械关节的磨坏和支承的失效。病人越年轻，活动量越大，植入物的预计功能期越短。这样，那些需要植入物有最长持久性的病人，由于他们年轻，通常具有最短的持久性。
骨质溶解能引起关键的植入物-骨固定的松散，导致植入物周围骨断裂机率的增大。部件的损坏和/或与植入物松散和/或假体周围骨断裂有关的假体周围宿主骨的骨质溶解，需要较大的外科手术取出失效的植入物，对损坏的骨重新整形，并用新的人工关节替换失效的人工关节。这种修复外科手术通常比最初的植入物的外科手术更加复杂，与初次人工关节置换相比增大了手术并发症的可能性并且增大了植入物失效的机率。以后的失效需要更复杂的外科手术，更加增大了各个时期内手术并发症和早期植入物失效的机率。
为了降低脱位的风险，人工髋关节的受体必须严格限制他们正常活动的运动范围，对正常天然关节可能做到的很多日常动作加以限制。由于支承磨损和/或磨损碎屑引起的骨质溶解的问题导致植入物的失效，因此为了降低支承磨损速率，与正常天然关节的日常活动相比，他们也必须限制他们的活动强度和活动的持续时间。
在努力降低脱位的风险中，在受体的解剖学允许使用较大部件时尝试使用较大直径的支承。表面置换在这种方法的范围内，该方法使用大支承覆盖病人自己残留的股骨头，并与较薄的UHMWPE髋臼部件接合。使用较大直径支承在一定程度上增大了关节运动的安全范围。但不幸的是，在金属/UHMWPE支承对中，增大支承直径导致碎屑产生的速率增大以及与此相关问题出现的可能性增大。在置换中，薄的UHMWPE特别容易出现快速磨损、骨质溶解和失效。
先前工艺包括很多对通常的金属球和聚乙烯杯接合的改良，以减少运动限制、磨损和与碎屑相关的骨质溶解等问题。
在人工关节中，与先前工艺的金属相比，陶瓷支承有一些优点。陶瓷支承与金属相比增大了润湿性，得到更好的边界层润滑，并且陶瓷支承能抵抗关节正常磨损过程中在金属头中产生的磨损引起的划痕。这两个因素都有利于降低磨损和碎屑产生的速率，并且在实验室和临床研究中用陶瓷与UHMWPE配对都观察到这一点。
不幸的是，陶瓷支承具有结构脆性。这限制了在修复中所能安全使用的尺寸和颈长度，也限制了外科医生在外科手术过程中完成最佳力学重建所能选择的范围。这种固有的材料脆性还能导致冲击作用下植入物的突然断裂，产生突发的和经常性的植入物灾难性失效。陶瓷支承也受到与金属-聚乙烯配对相似的形状设计的限制，并且如果受体违反了对运动范围的限制也很容易脱位。陶瓷材料性能的局限性使得不能制造表面置换支承。
最近，注意力转到UHMWPE，研究提高这些支承件的寿命。大多数早期的努力是改变制造技术，例如髋和膝系统中的热压部件，以及修改材料结构，例如加入碳纤维和使用热等静压工艺增大结晶度，但在临床或在玻璃性能方面的改善还没有证明，而且实际上，常常表现出较差的耐磨特性。其它技术在有限的测量范围内提高了功能，例如注射成形部件。
已经发现，大多数常见的用于制备UHMWPE移植部件的消毒技术对于材料的性质及这种材料的耐磨特性具有非常不可预见的影响，在很多情况下造成加速磨损和过早失效。这个现象的研究，包括在聚乙烯链中化学交联的产生，以及聚合物内永久自由基的产生，已经得出了消除此过程有害影响的进一步发明，同时可能利用实际提高聚乙烯耐磨性的潜在优势。这些最近的发展，在实验室模拟研究中得出了令人鼓舞的结果，但对功能的改善尚未在大范围的长期的临床研究中得到证明。如果这些新的聚乙烯技术对功能的改善确实被证明，金属与陶瓷配对支承的固有问题仍对长期的持久性有反作用。与金属、陶瓷和金刚石键相比，UHMWPE(有机聚乙烯键)的拉伸、压缩和剪切极限强度低。金刚石的耐磨性超过所有的其它材料。下面的表对比了多晶金刚石紧密件与一些其它材料的性能，这些材料可用于制造支承表面。表1金刚石与其它材料的对比
为了完全避免聚乙烯的潜在问题，也有研究者转向研究陶瓷与陶瓷以及金属与金属的接触表面。陶瓷与陶瓷的接合已经证明能改善耐磨性并具有优秀的生物相容性。但是，从陶瓷头与聚乙烯一起使用看，陶瓷在材料性能方面具有内在的局限，即脆性和断裂。另外，当具有足够硬度(如另一种陶瓷碎片)的第三者磨擦颗粒进入关节时，就容易发展成灾难性的加速磨损。最终，陶瓷的材料性能局限性对材料提出了最小厚度的要求，从而不能应用于要求得到有效范围运动的较大支承的应用或者像表面置换之类的应用。
金属与金属的支承已经证明能改善耐磨性。它们的材料性能使它们适于应用于较大支承和表面置换，并有效满足对增大运动的安全范围和降低脱位风险的要求。但是，所关心的仍是金属-金属支承对的磨损碎屑的特性。虽然与聚乙烯相比体积磨损相当低，但颗粒尺寸非常细小，为40-100埃的数量级，因此与UHMWPE相比颗粒的总数量相当大。这些磨擦颗粒包括钴铬钼合金，具有非常大的表面积，将产生已经证明是有毒的金属离子的明显释放，具有长期致癌性的潜在可能性。这仍在长期临床研究中，以证明这个问题的实际风险性，但是已经产生了与此相关的重要问题。如同陶瓷与陶瓷的接合，金属与金属的支承也容易受到第三者磨擦颗粒的加速磨损。
因此，先前工艺的失效和普遍的缺陷清楚地表明需要改善人工关节。本发明的各个实施例通过提供非常耐用的和高强度的人工关节解决先前工艺遗留的很多缺点，本发明的人工关节具有低摩擦系数，生物相容性，磨损很少或不磨损，并且在使用过程中不产生明显数量的颗粒的特征。
III.发明概述本发明一些实施例的一个目的是提供一种人工关节植入物的部件，它具有增大的耐磨性和减小的摩擦系数，因此具有置换关节的最长寿命。本发明一些实施例的特征是使用各种类型的金刚石和超硬材料制作关节的支承表面，超硬材料包括具有非常高的耐磨性和非常低的摩擦系数的金刚石。为了达到本发明的目的，超硬材料是努氏硬度(Knoop hardness)至少为4000的材料。这包括金刚石(天然金刚石或人造金刚石)、立方氮化硼和密排六方(wurzitic)氮化硼。因此其优点是在使用者的生存期内关节不易磨坏，并且仅产生很少量的良性的磨擦颗粒。
本发明一些实施例的一个目的是提供一种人工关节，它在使用或磨擦过程中不产生明显数量的碎屑或摩擦颗粒。本发明一些实施例的特征是多晶金刚石紧密件或其它超硬材料形成关节中的至少一个接合表面，得到低摩擦和耐长时间磨损的关节，在使用过程中产生很少或不产生碎屑或颗粒。因此本发明这些实施例的重要优点在于减小了骨质溶解的风险。
本发明一些优选实施例的另一个目的是使用人类已知的最硬的材料，即金刚石、立方氮化硼及其它超硬材料，使人工关节具有目前人类已知的最高的耐磨性。本发明一些优选实施例的特征是使用多晶金刚石紧密件(“PDC”)作支承表面。为了达到这一目的，多晶金刚石紧密件包括固定在基体材料上的人造金刚石。多晶金刚石非常硬，抛光后在任何已知材料中具有最低的摩擦系数。因此本发明的优点在于关节的寿命远远超过受体的寿命。多晶金刚石紧密件可以用不同方法制造，包括在压机中高压和高温烧结、化学气相沉积、物理气相沉积等等。
本发明一些实施例的另一个目的是提供一种关节部件，它完全生物相容。本发明一些实施例中使用的最优选的材料是多晶金刚石紧密件，它有极高的生物相容性，仅产生最小的或可以忽略的免疫反应或人体的其它攻击。其优点在于与先前的关节相比，本发明的关节对人体系统基本没有破坏。
本发明一些实施例的另一个目的是提供一种关节空间内的改进形状，以便最佳地利用超硬材料，包括多晶金刚石紧密件。改进的形状是用于限制应力，包括残余应力和在使用过程中产生的应力。由于所用材料具有非常硬和高强度的性质，因此能优化整个关节，应用于特殊的假体应用，而不是用新材料简单复制已有的人工关节。
本发明一些实施例的另一个目的是提供一种具有改进的球和杯结构的人工关节。本发明的人工髋关节由非常少的部件按非常简单的设计制成，因此容易制造，可靠性高。球和杯的设计是在人体关节正常运动范围内使接合最大化，同时提供极高的耐磨性和使用寿命。
本发明一些实施例的另一个目的是提供一种球和杯类型的人工关节，它可以在没有单独外壳的情况下使用。本发明一些实施例提供的关节杯能固定在病人骨骼上而不需要单独的外壳。
本发明一些实施例的另一个目的是提供一种人工关节，它综合使用多晶金刚石紧密件支承表面和其它材料的配对支承表面。在本发明一些实施例中，配对支承表面是宽范围材料中的任一种，包括先前工艺的UHMWPE，或者在半关节成形手术的情况下甚至是病人天然的软骨。
本发明一些实施例的另一个目的是提供具有超硬支承表面的模块化的人工关节组件。本发明一些实施例提供的模块化人工关节组件能在外科手术时选择和组装，使人工关节系统的尺寸和角度取向与病人的天然关节非常接近。可以提供合适的超硬支承表面，例如多晶金刚石紧密件。
本发明一些实施例的另一个目的是提供在半关节成形手术中使用的假体支承表面。优选的人工关节的接合表面支承材料如多晶金刚石的性质应允许在半关节成形手术中作为支承材料与天然软骨接合。
本发明一些实施例的另一个目的是提供天然关节的置换衬垫或盖。在本发明的一些实施例中，股骨头或其它天然接合面被重修表面或使用本发明的衬垫重新更换，以实现骨的保留。
本发明一些实施例的另一个目的是提供多晶金刚石紧密件用作支承表面，在多晶金刚石紧密件的金刚石骨板与基体之间具有改善的紧固强度。在本发明的不同实施例中，为达到上述改善的紧固强度，基体上具有形貌特征。
本发明一些实施例的一个目的是提供能够制造球形的、部分球形的和弓形的多晶金刚石紧密件的基体结构。这里提供了多种达到此目的的基体结构。
本发明一些实施例的一个目的是提供非平面的多晶金刚石紧密件支承表面。本发明的不同实施例提供新型的非平面的支承表面并且优选地由多晶金刚石紧密件制成。
本发明一些实施例的一个目的是提供制造非平面多晶金刚石紧密件支承表面的方法。所涉及的各种方法用于材料准备和多晶金刚石紧密件的制造，生产非平面多晶金刚石紧密件支承表面，包括凹的和凸的球形支承表面，但不限于此。
本发明一些实施例的一个目的是提供粗成形的非平面多晶金刚石紧密件支承表面的方法。所涉及的新型加工技术能达到这种成形。
本发明一些实施例的一个目的是提供精抛光的非平面多晶金刚石紧密件支承表面的方法。所涉及的新型抛光技术能将多晶金刚石紧密件精抛光，达到低的摩擦系数。
本发明一些实施例的另一个目的是提供具有增强润湿性的关节。使用金刚石支承表面达到这一目的。
上述本发明的目的、特征和优点仅仅是例证和解释，以使读者开始意识到单独使用本发明或者与其它技术结合所增添的优势。对于本领域普通技术人员，在阅读说明书和权利要求书以及查看附图后，将更清楚本发明其它的目的、特征和优点。
IV.附图的简要说明

图1是那些通常安装在人体髋部中的先前工艺人工髋关节的侧剖视图；图2A是根据本发明原理制作的人工髋关节的一个实施例的放大侧剖视图；图2B-2G表示本发明人工髋关节的不同实施例；图2H-2J表示本发明的各种髋臼；图2K表示本发明的整体人工髋关节；图2L-2N表示本发明人工髋关节的股骨部件；图2O、2S、2T和2U表示本发明使用偏置得到可调节几何形状的人工髋关节；图2P表示在半关节成形术过程中使用的本发明人工股骨头组件；图2Q表示本发明的人工髋关节，其中股骨部件是一件衬垫(liner)，用于更换天然股骨头表面；图2R表示半关节成形术过程，其中股骨部件是一件衬垫，用于更换天然股骨头表面；图2V是表示本发明的肩关节；图2W表示本发明的肘关节；图2X表示本发明的人工腕关节；图2Y表示本发明的thrombomandibular关节；图2Z表示本发明的椎间盘假体；图2AA表示本发明的拇指或其它手指关节假体；图2AB和2AC表示本发明的整体人工膝关节；图2AD和2AE表示本发明单一部分的人工膝关节；图2AF和2AG表示本发明人工膝关节的可滑动旋转平台；图3A-3U表示本发明某些实施例所述的基体表面的形貌特征；图4A表示金刚石原料与基体烧结制作多晶金刚石紧密件之前金刚石原料及邻近的金属合金基体；图4B表示烧结的多晶金刚石紧密件，其中表示出了金刚石骨板、基体、及金刚石骨板与基体之间的过渡区；图4BB表示烧结的多晶金刚石紧密件，其中从基体金属到金刚石骨板是连续梯度过渡；图4C表示在用CVD或PVD工艺在基体上形成金刚石之前的基体；图4D表示用CVD或PVD工艺制作的金刚石紧密件；图5A和5B表示用于制作球形或部分球形多晶金刚石紧密件的两层基体；图5C-5G表示用于制作具有连续和节段式支承表面的球形或部分球形多晶金刚石紧密件的另一种基体结构；图6A表示用于制作凸球形多晶金刚石紧密件的组件；图6B和6C表示用于制作凹球形多晶金刚石紧密件的基体；图7表示烧结之前用于填装金刚石原料的装置；
图7A表示烧结之前从金刚石原料中脱除粘结剂的加热周期；图8和8A表示烧结之前用于减少金刚石原料中的空隙的预压制组件；图8B表示用于烧结金刚石的高温/高压六面顶压制及传递压力的加压立方体的顶锤排列；图9表示凸球形部件的EDM粗加工；图10表示凹球形部件的EDM粗加工；图11表示凸球形部件的研磨和抛光；图12表示凹球形部件的研磨和抛光。
V.优选实施例的详细描述下面参考附图描述本发明，并以人工髋关节为例讨论本发明的各种要素。应该理解的是，本发明的结构和原理不仅能应用于生物医学的接合面，也能应用于其它接合面，以及超硬材料和超硬部件的制作、成形和加工，使用超硬接合面和超硬部件的器械的制作、成形和加工。在设计人工关节和其它支承表面领域的技术人员应该理解的是，本发明的各个实施例及其原理还可应用于除了这里列举的例子以外的关节、支承表面和器械。
A.先前工艺的一个例子参看图1，其中表示了一个已经装在病人体内的先前工艺的人工髋关节101。人工髋关节101包括金属或陶瓷球102，通过颈103连接到体104和柄105上。有多种方法可将柄105固定在股骨108的恰当位置，包括使用粘合剂、静压配合、螺纹机构和生物固定。
杯形髋臼106可用任何一种公知的技术锚固在骨盆107中，例如粘合、压配合、使用螺丝、使用带花纹的、突起的或螺纹的外表层、使用生物固定机构或者综合使用生物和机械固定。球102定位时使它的球形凸起承重表面110邻近髋臼106凹下的承重表面112，从而使关节旋转，模拟天然髋关节的运动。如图1所示，在髋臼106内有一块高分子量聚合物111a，以减小球102与臼106之间的摩擦，从而延长关节101的寿命。球102的外表面一般是指球的承重区或表面，因为此区域与髋臼106的承重表面112对接，使关节接合并旋转。
这种人工关节的缺点已在上面作了描述。
B.本发明的支承接合面及相关结构图2A示出本发明的一个实施例。图2A表示人工关节201及其各个组成部件。图示的关节201包括球202或股骨头、颈203、部分视图中的体204和柄204a及臼205或关节杯。柄204插在股骨108的插孔中，优选的是用骨水泥232或其它适当的固定系统将其固定在股骨108中。可以用如图2I所示的一个锁环将球保持在臼中。
根据本发明的原理，臼205和/或球202由耐用金属制成。下面描述这类适用的材料。优选的球和臼的组合，如图所示，包括多晶金刚石紧密件的截平球202。多晶金刚石紧密件具有许多烧结在基体材料230中的多晶金刚石骨板207。臼205同样是多晶金刚石紧密件，具有基体材料231，上面烧结有许多多晶金刚石骨板206。在这种组合中，球的支承或接合面209及臼的支承或接合面208是球形的并且在杯表面的范围内在三维方向上相互间能移动、滚动和滑动。优选的，在人工关节中，为达到最大的支撑、强度和活动性，杯具有半球形承重和接合面(约180°)。
如同下面的更详细描述，杯和球优选地使用多晶金刚石紧密件形成接合面。在多晶金刚石紧密件中，金刚石骨板206和207是通过化学键结合和机械固定而固定在它们各自的基体230和231中，在制作过程中优选使用高温和高压形成烧结的多晶金刚石(参见图4A-D及相关文字)。金刚石骨板与基体之间的化学键结合是在烧结过程中通过未满的sp3碳键与未满的金属键结合建立的。机械固定是通过基体与金刚石骨板的形状、基体与金刚石骨板物理性质的差异以及基体与金刚石骨板之间的梯度界面形成的。用得到的烧结多晶金刚石紧密件制作人工关节，非常坚硬、摩擦小、耐用、耐冲击、生物相容以及寿命长。
金刚石骨板206和207优选抛光成非常光滑像镜面一样，以达到非常低的摩擦系数。由于金刚石非常坚硬并且摩擦系数非常小，因此金刚石接触表面间的磨擦几乎可以忽略，关节的寿命非常长。而且由于坚硬，高的断裂韧性以及通过抛光多晶金刚石紧密件达到的低摩擦系数，关节能承受非常大的冲击而不损坏。多晶金刚石还具有高表面能的优点，从而非常容易润湿和润滑，以降低磨擦速率和延长寿命。
虽然图2A所示的人工髋关节同时使用了多晶金刚石紧密件股骨头和多晶金刚石紧密件关节杯，但也可以使用这里描述的其它结构中的本发明结构。在一些关节中，下面材料中的任何一种都可以用于制作支承表面多晶金刚石、单晶金刚石、天然金刚石、物理气相沉积金刚石、化学气相沉积金刚石、金刚石类的碳、黑金刚石、立方氮化硼、六方氮化硼或者上述材料的组合、聚合物如超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、交联UHMWPE、聚醚醚酮、聚合物复合材料、聚氨酯、钴、铬、钛、钒、不锈钢、铌、铝、镍、铪、硅、钨、钼、铝、锆、镍钛合金(nitinol)、钴铬合金、钴铬钼合金、钴铬钨合金、碳化钨、碳化钛、碳化钽、碳化锆、碳化铪、Ti6/4、碳化硅、碳化铬、碳化钒、氧化钇稳定的氧化锆、氧化镁稳定的氧化锆、氧化锆增韧的氧化铝、钛钼铪合金、包括一种或多种上述金属的合金、陶瓷、石英、石榴石、蓝宝石、这些材料的组合、这些材料与其它材料的组合，以及其它材料也可以用作支承表面。
但是，本发明优选的制作球和杯耐磨表面的材料是烧结多晶金刚石紧密件，因为它有很高的性能。在目前已知的材料中，金刚石具有最高的硬度和最低的摩擦系数。优选的烧结多晶金刚石紧密件具有化学和生物惰性，不被所有溶剂渗透，并在已知的任何材料中具有室温下的最高热导率。但是，也可以在制作活动关节时，用从上述列出的材料中选取材料制作其中一个支承表面或同时制作两个支承表面，但选取的材料不是金刚石。
图2B表示的人工髋关节的结构与图2所示的相似，但有一些重要的差别。股骨头202是多晶金刚石紧密件，它包括金刚石骨板207和基体230，金刚石骨板207通过机械和化学键结合固定在基体230中。但是，图中的杯205是一种适当的配对支承材料而不是金刚石骨板。杯205的材料可以是上面提到的那些材料中的任何一种，作为适当的配对支承材料，如超硬材料、耐蚀金属、陶瓷或聚合物材料。但是承重表面208必须是生物相容的和耐用的，并具有低的摩擦系数。
图2C表示本发明的另一个实施例，其中杯205是如上所述的多晶金刚石紧密件。但是，球202不是多晶金刚石紧密件并且也不包括金刚石骨板。球202是任何一种前面所述的配对支承材料，但应当具有耐用的支承表面209，并且具有假体应用的生物相容性以及低的摩擦系数。
图2D表示本发明的另一个实施例，其中球202是适当的配对材料而不是金刚石，杯205是没有基体的纯质的多晶金刚石。这提供了适当的支承表面208，并避免了身体对杯基体材料的接受性或与杯基体材料反应的问题。
图2E表示本发明的另一个实施例，其中杯205是任何一种适当的配对支承材料，如那些上面提到的，球202是纯质的多晶金刚石。
图2F表示本发明的另一个实施例，其中球202和杯205都是由纯质的多晶金刚石制成。这将完全避免任何身体对基体金属接受性的问题，因为不存在任何金属。纯质的多晶金刚石部件可按照后面所述的方法制作。
图2G表示本发明的另一个实施例，其中杯205是由连续的或纯质的多晶金刚石(与固定在基体上的金刚石骨板相对)制成，并形成一个多孔区233，其中包括微孔、空腔、开口或通孔234。孔234可以使骨长入杯205中，从而利用骨结合作为固定机构固定杯，或者联合使用骨结合和其它固定机构如压配合。孔234是通过烧结之前在杯外层区域的金刚石原料中加入一些小珠或微球形成的。对于最佳的骨生长，孔的尺寸在125到300微米的范围内。一般的，希望孔的直径为50到500微米。用于形成孔的小珠或微球包括六方氮化硼、立方氮化硼、钴铬合金、镍及其它。可采用化学或机械的方法将小珠或微球从多晶金刚石紧密件中去除，从而留下多孔表面适于生物固定。根据在形成杯的小孔时使用的小珠或微球，或者其它在关节制作过程使用的材料，必须在假体植入病人体内之前从杯或假体组件中滤出有毒物质。也可用同样的方法制成多孔基体。图示的球202也是纯质的多晶金刚石，但球中没有小孔，因此不需要使骨长入球中。在本发明的另外的实施例中，任何的多晶金刚石紧密件也可制成小孔，用于生物固定。
图2H表示本发明的关节杯组件。该组件包括外壳220和杯221。杯221优选的是烧结多晶金刚石紧密件，包括基体222和金刚石层223。外壳220可以用不同的固定机构固定在病人骨骼224上，如螺丝220a、螺栓和螺母的组合220b、销钉220c或外壳220上的螺纹220d。粘结和压配合也可用于将外壳固定到骨骼上。外壳也可以包括有纹路的、与骨配合的表面或者适当的涂层(例如羟基磷灰石)，以促进骨长入，参见这里的其它描述。为了达到近似天然关节形状，根据外科手术中所需的角度方向和偏置将关节杯固定在外壳中，如图2H和2I所示，或者通过其它的方法。
图2I表示本发明受约束关节杯的组件。此组件可以包括图2H所示的杯、外壳和固定机构。另外，组件包括保持环225。保持环225优选的是环形的多晶金刚石紧密件，具有基体层226和金刚石骨板227。保持环225可以包括多个孔228，通过它用紧固件229将环225固定在外壳220上。环225将杯221保持在外壳中，并可防止球从杯中脱出。
图2J表示本发明另一个关节杯组件。该组件包括多晶金刚石紧密件的杯239，其中包括烧结在基体241上的金刚石骨板240。在髋骨侧面的杯上有特殊设计的骨配合表面242。为了帮助将杯239固定在髋骨上，骨配合表面可以包括多种结构。骨配合表面242可以包括小孔，以促进骨在上面生长并长入其中。形成这些小孔可以使用钛等离子喷涂或扩散结合小珠或网格、化学浸出、激光加工或者其它方法。骨配合表面242也可涂有磷灰石涂层，如羟基磷灰石，以促进骨骼生长。羟基磷灰石涂层薄并且结晶程度很高。在人体中紧靠磷灰石生成蛋白质结构，开始骨的生长。骨配合表面242还可以包括小珠或其它的表面粗糙，例如在骨生长的表面做棱。表面粗糙使骨紧靠着表面生长，从而达到骨质的结合。另外，骨配合表面242可以是多孔的金属网，如医疗技术中公知，以促进骨生长。合适的金属网是扩散结合在一起的多层钛网，接着与人工杯的金属扩散结合在一起。
在这种结构中，在外科手术时可用压配合、楔配合或者其它机械的或摩擦配合将人工关节固定在人体骨骼中。压配合是通过在骨骼中开一个比植入假体略小的插孔实现的，接着将假体用力压入插孔中并利用摩擦保持在其中，用于即时固定。另外，如同前面已经讨论的，可以用螺栓、螺丝、铆钉或销钉将人工关节固定在骨骼上。也可以使用适当的粘结剂或骨水泥将人工关节固定在骨骼上。但是，远期的固定是通过骨长入骨配合表面242实现的或增强的。骨长入后将关节在使用过程中的微小移动减小到最低程度，从而为病人提供更加耐用的系统。当使用磷灰石涂层时，骨的生长将直接锚固假体表面。
图2K表示本发明的人工髋关节。它包括杯组件231和球组件232。球组件232包括柄232a，柄232a可以包括带沟槽或棱的部分232b以及包括带纹路或涂层的部分232c。球组件232还包括球232d，通过颈232e连接在柄232a上。球优选地提供承重和接合面，其中至少一部分由多晶金刚石构成，并且如果需要的话球可以是纯质的多晶金刚石。杯组件231包括外壳231a，通过机械紧固件231b、粘结或者压配合的方法将其固定在骨骼上。外壳231a可以包括带纹路的表面或者其外表面上的强化骨生长的涂层231c。关节杯231d装在外壳中。关节杯231d如图所示包括基体231e和多晶金刚石承重和接合面231f，用于提供与球232d的接合。
参看图2L，表示了本发明人工髋关节的股骨部分。它包括连成整体的柄和体288，柄部分可以包括棱或沟槽289用于固定在骨骼上，体部分可以包括骨配合表面290。骨配合表面290可以是具有微小纹路或小孔的表面区域，具有棱、金属网、肩突或其它适当结构的区域，如羟基磷灰石或其它磷灰石的涂层，或者任何其它能促进骨生长或骨固定的表面或特征。微小纹路、多孔表面、棱或肩突都是为了达到与人体骨骼的摩擦配合，从而使骨在其附近生长。对于多孔表面，为了将假体固定在骨骼上，希望在骨骼与表面之间易于形成骨质结合。通过将小金属珠、球或微球(例如金属球或商用的纯钛或含90％钛、6％铝和4％钒的钛合金)放在人工关节外表面能得到多孔表面。柄和体288包括安装孔291，用于将股骨头292安装在上面。股骨头292是多晶金刚石紧密件，包括基体和多晶金刚石支承表面。股骨头292上的基体突起293是为了将股骨头安装到安装孔中，例如通过焊接或机械固定。
参看图2M，表示了在标准人工髋关节组件中使用的本发明实施例的例子。该组件包括拉长的柄253，它具有拉长的和圆滑的末端254，用于插入到股骨头的中心骨髓腔中。在柄253的近端是增大的体254。凹下的插孔、插座或凹坑255在柄近端附近的增大的体中。插孔的方向偏离柄的纵轴。插孔255的结构可夹住人工关节的相应部分。如图所示，为了与关节的颈256之间产生牢固和永久的锥形压配合，插孔有椭圆形锥端。另外，插孔可以是螺纹的或具有其它能固定关节的其它部件形状。头与颈之间的固定可以通过单独的自锁锥端或通过其它适当的方法，例如焊接(包括惰性焊接)。
为了插入插孔255中，提供了颈256。颈256有用于固定柄的近端部分257、中间体部分258和用于固定股骨头的末端部分259。近端部分257，如图所示，有凸起的椭圆锥端，用于与柄253上的插孔255进行压配合。如果插孔255有另外的固定机构，如螺纹，颈256的近端部分257包括互补的固定结构。如图所示，为了与股骨头261中的插孔、插座或凹坑260进行压配合，颈256的末端259是截头圆锥形。股骨头261优选的是多晶金刚石紧密件。颈的中间体部分258是圆柱形的或者其它形状，其长度有多种规格。股骨头261包括支承表面262，根据本发明的原理，是多晶金刚石的表面。
图示的组件包括柄、柄插孔、颈和股骨头，这对于制作标准的人工关节柄和股骨头以适合大范围的病人是有用的。这可通过提供具有不同长度和偏置角度的颈实现。使用具有适当长度和偏置角度的颈可以使股骨头相对于柄的取向达到所需的位置，从而近似天然股骨头的位置。通常，颈近端或凸出的锥端相对于颈中间部分纵轴的偏置角度是可以变化的，从而提供适合更多病人的产品。由于人工关节的颈部包括小的偏置角度，实际上在人工关节中得到两个不同几何形状。由于人工关节可达到任意的角度形状，如果取下颈并按相差180度相位角重新安装，就得到镜像关系的形状。
在图2M中，示出了另一个颈和股骨头组件263。在本发明的这个实施例中，多晶金刚石紧密件人工股骨头264与从上面伸出的颈265固定在一起。颈265包括凸出的连接部分266，如图所示具有椭圆形锥端，与柄253的插孔255压配合。人工关节制造商提供的整体头和颈部件263有不同的股骨头直径、不同的颈长度和不同的颈偏置角度，使外科医生在手术中得到很好的适合病人的尺寸和形状。人工关节各部件彼此之间的锥形配合可以用不同种类的锥形，如椭圆形、圆形及其它。
参看图2N，表示本发明另一个实施例。在这个本发明的实施例中，提供了人工髋关节组件265。组件265包括用于插入股骨中心骨髓腔的柄266。柄266包括位于近端的螺纹267，用于固定体部分268。柄266的螺纹267可以与从体268的插孔270中插入的螺母269配合，从而将柄266固定在上面。体268包括第二插孔271，其轴线的取向与体的纵轴之间偏移一个角度。第二插孔271包括内螺纹，与颈273的螺纹体连接端272配合。颈273的体连接端272与颈的中间部分274的取向相差一个偏置角度。颈273还包括与股骨头276连接的股骨头连接端275，例如通过股骨头上的螺纹孔277连接。优选的股骨头，如图所示，是多晶金刚石紧密件。柄266和体268可以包括适当的骨配合表面，例如羟基磷灰石、多孔表面、高摩擦表面、丝网或者其它有助于将人工关节固定在骨中的特征。
图2O表示本发明椭圆形锥端实现前、后偏置的俯视图。第一人工关节组件278b中有插孔278a。第二人工关节组件278c有与插孔278a对应的椭圆形锥端的突出278d。第二人工关节组件278c通过椭圆形锥端与第二人工关节278b连接。通过278e所示的安装结构可实现中间位和前/后偏置。第二人工关节组件绕锥形突出278d的纵轴旋转可以实现从后偏置278g变到前偏置278f。能实现此过程是因为第二关节组件的锥形突出278d从颈278h上伸出。锥形突出278d和颈278h分别有各自的纵轴。锥形突出278d装在颈278h上时锥形突出278d和颈278h的纵轴之间的角度是除180度以外的角度。当锥形突出装入插孔时，安装过程要使锥形突出相对于颈的取向角度达到所需的前偏置或后偏置。
图2S、2T和2U表示使用本发明椭圆形锥端能达到的垂直偏置的侧视图，其中包括第一人工关节组件279a和第二人工关节组件279b。第一人工关节组件279a具有锥形插孔279c，如上所述，插孔具有纵轴。第二人工关节组件279b包括颈279e上的锥形突出279d。锥形突出279d和颈279e分别有各自的纵轴。第二人工关节组件279b安装在第一人工关节组件279a的插孔279c中，使插孔279c、锥形突出279d和颈279e的纵轴同轴。这被认为是没有正或负垂直偏置的中间位，如图2S所示。图2T表示装在插孔279c中的第二人工关节组件279b，颈279e的纵轴与插孔279c的纵轴之间有一偏置角度。在这种情况下，第二人工关节组件相对于第一人工关节组件是正的垂直偏置。图2U表示装在插孔279c中的第二人工关节组件279b，颈279e的纵轴与插孔279c的纵轴之间有一个与图2T不同的偏置角度。在这种情况下，第二人工关节组件相对于第一人工关节组件是负的垂直偏置。
在某些情况下，仅需要用假体更换人体关节的一半，而继续使用另一半天然关节与新植入的假体配合。这样的例子是半关节成形术。参看图2P，表示了本发明用于半关节成形术的一个实施例，其中表示了人工股骨头组件243。也包括柄(未示出)，采用上述的各种固定方法固定在股骨中。所提供的颈与柄连接。股骨头247安装在颈246上。股骨头是多晶金刚石紧密件，包括基体248和金刚石骨板249。
根据半关节成形术，股骨头组件243装入病人髋骨251的天然关节杯250中，股骨头247的金刚石骨板249的承重表面与天然关节杯250的天然软骨252之间是关节接合。唇缘244a和244b及杯状缺口245没有破坏。在有些情况下，为了避免用假体更换天然关节杯引起的创伤和愈合，半关节成形术是优选的。半关节成形术所用的股骨头可以是球形的，但优选具有轻微的非球面。使用非球面头促进滑液流入天然关节杯，同时起到润滑和营养的作用。头的非球面可以在头的最终机加工、研磨和抛光过程完成，或者在制造过程中通过设计基体及金刚石原料的装料和烧结达到。
参照图2Q，表示使用本发明的另一个实施例更换股骨头表面。如图所示，病人的股骨头已经用假体更换了表面，也更换了病人的关节杯。更换表面能尽可能多地保留病人的天然骨，因为仅仅需要更换接合面和一些相邻的骨。当股骨头表面更换时，更换的表面与天然关节杯或者与人工关节杯连接。更换表面的头可以用任一适当的方法固定在骨上，例如骨水泥、生物固定、多孔表面、机械紧固件和其它方法。当使用多孔表面固定时，使用多孔金属基体，或者头全部由多晶金刚石制成，多孔骨长入表面。如图2Q所示，股骨头的新表面是连续多晶金刚石，其中有小孔，以促进骨长入并形成生物固定。
在图2Q中，病人的天然股骨头2000已经被外科医生整形到适合于更换的形状，例如截头圆锥。人工股骨头表面2001已经放在截头圆锥连接上。人工股骨头表面2001是多晶金刚石紧密件，包括烧结在基体2001b上的金刚石骨板2001a。基体2001b中形成一个插孔2001c，适于插入成形的骨。金刚石骨板2001a作为关节和支承表面。
如图所示，病人的天然髋骨2002已经放入了人工关节杯2003。杯2003是多晶金刚石紧密件，包括烧结在基体2003a上的金刚石骨板2003b。金刚石骨板2003b和金刚石骨板2001a连接成关节，相互间滑动和滚动配合。如图所示，杯2003装在关节外壳2008中，外壳2008用紧固件如螺丝2004固定在骨2002上。外壳有内部空腔，用于容纳关节杯，并且用固定部件(未示出)将杯固定在外壳中。
图2R表示另一个半关节成形术过程。天然股骨头2000已经被外科医生整形到可安装人工股骨头衬套2005。在这种情况下，图中的股骨头衬套是连续多晶金刚石，其中有适当的插孔2007，插到整形的骨上。多晶金刚石2005形成承重和接合面，与病人髋骨2002上的天然软骨2006组成关节连接。使用上述结构，能最大程度地保留骨，使病人的创伤最小，得到最大的生物相容性。
图2V-2Z和2AA-2AG表示本发明其它人工关节的实施例。
图2V表示本发明的人工肩关节2020。图中的特殊结构是标准组件的关节，但是根据本发明也能制造非标准组件关节、双角度、双极或其它肩关节。肩关节2020包括肱骨柄2021，肱骨柄2021可以选择性地包括沟槽或棱2022、涂层或纹路骨配合表面2023及其它特征。如图所示，肱骨头2024包括多晶金刚石紧密件，即基体2025和多晶金刚石承重和接合面2026。图中所示的关节窝组件包括多晶金刚石紧密件，其中基体2029支持着多晶金刚石承重和接合面2028。
图2W表示本发明未约束的肘关节2030。它包括肱骨部分2031、桡骨部分2032和尺骨部分2033。根据本发明这些部分可以由多晶金刚石紧密件或其它优选的材料制成。如图所示，肱骨部分2031、桡骨部分2032和尺骨部分2033中的每一种分别包括相应的基体2031a、2032a和2033a以及金刚石承重和接合面2031b、2032b和2033c。约束的肘关节和肘关节组件的单个部件也可根据本发明制造。
图2X表示本发明的腕关节2035。关节2035包括第一关节组件2036和第二关节组件2037。第一关节组件2036包括骨固定部分2036a，用于固定到病人的骨骼上。固定到骨上的固定部分2036a包括基体2036b和由多晶金刚石紧密件构成的多晶金刚石承重和接合面2036c。第二关节组件2037包括骨固定部分2037a，用于固定到病人的骨骼上。固定到骨上的固定部分2037a包括基体2037b和由多晶金刚石紧密件构成的多晶金刚石承重和接合面2037c。
图2Y表示本发明的人工thorombomandibular关节。它包括岔枝部分2040和下颌部分2041。岔枝部分2040包括固定板2040a，用于固定到骨骼上。岔枝部分2041包括凹半月板，优选的是多晶金刚石紧密件，包括基体2040b和多晶金刚石承重和接合面2040c。下颌部分2041包括固定板2041a，优选的是多晶金刚石紧密件，包括基体(未示出)和上面的多晶金刚石骨板2041c。
图2Z表示本发明椎间盘假体2050。椎间盘假体2050包括顶盘部分2051、底盘部分2052和盘心2053。顶盘部分2051和底盘部分2052优选通过钢索2054a和2054b或其它固定机构保持在一起，以防止过分伸长和脱位。顶盘部分2051包括基本上凸的关节部分2051b。关节部分2051b包括多晶金刚石承重和接合面2051c，它是包括基体2051a的多晶金刚石紧密件制成的。底盘部分2052包括多晶金刚石承重和接合面2052c，它是包括基体2051a的多晶金刚石紧密件制成的。这两个上凸的关节部分形成空腔2055，盘心2052位于其中。盘心2055使关节的顶盘和底盘部分相对滑动和滚动。图中的盘心2053包括顶部凸接合面2053a和底部凸接合面2053b，它们优选是多晶金刚石紧密件，包括多晶金刚石和基体2053c。
图2AA表示在拇指和人体其它部分中的腕掌骨关节中使用的人工关节。关节2060包括第一关节组件2061，它包括骨固定部分如钉或销2061a、基体2061b及形成承重和接合面的多晶金刚石骨板2061c。与第一关节组件2061相对的是第二关节组件2062。第二关节组件2062包括骨固定部分2062a、基体2062b及多晶金刚石骨板2062c，多晶金刚石骨板2062c形成承重和接合面，与2061c形成关节连接。
图2AB和2AC表示用于全膝置换的本发明人工膝关节。关节包括胫骨组件2010、股骨组件2011和髌骨组件2012。优选的，关节的每个承重和接合面由烧结多晶金刚石或本发明其它优选材料制成。如图所示，胫骨组件2010包括托盘2013，上面装有支承和关节部分2014。托盘2013可以是基体，上面烧结有多晶金刚石紧密件作为支承和关节部分2014。另外，托盘2013也可以是先前工艺中的一般结构，支承和关节部分2014是纯质的多晶金刚石，多晶金刚石紧密件包括基体和位于基体上的金刚石骨板，或者其它适合的承重和接合面材料。图示的股骨组件2011包括位于基体2016上的承重和接合面2015，但是也可以是上述胫骨组件2010或其它部分的结构。所提供的髌骨组件2012是多晶金刚石紧密件，包括金刚石骨板2017和基体2018或者上述的其它结构。
图2AD和2AE分别表示用于单件膝关节置换的人工关节的侧视图和主视图。此关节用于治疗单件膝关节部分的疾病，在此不需要全膝关节置换。关节2100包括具有多晶金刚石支承表面2102和基体2103的股骨组件2101。胫骨组件2104是一个带有适当形状插槽或插孔2105的托盘，用于将支承插件2106插入其中。槽2105实现关节的前后滑动。支承插件2106包括与槽2105配合的突起2107。支承插件2106还包括基体2108，上面有多晶金刚石支承表面2109。
图2AF和2AG分别表示本发明具有可滑动旋转平台的全膝关节2030的主视图和侧视图。关节2030包括胫骨托盘2031，其中有一插孔2032用于插入旋转平台2033。旋转平台2033有突起2034，插入插孔2032中。旋转平台2033适应膝关节的旋转运动，如图中的箭头2035a和2035b所示。可滑动插件2036a和2036b插入旋转平台2033的适当形状的槽中，并且膝关节能前后滑动。可滑动插件2036a和2036b优选包括基体2038a和2038b上的金刚石支承表面2037a和2037b。所提供的股骨组件2039也优选包括基体2041上的金刚石支承表面2040。
用本发明实施例制造的上述各种关节和其它关节(包括踝关节、指(趾)间关节和其它关节)可在约束的和不约束的结构中使用。多件关节(如膝关节)可用本发明单件人工关节解决。球和窝关节、铰链式关节、滑动关节和其它关节可根据本发明制造。另外，所有人工关节的承重和接合面或它们任何的部件用本发明的材料或结构制成，或者按照本发明的方法制造。部分关节置换(例如半关节成形和单件膝关节置换)也可使用本发明的关节组件完成。除在这里图示和讨论的以外，还可根据本发明制造任何所需结构的人工关节。无论关节是标准化的还是非标准化的，或者无论是整体关节还是单一关节部件或仅是接合面，都可使用本发明的原理制造。
C.优选关节的尺寸和形状在本发明优选的髋关节中，球包括至少一部分的凸球体，窝包括至少一部分的凹球体。球和窝的球形部分，优选具有相近的半径，配合在一起时保证所需的公差。硬-硬支承表面的合适公差是本领域熟知人员公知的。在人工髋关节中需要杯和球的半径非常接近，从而使流体流入实现润滑。为了将接合面的应力场减小到最低程度，也需要使用相近半径的杯和球。在本发明的一些优选实施例中，球和窝的球形部分的基球半径从不到22mm到60mm以上。在人工关节中，除了支撑骨结构外，为了得到最大范围的运动和力学强度，需要最大可能地利用病人的解剖形状。
在本发明的那些包括在一个接合面上使用金刚石骨板的实施例中，金刚石骨板的厚度通常为几微米到3000微米或者更大。本发明某些实施例使用纯质的多晶金刚石件，例如纯质的多晶金刚石球或纯质的多晶金刚石窝。在这些情况下，金刚石骨板的尺寸等于部件的尺寸。
对于使用带有基体的多晶金刚石紧密件的球和窝关节，为了易于制造，在本发明最优选的实施例中多晶金刚石骨板的厚度从不到5微米到2毫米以上。其它金刚石接合面的厚度范围从不到1微米到100微米以上，或者如上所述使用纯质的多晶金刚石组件。
球和杯都要接近制造和加工过程允许的球形。这将使球与杯间的接触面积达到最大，从而分散接触负荷并使关节寿命达到最大。为了接近天然关节的运动范围，球至少有180度的接合表面在窝中旋转也是优选的。
在半关节成形中，为了促进滑液流入，为与支承表面配对的软骨提供润滑和营养，需要有小的非球面度。
在本发明的各种实施例中，所设计的部件支承表面的形状和尺寸能满足特殊应用需求，并且与上面所述的不同。
E.在优选关节中金刚石的固定1.金刚石-基体界面的性质在先前工艺的人工关节中，聚乙烯接合面被粘结到杯上，或者机械固定到外壳上，如使用口缘、锁环或翼片。另外的方法是，聚乙烯接合面在适当金属表面上注塑成形。先前工艺中没有提供具有本发明金刚石骨板的接合面、烧结多晶金刚石紧密件或过渡区的人工关节。
与先前工艺的聚乙烯接合面的粘结或机械固定相比，在本发明优选实施例中，多晶金刚石紧密件在接合面和基体材料之间具有独特的化学键结合和机械夹持。
本发明一些优选人工关节结构将多晶金刚石紧密件用于股骨头和/或关节杯中的至少一件。使用基体材料的多晶金刚石紧密件，基体材料与金刚石晶粒间是化学键结合。这种结构的结果是在基体与金刚石骨板之间形成非常强的结合。
PDC的优选制造方法将在下面描述。简单地说，将金刚石晶体彼此之间及与基体之间在高压和高温下烧结在一起。图4A和4B表示制造多晶金刚石紧密件所涉及的物理和化学过程。
在图4A中，在烧结之前将金刚石原料430(例如金刚石粉或晶体)放在含有金属的基体410上。在金刚石原料430区域中，可看出各个金刚石晶体431个体，各个金刚石晶体431之间是初始孔隙432。如果需要的话，在初始孔隙432中放入溶剂触媒金属。
基体410是合适的纯金属或合金，或者含有合适金属或合金作为粘结相的硬质合金，如钴粘结的碳化钨。优选的基体是具有高拉伸强度的金属。在本发明优选的钴铬合金基体中，钴铬合金作为溶剂触媒金属，在烧结过程中溶解金刚石晶体。
图中示出了各个金刚石晶体以及金属基体中与其邻接的金属晶粒。金刚石粉与基体材料间的界面420是临界区，在这里产生金刚石与基体的结合。在本发明的一些实施例中，将与金刚石和基体不同的第三材料边界层置于界面420。当存在这种界面边界层材料时，可起到几个作用，包括增强金刚石骨板与基体的结合以及缓解金刚石-基体界面的残余应力场，但并不局限于此。
一旦金刚石粉或晶体与基体组装成如图4A所示的组件，此组件经受如后面所述的高压和高温处理，使金刚石晶体与金刚石晶体以及与基体之间产生结合，得到的烧结多晶金刚石骨板结合在基体中的结构称为多晶金刚石紧密件(PDC)。作为这里使用的术语，复合片是两种不同材料的复合结构，例如金刚石单晶和基体金属。将立方氮化硼晶体在烧结过程中取代金刚石晶体得到的相似结构称为立方氮化硼多晶复合片(PCBNC)。这里描述的用于制造和加工PDC结构和部件的许多工艺都可以以相似的方式应用于PCBNC。在本发明的一些实施例中，PCBNC可替代PDC。
图4B表示了将金刚石原料与基体高压和高温烧结后的多晶金刚石紧密件401。在PDC结构中，有一定数量的基体402、一定数量的金刚石骨板403和金刚石骨板与基体之间的过渡区404，过渡区404含有金刚石晶体和基体材料。图中示出了基体材料的晶粒405和金刚石烧结晶粒406。
在临时检验中，图4B所示的制造的复合片包括在基体402上结合的纯质的金刚石骨板403，其边界不连续。但在非常仔细的检验中，能看到金刚石骨板403和基体402之间的过渡区404。这个区域代表金刚石骨板与基体之间的梯度界面，其中金刚石含量与金属含量之比是逐渐过渡的。在过渡区基体一侧，仅有很小百分含量的金刚石晶体，和高百分含量的基体金属；在金刚石骨板一侧，有高百分含量的金刚石晶体和低百分含量的基体金属。由于多晶金刚石与基体金属的比例在过渡区是逐渐过渡的，金刚石骨板和基体之间出现梯度界面。
在过渡区中金刚石晶体和基体金属混合的位置，金刚石与金属之间形成化学键结合。从过渡区404到金刚石骨板403，金属含量减少，仅限于溶剂触媒金属，填充在烧结金刚石骨板结构403中像脉络一样三维结构的孔隙或开孔407。在孔隙或开孔407中的溶剂触媒金属在烧结过程中从基体中扫越，或者是在烧结之前将溶剂触媒金属加入到金刚石原料中。
在烧结过程中，形成三种类型的化学键结合金刚石与金刚石键、金刚石与金属键以及金属与金属键。在金刚石骨板中，当金刚石颗粒部分溶解在溶剂触媒金属中并随后结合在一起时形成金刚石与金刚石键结合(sp3碳键)。在基体和在金刚石骨板中，高压和高温烧结过程形成金属与金属键结合。并且在梯度过渡区，金刚石与溶剂触媒金属间形成金刚石与金属键结合。
上述不同化学键结合的组合以及金刚石骨板中溶剂触媒金属产生的机械夹持，例如在金刚石结构的间隙空间中的溶剂触媒金属，在金刚石骨板与基体间形成非常高的结合强度。金刚石结构中存在间隙空间，这些空间通常填充溶剂触媒金属，形成多晶金刚石结构中的脉络结构的溶剂触媒金属。此结合结构为金刚石复合片提供了非常高的断裂韧性，因为金刚石骨板中的脉络结构的金属起到能量阱作用，阻止金刚石结构中初始裂纹的扩展。过渡区和金属脉络结构为金刚石复合片提供了介于金刚石骨板性能和基体材料性能之间的梯度材料性能，并且也提供了非常高的韧性。根据其特征，过渡区也可称为界面、梯度过渡区、成分梯度区或者成分梯度。过渡区将金刚石/基体应力分散到整个厚度的区域上，减小了高应力的明显线性界面。当高压和高温烧结过程结束时由于压力的差别及金刚石和基体材料的热膨胀性能差别，随压力和温度的下降产生了残余应力。
金刚石烧结过程在非常高的压力和温度的条件下出现。根据本发明者的最佳实验和理论分析，金刚石烧结过程通过以下的顺序步骤进行。在压力下，将含有未结合的金刚石粉或晶体(金刚石原料)和基体原料的腔室加热到基体金属410的熔点以上，熔融金属流入相邻金刚石晶体406之间的间隙空间407。这个过程是通过压力梯度填充孔隙以及通过高表面积的金刚石晶体406的表面能或毛细管作用吸入的。随着温度的继续升高，金刚石晶体表面的碳原子溶解到初始的熔融金属中，形成碳溶液。
在适当的温度和压力下，金刚石成为碳同素异形体中的热力学稳定晶体。当溶液相对于Cd(金刚石碳)变成过饱和时，碳开始从溶液中以金刚石形式结晶在金刚石晶体的表面，用金刚石-金刚石键结合方式将相邻的金刚石结合在一起成为烧结多晶金刚石结构406。在毛细管力和压制驱动力的作用下，间隙金属填充在剩余的空隙中，在金刚石骨板中形成脉络状的网格结构407。由于在多晶金刚石结构形成的金刚石结晶过程中间隙金属在形成碳原子溶液和稳定这些反应原子方面起到重要作用，因此金属被称为溶剂触媒金属。
图4BB表示同时具有基体金属480和金刚石481的多晶金刚石紧密件，但其中在基体金属到金刚石之间有连续梯度过渡482。在这样的复合片中，梯度过渡区可以是整个复合片。
在本发明的一些实施例中，在烧结之前将一定量的溶剂触媒金属与金刚石混合。当形成厚的PCD片，连续PDC结构时，或者当使用金刚石粉中没有残余自由空间的多级细金刚石时，这是必须做的。在每种情况下，通过扫越机制进入的溶剂触媒金属不足以充分起到烧结过程中的溶剂触媒的作用。金属的加入可以通过直接加入金属粉，或者通过在研磨粉碎机中原位产生金属粉或借助公知的还原沉积在金刚石晶体上的金属盐的方法实现。所加入金属的数量在小于1％(重量百分数)到大于35％之间。所加入的金属可以是相同的金属或合金，或者是不同的金属或合金，根据它的材料和力学性能选择。烧结之前金刚石原料与溶剂触媒金属的比例包括70∶30、85∶15、90∶10、95∶15。金刚石原料中的金属可以是加入的粉末金属、通过研磨方法加入的金属、气相沉积或化学还原的金属粉。
当金刚石烧结在基体上带有界面边界层时，基体中没有溶剂触媒金属扫越金刚石骨板并参与烧结过程。在这种情况下，边界层材料，如果包括能作为溶剂触媒金属的金属或合金的合适材料，就能作为在金刚石烧结过程中起触媒作用的扫越材料。在所需的边界层材料不能作为溶剂触媒的其它情况下，如上所述，就需要在金刚石原料中加入适当的上述溶剂触媒金属。接着再进行烧结过程。在没有基体金属来源的情况下，金刚石烧结过程的溶剂触媒金属必须全部由加入的金属粉提供。边界材料与基体材料间形成化学结合，并与金刚石骨板和/或与金刚石骨板中加入的溶剂触媒金属间形成化学结合。烧结和制作过程的其它步骤与传统溶剂触媒金属的烧结和制作过程相同。
为了在本发明中简单和清楚地表述，基体、过渡区和金刚石骨板作为不同的层进行讨论。但是，认识到下面这一点是非常重要的，即最终的烧结体是从基体材料到金刚石骨板的连续梯度过渡复合结构，而不具有清楚和明确边界，因此这里称为“复合片”。
除了上述的烧结过程外，适于作为支承应用于全髋关节的金刚石部件也可以制作成没有基体的纯质的多晶金刚石结构。其制作过程是将金刚石粉与适当数量的上述所加入的溶剂触媒金属粉混合在一起放入形状为最终部件所需形状的难熔金属罐中(通常为Ta，Nb，Zr或Mo)，接着进行烧结过程。但是，在没有基体金属来源的情况下，金刚石烧结过程的溶剂触媒金属必须全部由所加入的金属粉提供。经过适当加工，得到可以使用的物体，或者与金属基体结合作为全关节连接使用。
烧结是得到金刚石骨板与基体材料之间高强度和持久结合的优选方法，但也可以使用其它的方法将金刚石骨板与基体结合。目前，这些方法通常没有烧结过程得到的结合的强度高和持久。也可以使用这些方法直接在基体上形成将金刚石结构，应用于人工关节支承。具有或不具有基体的金刚石骨板都可以制造并随后安装到人工关节上形成支承表面的位置上。安装过程以任何适当的方法进行，包括焊接、铜焊、烧结、扩散焊接、扩散结合、惰性焊接、粘结或使用紧固件，如螺丝、螺栓或铆钉。在将没有基体的金刚石骨板固定到其它物体上时，使用以下的方法是最合适的铜焊、扩散焊接/结合或惰性焊接。
2.制作金刚石支承表面的另一种方法尽管高压/高温烧结是制作金刚石支承表面的优选方法，但也可以使用其它生产金刚石的方法。例如，可以使用化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)工艺。CVD产生金刚石层是通过热分解有机物分子并在基体上沉积碳基实现的。PVD产生金刚石层是通过电子从源物质中激发出碳基并在基体上沉积，在基体上形成金刚石晶体结构。
与烧结相比，CVD和PVD工艺有一些优点。烧结是在大型的昂贵的压机中在高压(如45-68千巴)和高温(如1200-1500℃)下进行的。由于高压介质的流动及基体材料可能变形，因此使用烧结工艺难以达到并保持所需的部件形状。
相比之下，CVD和PVD是在大气压或低于大气压下进行的，因此不需要压力介质，基体不发生变形。
烧结工艺的另一缺点是难以得到某些形状的烧结多晶金刚石紧密件。但是，当使用CVD和PVD时，用于碳基沉积的气相能完全满足待涂层物体的形状，容易得到所需的非平面形状。
烧结多晶金刚石紧密件另一个潜在的缺点是，由于金刚石和基体间的热膨胀系数和弹性模量的差别，加工后的部件有较大的残余应力。虽然残余应力可用于提高部件的强度，但也是缺点。当使用CVD和PVD时，残余应力被降低到最低程度，因为CVD和PVD工艺在制作过程中没有显著的压力过渡(例如在高压和高温烧结过程中从68千巴到大气压)。
烧结多晶金刚石紧密件的另一个潜在的缺点是适合于烧结的基体很少。在先前工艺中，通常所用的基体是碳化钨。在本发明中，非平面的部件用其它方法制作。但使用CVD和PVD时，人造金刚石可以沉积在很多基体上，包括钛、多数碳化物、硅、钼及其它。这是因为CVD和PVD涂层过程的压力和温度足够低，以致于金刚石与基体间热膨胀系数和弹性模量的差别不象高温和高压烧结过程中的那样关键。
烧结多晶金刚石紧密件的另一个困难是随着制作部件尺寸的增大，压机压力也将增大。烧结金刚石仅能在确定的压力和温度下发生，如上面所述的条件。为了制造大尺寸的烧结多晶金刚石紧密件，必须增大压机的压力(吨位)及工具的尺寸(如模具和顶锤)以达到烧结金刚石所需的压力。但是与非常简单的增大部件尺寸相比，增大压机的尺寸和压力难得多。由于生产压机工具的制造工艺限制，实际上压机的尺寸有一个尺寸限制。
压机的工具通常是由碳化钨硬质合金制造的。为了制造工具，在真空炉中烧结碳化钨硬质合金，然后再在热等静压(HIP)装置中处理。为了保证均匀的物理性质，热等静压处理时需在整个碳化钨上保持均匀的温度。这一要求提出了对工具尺寸的限制，制造的工具是在烧结多晶金刚石紧密件中压机所使用的。对所制造的工具尺寸的限制也限制了所生产的压机尺寸。
CVD和PVD制造设备的尺寸规模限制很少，从而使它们可以生产出几乎任何所需尺寸的多晶金刚石紧密件。
CVD和PVD工艺的优点还在于，它们能精确控制基体上的金刚石涂层的厚度和均匀性。温度调节在500℃到1000℃的范围内，压力调节在小于1大气压的范围内，即可得到所需的金刚石涂层厚度。
CVD和PVD工艺的另一个优点在于，可以监测制作过程的进行。CVD和PVD反应器在部件制作结束之前能打开，以确定部件上金刚石涂层的厚度和质量。从已经沉积的金刚石涂层厚度上能计算制作过程的结束时间。另外，如果涂层达不到所需的质量，为了节约时间和成本可以放弃制作过程。
相比之下，烧结多晶金刚石紧密件是一个不中断的批量过程，烧结进程也不能监测。生产过程完全结束后才能检测部件。
CVD是在一个称为反应器的装置中进行。基本的CVD反应器包括四个部分。反应器的第一部分是一个或多个气体入口。气体入口的选择是根据气体是否在进入反应室之前预混合或者气体是否在反应室中首先混合。反应器的第二部分是一个或多个产生热量的能量源。一个能量源需要加热反应室中的气体。第二能量源用于均匀加热基体材料，从而在基体上获得均匀的金刚石涂层。反应器的第三部分是一个用于放置基体的平台。在CVD过程中基体被涂上金刚石。所用的平台包括固定平台、平移平台、旋转平台和振动平台。为了得到所需的金刚石涂层质量和均匀性，必须选择合适的平台。反应器的第四部分是从反应室排出废气的出口。气体与基体反应后必须尽快从反应室中排出，使其不能参与其它反应，破坏金刚石涂层的质量。
CVD反应器是根据所用的能量源分类的。所选能量源的种类必须能进行金刚石薄膜的沉积。这些CVD反应器的类型包括等离子辅助微波，热丝，电子束，单、双或多束激光束，电弧和直流放电。这些反应器的不同之处在于，它们将热量传递给气体的方式以及将气体分解成沉积金刚石所需物质的效率。也可以用一个阵列的激光束在高压腔内进行局部加热。可以选择一个阵列的光纤用于将光导入腔内。
CVD反应器工作的基本过程如下将基体放入反应器的反应室内，通过一个或多个入口将反应物引入反应室。对于金刚石CVD，优选的甲烷(CH4)和氢气(H2)以预混合的形式输入反应室。除了甲烷外，也可使用其它任何碳中有sp3键的含碳气体。为了控制金刚石膜的质量、沉积温度、获得的结构和生长速率，在气流中还加入其它气体。这些气体包括氧气、二氧化碳、氩气、卤素及其它。
优选的，反应室内的压力保持在100托。优选的气体流过反应室的流动速率为甲烷每分钟10标准立方厘米，氢气每分钟100标准立方厘米。优选的反应室内的气相组成为90-99.5％氢气和0.5-10％甲烷。
当气体进入反应室时，它们被加热。加热有很多种方法。在等离子辅助的工艺中，气体在通过等离子体时被加热。另外，气体可以在通过一系列丝时被加热，例如那些在热丝反应器中的丝。
加热甲烷和氢气将使它们分解成不同的自由基。通过复杂的反应，碳沉积在基体和关节上形成以sp3键结合的金刚石晶体。反应室中的原子氢与达到基体表面上甲基中氢原子反应并将之去除，形成分子氢，留下清洁的表面用于进一步沉积自由基。
如果基体表面促进sp2碳键的形成，或者如果气体组成、流动速率、基体温度或其它变量出现错误，石墨而不是金刚石将在基体上生长。
CVD反应器和工艺与PVD反应器和工艺之间有很多相似之处。PVD反应器与CVD反应器的不同之处在于它们产生的沉积物种类和沉积物的特性。在PVD反应器中，平板源物质用作热源，而不像CVD反应器中有单独的热源。为了从源物质中产生并发出碳自由基，PVD反应器穿过平板源物质产生电偏压。反应器用高能离子轰击源物质。当高能离子与源物质撞击时，它们使所需的碳自由基从源物质中溅射。碳自由基从源物质中以放射状溅射到反应室中，接着碳自由基沉积在其经过路径上的物体，包括平台、反应器本身和基体。
参考图4C，图中所示的合适材料的基体440有一沉积面441，通过CVD或PVD工艺金刚石将沉积在上面。图4D表示的基体440和沉积面441已经通过CVD和PVD工艺沉积了一定量的金刚石。并且存在一个小的过渡区443，其中有金刚石和基体。与图4B相比，可以看出沉积在基体上的CVD或PVD金刚石缺少烧结多晶金刚石紧密件中的大范围梯度过渡区，因为在CVD或PVD工艺中没有溶剂触媒金属扫越到金刚石骨板中。
CVD和PVD工艺进行金刚石沉积能看得到。也有将所有所需表面沉积金刚石的装置(如振动和旋转)。如果使用振动平台，支承表面将随平台上下振动，从而将所有支承表面暴露在自由基源中。
为了使用CVD或PVD工艺将金刚石涂在圆柱体上，可以采用几种方法。如果等离子辅助微波工艺用于沉积金刚石，为了得到高质量和均匀性的金刚石涂层，接受金刚石的物体必须直接处于等离子体中。旋转或平移平台可用于将支承表面的每个部分暴露在等离子体中进行金刚石涂层。当平台旋转或平移时，支承表面的所有部分直接处于等离子中进行涂层，以得到非常均匀的涂层。
如果使用热丝CVD工艺，涂层表面需放在静止平台上。线或丝(通常是钨)应在整个平台上具有足够的强度，使它的覆盖范围包括被涂层的支承表面。为了在热丝正下方得到均匀的金刚石涂层，需选择丝与支承表面的距离以及丝之间的距离。
用CVD和PVD工艺制作金刚石支承表面，既可以在基体上涂层金刚石，也可以制作没有支撑物的金刚石，以后安装使用。用CVD和PVD工艺制作没有支撑物的金刚石分两步进行。首先，在合适基体上，如硅、钼、钨或其它基体，沉积厚膜金刚石。其次，从基体上取下金刚石膜。
根据需要，可将金刚石膜切成片段，例如使用Q-转换的YAG激光。尽管金刚石对于YAG激光是透明的，但通常有足够量的sp2键结合的碳(如石墨中发现的)能够进行切割。如果不能，则用碳素墨水在金刚石膜上画一条线。线应足以使切割开始进行，并且一旦开始，切割将慢慢进行下去。
当从金刚石膜上切下合适大小的金刚石骨板后，为了作为支承表面使用，可以将其固定在所需的物体上。例如，通过焊接、扩散结合、粘结、机械固定或在压机中高压和高温结合，将金刚石固定在基体上。
尽管在基体上的CVD和PVD金刚石没有在烧结多晶金刚石紧密件中的梯度过渡区，但为了将金属结合在金刚石骨板中仍可使用CVD和PVD工艺。如同这里其它的描述，将金属结合到金刚石骨板中增强了金刚石骨板与基体的结合并强化多晶金刚石紧密件。将金刚石结合到金刚石骨板中得到的金刚石骨板的热膨胀系数和压缩性与纯金刚石的不同，因此与纯金刚石相比增大了金刚石骨板的断裂韧性。与金属相比，金刚石具有低的热膨胀系数和低的压缩性。因此与纯金刚石相比，在金刚石骨板中金属与金刚石共存能使金刚石骨板得到较高的和更像金属的热膨胀系数和平均压缩性。这样，金刚石骨板与基体间界面的残余应力减小，金刚石骨板从基体上剥离的可能性很小。
纯金刚石晶体也具有低的断裂韧性。因此，在纯金刚石中，当形成小裂纹时，整个金刚石部件出现灾难性的失效。对比之下，金属具有高的断裂韧性并且可以存在较大裂纹而不出现灾难性的失效。结合有金属的金刚石骨板比纯金刚石具有较高的断裂韧性。当金刚石骨板具有间隙并且间隙被金属填充时，如果裂纹在金刚石中形成并扩展到含有金属的间隙中，裂纹将在金属中停止，从而避免了灾难性的失效。由于这一特性，间隙中含有金属的金刚石骨板与纯金刚石相比，能承受更高的力和工作负荷而不出现灾难性的失效。
当金刚石骨板中的金属含量增大时，金刚石-金刚石结合趋于减少。可以利用CVD和PVD工艺，从而建立过渡区。但是，对于支承表面优选的主要是具有低磨损性能的纯多晶金刚石。
一般的CVD和PVD金刚石没有填充金属的大的间隙。因此，与烧结多晶金刚石紧密件相比，多数PVD和CVD金刚石更脆或具有低的断裂韧性。CVD和PVD金刚石在金刚石骨板与基体之间表现最大的残余应力。但是，也可能形成其中含有金属的CVD和PVD金刚石膜，其成分是均匀的或者是功能梯度的。
一种将金属结合在CVD或PVD金刚石膜中的方法是使用两种不同的源物质，在CVD或PVD金刚石生产过程中同时在基体上沉积两种物质。无论金刚石是用CVD生产，还是PVD生产，还是将二者结合应用，都可以使用这种方法。
另一种将金属结合到CVD金刚石膜中的方法是化学气相渗透。这种方法首先制作多孔材料层，接着用化学气相渗透填充孔隙。多孔层的厚度约等于所需的均匀层或梯度层的厚度。为控制最终涂层的成分，需要控制孔隙的大小和分布。气相渗透过程中沉积首先在多孔层与基体之间的界面开始。随着沉积的继续，物质沉积的界面从基体向外移动，将多孔层的孔隙填充。随着界面向外移动，通过相对加热器移动样品或通过相对生长界面移动加热器保持界面的沉积温度。样品外侧与生长界面之间的多孔区的温度应保持在不促进物质(填充孔隙的物质或不需要的反应产物)沉积的温度，这一点是非常重要的。这一区域的沉积将过早地封闭孔隙，阻止渗透和在孔隙内沉积所需的物质。结果是得到具有开孔的和差的物理性质的基体。
本发明用于制造支承表面和组件的另一种可行的制造工艺是使用能量束，例如激光能量，将基体中的物质蒸发并将这些物质以新的形式沉积在基体上。例如，可以得到或制作含有碳、碳化物或其它所需组成元素的金属、聚合物或其它基体。将合适的能量，例如激光能量，导入到基体上，使组成元素从基体中移到基体接收能量区域附近的基体表面上。对基体表面上的浓缩组成元素连续施加能量能使这些组成元素蒸发。接着蒸发的组成元素与另一种元素反应，改变蒸发的组成元素的性质和结构。
接着，蒸发和反应的组成元素(如金刚石)扩散到基体表面中。在具有与蒸发和反应的组成元素相同或不同化学成分的基体表面上可以得到单独制造的涂层。另外，已经扩散到基体中的一些变化的组成元素可以再次蒸发和反应并沉积在基体上形成涂层。通过这种方法及其变化，可以在基体上形成适当的涂层，例如金刚石、立方氮化硼、类金刚石碳、B4C、SiC、TiC、TiN、TiB、cCN、Cr3C2、Si3N4。
在其它的制造条件下，可以使用高温激光、电镀、溅射、高能激光激发等离子沉积或其它方法在某一位置沉积金刚石、类金刚石材料、硬材料或超硬材料作为支承表面。
考虑到这里的内容，那些本领域的熟知人员能理解到，为了制造金刚石支承表面而使用这里描述的任何一种制造方法在基体上生成高质量金刚石并使用它的这些设备、材料和工艺条件。
F.制作金刚石部分的优选结构这一部分提供与制作优选的人工髋关节及其它相似形状结构有关的信息。
1.问题的性质在人工关节以外的领域中，特别是在岩石钻削刀具的领域中，已经使用多晶金刚石紧密件一段时间了。以往这些刀具都是圆柱形，并在一个端部具有平的金刚石骨板。刀具的金刚石表面比多数人工关节中需要的支承表面小很多。这样，多晶金刚石刀具的形状和制作方法不能直接应用于人工关节。
制作人工髋关节的特殊问题是如何生产凹球状多晶金刚石紧密件关节杯和与之配合的凸球状多晶金刚石紧密件股骨头。在制作球形多晶金刚石紧密件中，在进行装料、封装和压制/烧结过程中主要考虑的是对称性。球形复合片设计需要在制作部件过程中径向施加压力。在高压烧结过程中，参见下面的详细描述，为了得到球形形状，所有位移必须从所制作的球的中心沿径向进行。为了在高温/高压压制过程中达到这一目的，必须产生等静压力场。在制作这种球形部件过程中，如果存在任何的偏移应力分量，将导致部件的变形，使生产的部件成为废品。
下面讨论在制作球形多晶金刚石紧密件中必须考虑的特殊问题。
a.模量多数金刚石复合片同时包括金刚石骨板和基体。金刚石和基体的材料性能应该匹配，但是制造金刚石复合片的高压和高温烧结过程将导致部件中存在极高的残余应力。例如，对于使用碳化钨作基体的多晶金刚石紧密件，烧结金刚石的杨氏模量约为120×106psi，钴粘结的碳化钨的杨氏模量约为90×106psi。模量是指材料应力与应力关系曲线的斜率。模量表示材料的刚度。大块材料的模量是指均匀应变与均匀应力之比，或者材料单位体积压下量与所施加的压力或应力之比。
因为金刚石和多数基体材料具有较高的模量，多晶金刚石紧密件中非常小的应力或位移能产生非常大的应力。如果应力超过金刚石或基体的屈服强度，部件就失效。强度最高的多晶金刚石紧密件不需要无应力。在残余应力优化分布的多晶金刚石紧密件中，与无应力部件相比，产生断裂需要更多的能量。因此，必须注意基体与金刚石之间模量的差别并应用于部件设计中，使部件具有最高的强度，在使用过程中具有足够的耐磨性和断裂韧性。
b.热膨胀系数金刚石和基体在温度变化时它们变形的差别程度也影响它们的力学性能的匹配。热膨胀系数(CTE)是指温度变化一单位值时单位长度的变化量，或者是材料在加热时膨胀的倾向，或者是冷却时的收缩倾向。当材料经历相变过程时，不能根据初始相的CTE进行计算。需要注意的是，当使用具有不同CTE和模量的复合片材料时，它们在相同的应力下发生不同的应力。
多晶金刚石的热膨胀系数(在上面及下面都记为“CTE”)为每度每英寸材料2-4微英寸(10-6英寸)(μin/in℃)。对比之下，碳化物的热膨胀系数为6-8μin/in℃。尽管这些值在数字上是接近的，但是当在基体和金刚石的结合体上存在几百度的温度梯度时高模量的影响将造成非常高的残余应力场。与制作用于人工关节的球形部件或其它复杂形状的部件相比，在先前工艺中制作具有平金刚石骨板的圆柱形多晶金刚石紧密件时热膨胀系数的差别是一个不重要的问题。当制作球形多晶金刚石紧密件时，金刚石和基体间CTE的差别能产生高的残余应力，这样，在高压/高温烧结过程中和烧结过程后的任何时刻导致金刚石骨板、基体或二者同时破裂和失效。
c.膨胀和畸变应力烧结过程中金刚石和基体的组装体将产生体积收缩。烧结过程，在下面详细描述，使基体和金刚石组装体经受约40到68千巴压力的常规压制。此压力将导致基体的体积收缩。金刚石和/或基体也能产生形状畸变。导致形状畸变的应力称为畸变应力，导致体积变化的应力称为膨胀应力。在等静压系统中，畸变应力的和为0，仅有剩余的膨胀应力分量。在设计和烧结具有复杂形状的多晶金刚石部件时不考虑所有这些应力影响溶易导致烧结过程失败。
d.金刚石原料自由体积的减少作为金刚石原料的一个物理性质，金刚石原料中存在很多自由体积，除非烧结之前使用的是特殊制备的原料。必须尽可能多地去除金刚石中的自由体积，如果金刚石原料中存在的自由体积过多，则不会产生烧结。如果压机使用的顶锤具有足够的位移，也能在烧结过程中去除自由体积。在任何减少自由体积或者变形或废品部件的过程中，重要的是保持金刚石和基体所需的均匀形状。
e.溶剂触媒金属的选择目前，在高温和高压生产人造金刚石时没有不使用溶剂触媒金属的方法。溶剂触媒金属需要在人造金刚石中达到所需的晶体结构。溶剂触媒金属首先优先从金刚石原料晶体的尖接触点溶解碳，接着碳以金刚石的形式在以金刚石-金刚石键结合的金刚石基体的空隙中重新结晶，达到95％到97％理论密度的金刚石和5％到3％体积分数的溶剂金属。这个分布在基体表面上的固体这里称为多晶金刚石骨板。溶剂触媒金属也增强与基体原子化学键的形成。
当所制造的多晶金刚石紧密件用于生物医学领域时，关键是选择一种生物相容的溶剂金属。先前工艺用于形成多晶金刚石紧密件的溶剂触媒金属不是生物相容的，因此新的溶剂金属应具有令人满意的性能并且必须是生物相容的。
将溶剂触媒金属加入到金刚石原料中的优选方法是使溶剂触媒金属在高压和高温烧结过程中从含有溶剂触媒金属的基体中扫越出来。也可将粉状溶剂触媒金属在烧结之前加入到金刚石原料中，特别是在需要较厚的金刚石骨板时。研磨的方法也用于在烧结之前将溶剂触媒金属加入金刚石原料中。如果所用的溶剂触媒金属太多或太少，得到的部件则缺少所需的力学性能，因此选择适于制造特殊部件的溶剂触媒金属的数量和将其加入金刚石原料中的方法是很重要的。
f.金刚石原料的粒度及分布最终金刚石制品的耐磨性与金刚石原料的粒度及粒度分布有直接关系。金刚石原料的粒度和粒度分布的选择是根据制品的寿命要求及其工作环境。如果使用细小的金刚石原料晶体并得到高强的金刚石-金刚石键结合的金刚石骨板，就能增强多晶金刚石的耐磨性。
尽管多晶金刚石可以用单一粒度金刚石原料制造，但是使用多粒度的原料能同时提高冲击强度和耐磨性。混合使用大晶粒尺寸和小晶粒尺寸的金刚石原料制造的部件具有高的冲击强度和耐磨性，部分原因是大金刚石晶体间的空隙被小金刚石晶体填充。在烧结过程中，小晶体溶解并析出，将所有金刚石晶体结合成高强和牢固结合的复合片。
g.装入金刚石原料的方法在装入前或装入过程中金刚石原料的污染将导致烧结过程的失败。必须非常注意，在烧结之前保证金刚石原料和任何加入的溶剂触媒金属或粘结剂的清洁度。
为了准备烧结，应准备干净的金刚石原料、基体和容器用于装料。金刚石原料和基体放在称为“罐”的难熔金属容器中，罐将其中的物料与外界的污染隔开。金刚石原料和基体在高压和高温烧结过程中保持在罐中，以形成多晶金刚石紧密件。优选的，罐在真空下用高温的电子束焊接密封。
将足够的金刚石原料(粉末或颗粒)装入以满足高压和高温烧结过程中的线性收缩。将金刚石原料装入罐中用于烧结的方法影响最终制品的基本形状和公差。特别是，整个罐中金刚石原料的堆积密度应尽可能均匀，以便得到高质量的烧结多晶金刚石紧密件结构。在装料过程中，金刚石的搭桥能通过分阶段装入和包装来避免。
装料后原料密度的均匀程度影响多晶金刚石紧密件的形状。干式装入金刚石原料和装入混有粘结剂的金刚石并在随后过程中将粘结剂脱除的方法也影响最终多晶金刚石紧密件的特性。为了恰当地预压金刚石用于烧结，预压的压力应在等静压的条件下施加。
h.选择基体材料金刚石的独特材料性能及其在模量和CTE方面与可能性最大的基体材料的差别使得选择合适的多晶金刚石基体非常困难。当对基体再加以额外的生物相容性限制时，选择更加困难。多数生物相容的金属与人造金刚石的材料性能不匹配。金刚石与基体间材料性能的巨大差别为成功制造具有高强度和持久性的多晶金刚石部件提出了挑战。甚至每种硬基体与金刚石相比都是软的。基体和金刚石必须能经受烧结过程中的压力和温度，而且必须能在返回到室温和大气压时不出现剥离、裂纹或其它问题。并且，即使在那些相信是生物相容的材料中，权宜之计也仅能选用符合政府法律规定的那些材料用于产品中，如人工关节。
基体材料的选择也需要考虑部件的用途、耐冲击性和强度的要求，以及烧结过程中需要结合在金刚石骨板中的溶剂触媒金属的数量。所选择的基体材料的材料性能必须与所生成的金刚石骨板的性能相匹配。
1.基体形状本发明中，优选的是制造球形的、半球形的、部分球形的、弓形的及其它复杂的凹和凸形多晶金刚石紧密件，以后还能切割、机加工及其它加工，用于制作股骨头、关节杯、其它接合面、其它支承表面及其它耐磨表面。制作这些部件需要考虑基体的独特形状。特别是，球形的所需最终产品需要在烧结过程中从所制作球形的中心沿径向施加力。
并且，重要的是考虑是使用表面光滑的基体还是使用具有形貌特征的表面。基体表面能被制成不同的形貌特征，用化学结合或机械夹持将金刚石骨板固定在基体上。使用具有形貌特征的基体为化学结合提供了更大的表面积，形貌特征对于机械夹持也能产生更强的和更耐用的部件。
2.优选的材料和制造工艺本发明者已经发明和确定了用于制造优选的在人工关节中使用的多晶金刚石紧密件的材料和制造工艺。这些材料和方法也能应用于假体以外的领域。也可以用下面列举以外的其它方法和材料制造本发明的支承表面。
下面描述的步骤，例如选择基体材料和形状、选择金刚石原料、装料和烧结的方法，能相互影响，因此尽管下面单独列出了制造多晶金刚石紧密件过程必须采取的步骤，但没有一个步骤是与其它步骤完全独立的，并且所有步骤必须符合标准，以保证制造过程的成功。
a.选择基体材料为了制造任意的多晶金刚石紧密件，应选择适当的基体。对于制造用于人工关节中的多晶金刚石紧密件，本发明者优选使用在下表中列出的基体。表2生物医学应用中的一些基体
所用的CoCr合金优选的是CoCrMo或CoCrW。上面的基体仅是一些例子，除此之外，其它材料也适合用作基体，用于制作人工关节和其它支承表面。
当钛用作基体时，本发明者有时优选的在钛基体上放上一片薄的钽隔片。钽隔片防止钛合金与金刚石原料中的钴合金混合。如果钛合金与钴合金混合，在高压和高温烧结过程中将形成有害的低熔点共晶金属间化合物。钽隔片同时与钛合金和钴合金以及含有钴溶剂触媒金属的多晶金刚石结合。这样，使用具有钽隔片层的钛基体以及含有钴溶剂触媒金属的金刚石原料制造的多晶金刚石紧密件强度非常高并且容易制作。另外，可以在钛基体上提供一层α相氧化物涂层(一种氧化层)作为阻挡，防止共晶金属的生成。
如果使用钴铬钼基体，为了控制烧结过程中形成碳化铬(CrC)，优选的在装金刚石原料之前在基体上放一层薄的钨层或薄的钨和钴层。
除了表中列举的以外，也可以使用其它合适的基体用于制作多晶金刚石紧密件支承表面。并且，在本发明的范围内可以制作没有基体的金刚石支承表面。也可以用任何超硬材料及其它这里给出的支承材料制作支承表面，这种情况下也不需要基体。另外，如果需要使用除多晶金刚石以外的其它类型金刚石或碳，基体的选择是不同的。例如，如果金刚石支承表面采用化学气相沉积或物理气相沉积制作，就需要使用适合于这些制作环境和所用成分的基体。
b.确定基体形状1)一般基体结构所选择的基体形状应适合于所制造的多晶金刚石紧密件并适合于所用的材料。为了制作如本发明的一些实施例中优选的凹球形关节杯或凸球形股骨头，必须选择基体形状以满足这些部件的生产。为了保证得到恰当的金刚石制品并避免复合片的变形，烧结过程中作用在金刚石和基体上的力必须是严格的径向。因此，在制作关节杯、股骨头或任何其它球形部件时与金刚石原料接触的基体形状优选的一般是球形。
如前所述，人造金刚石和多数可用的基体材料的材料特性有很大的差异。特别是，要注意模量和CTE。但是当二者组合在一起使用时，有些基体能形成稳定的和高强度的球形多晶金刚石紧密件。下面的表中列出了一些优选的基体材料的物理性质。表3一些优选基体的材料性能
单独使用钛或钴铬合金基体用于制作球形多晶金刚石紧密件可导致金刚石骨板的裂纹或基体与金刚石骨板之间的分离。特别是，结果表明在高压和高温烧结过程中钛的主要问题是压缩性，而钴铬合金在烧结过程中的主要问题是CTE。在本发明的一些实施例中，为了在制作过程中和制作完成后使尺寸稳定，可使用两层或多层基体。
参看下表，列出了一些可以用于制作球形多晶金刚石紧密件的基体材料组合。表4用于制作凸PCD球的球形基体组合
α相氧化物涂层用于阻止钛与钴铬合金的反应。钽隔片层的厚度为0.002到0.010英寸，最佳的是0.008英寸。
为达到尺寸的稳定性，如上所述，在球形部件中使用两片基体。两片基体能克服金刚石与基体间CTE和模量的差异。结果表明，使用具有多层的基体能克服材料以不同速率膨胀和收缩的倾向，如果不这样做的话将导致金刚石开裂。
使用具有至少两层明显不同的基体材料的球形基体能稳定部件并防止基体从金刚石骨板上收缩剥离，从而能成功地制造球形多晶金刚石紧密件。
参看图5A-5F，表示了本发明用于制作基本球形多晶金刚石紧密件的各种基体结构。图5A和5B表示两层基体。
在图5A中，基体材料的实体第一球501作为基体外壳或外层。第一球501的尺寸应保证在第一球501的外表面固定金刚石骨板后球的尺寸近似于最终加工以前部件的尺寸。一旦得到基体的第一球501，则在其中心钻一个孔502。孔502优选的是镗的、钻的、切削的、炸的或其它方法形成的，孔502的末端503是半球形。这一点是优选的，可以通过使用圆形或球形端头是所需半径和曲率的钻头或端铣刀达到。
接着，得到基体材料的第二球504。第二球504比第一球501小并且能放入第一球501的孔502中。球501和504的基体材料优选从上面的表中选取，也可以是其它适合的材料。第二球504和孔502及其末端503应紧配合在一起，不留多余的公差或间隙。
插塞505优选使用与第一球501相同的基体材料。插塞505具有第一末端505a和第二末端505b，二者之间是基体材料，填充孔502的除去被孔末端503中第二球504占据部分之外的其余部分。插塞505优选在第一末端505a具有凹的半球形的插孔506，使插塞505能盖过第二球504的约半个球表面与第二球504紧密接触。插塞505一般为圆柱形。接着将金刚石原料507装到这种在一个基体球中包括另一个基体球的基体组件上，然后在高压和高温下烧结得到球形多晶金刚石紧密件。
参考图5B，表示本发明用于制造球形多晶金刚石紧密件的另一种基体形状。选择合适的基体材料作内部的心球550，接着选择外层基体的第一半球551和外层基体的第二半球552。外层基体第一半球551和第二半球552中的每一个分别有一个半球形插孔551a和552a，其形状和尺寸能容纳内部心球550外层的半球表面，从而将内部心球550封闭在其中。内部心球550及半球551和552的基体材料从上面的表中选取或者选用其它合适的材料。
当两个半球与内部心球组装后，将金刚石原料553装到半球的外表面，然后在高压和高温下烧结得到球形多晶金刚石紧密件。
尽管图5A和5B表示两层的基体，也可以使用多层的基体(3层或更多层)用于制造多晶金刚石紧密件或多晶立方氮化硼复合片。基体材料、基体形状、基体表面形貌特征以及具有相同或不同材料的多层基体的选择至少部分取决于基体的热机械性能和基体的压力机械性能。
参考图5C，表示制作基本球形多晶金刚石紧密件的另一种基体结构。基体520的基本形状为球形，球的表面包括用于增强金刚石在基体上固定的基体表面形貌。基体在其表面上有多个凹坑521。每个凹坑521有三个不同深度的凹坑521a、521b和521c。图中所示的凹坑是同心的，每个深度相同，但是它们的深度可以改变，不必同心，并且凹坑的形状不必是圆。凹坑壁521d、521e和521f平行于凹坑的一根径向轴线，此径向轴线垂直于球的理论球极点的切线，但是如果需要的话也可以是其它取向。如图所示，基体球522的表面除去已经提到的凹坑外没有其它形貌特征，但是可以具有突出、凹陷或其它所需的修改。凹坑521的宽度和深度根据所制造的多晶金刚石紧密件可以改变。
金刚石原料装在基体球520的外层，组合后在金刚石稳定的压力区域烧结得到球形多晶金刚石紧密件。在基本球形的基体上利用基体表面形貌特征使金刚石骨板与基体间的结合很强，并且可以使用单层基体制造多晶金刚石紧密件。这是因为利用基体表面的形貌特征达到基体与金刚石骨板之间的夹持作用。
参考图5D，表示节段式球形基体。基体有多个表面凹坑524，在基体外表面上等间距分布。图中所示的凹坑为三个不同深度层。第一层524a具有预定的深度并且外周边为五角形。第二层524b是圆形的并具有与五角形预定深度不同的预定深度。第三层524c是圆形的并具有与上述二者预定深度都不同的预定深度。另外，凹坑可以仅有一个深度，可以都是五角形，或者是混合形状。凹坑是对基体球机加工形成的。
参考图5E，表示制作多晶金刚石紧密件的另一个基体结构的剖视图。图中所示的是多晶金刚石紧密件525，它是球形的，包括烧结在基体527上的金刚石骨板526。基体的末端527a的形状是部分球形，近端527b是圆顶形的。另外，基体527的近端527b可以是部分球形，但是其对应球的半径小于基体末端527a对应球的半径。顶527c和底527d中每一个的形状都便于从基体部分球体的近端527b过渡到基体部分球体的末端527a。这种基体结构的优点在于留下一部分基体露在外面用于钻孔和固定部件而不干扰多晶金刚石骨板的残余应力场。还有一部分基体没有在上面烧结金刚石，使基体在烧结过程中可以膨胀而不破坏金刚石骨板。但是，基体球超过180°外表面上有金刚石，因此这一部分用作股骨头或其它接合面。
参考图5F，表示制作多晶金刚石紧密件的另一个基体结构的剖视图。图中所示的是多晶金刚石紧密件528包括金刚石骨板529和基体530。基体具有形貌特征531用于增强金刚石与基体界面的强度。形貌特征包括由凹坑533或通道分隔的矩形突起532。基体末端530a对应半径r的球，基体近端530b对应半径r′的球，其中r＞r′。通常表面修改都在所有金刚石骨板下面。
参考图5G，表示人工髋关节的股骨头535。股骨头535包括烧结在基体536上的金刚石骨板536。基体的结构是具有圆柱形突出的球。头535制作时使一部分基体从球形的头中突出形成颈538，可以利用任何公知的连接方法与合适的体连接，例如自锁圆锥配合、焊接、螺纹或其它连接机构。在制作多晶金刚石紧密件535的基体上形成颈538，为多晶金刚石紧密件提供了连接点，而不干扰多晶金刚石紧密件的残余应力场。图中的颈538是构成柄540的整体所需要的部件。
任何一种前面提到的基体结构和基体形貌及它们的变型和派生物可以用于制造多晶金刚石紧密件，用于假体或其它支承或接合面。
在本发明的不同实施例中，可以使用单层基体。在本发明的其它实施例中，如上所述，可以使用两层基体。但是，根据所用部件的性能，需要使用包括三层、四层或多层的基体。这种多层基体也在本发明的范围内。
本发明制作关节杯或其它凹的球、半球或部分球的多晶金刚石紧密件的优选形状与制作凸球形多晶金刚石紧密件的不同。参考图6A-6C，下面描述制作凹球形多晶金刚石紧密件的优选基体形状和组件(如用于制作关节杯)。基体601(和601a和601b)优选的是在一个末端有半球形插孔602(和602a和602b)的圆柱形。
两个基体圆柱601a和601b放在一起使它们的半球形插孔602a和602b互相靠近，在它们中间形成一个球形凹坑604。合适基体材料的球603位于凹坑604中。将金刚石原料605装在凹坑604中球603的外表面与基体圆柱601a和601b的插孔602a和602b的凹表面之间。组装后放入难熔金属罐610中进行烧结。罐具有第一圆柱610a和610b。两个圆柱在口缘611处接合。
这个组件烧结后，为了得到第一杯组件607a和第二杯组件607b，沿中心线606将组件切开或磨开。圆柱602a和602b优选的基体材料是CoCrMo(ASTM F-799)和CoCrW(ASTM F-90)，球603优选的基体材料是CoCrMo(ASTM F-799)，但也可以使用任何合适的基体材料，包括那些在表中列出的。
虽然上面讨论了用两层基体制作凸和凹球形多晶金刚石紧密件，但也可以在制作球形多晶金刚石紧密件时使用两层以上材料组成的基体或者单独一种材料的基体。
2)基体表面形貌根据应用情况，在用于制作多晶金刚石紧密件的基体上包括基体表面形貌特征是有优势的。无论是否使用一片、两片或多片基体，为了增大金刚石骨板的总表面积以增强基体与金刚石骨板间的接触并对金刚石骨板产生机械夹持，仍可以修改基体表面或在基体上形成形貌特征。
如果基体形成简单的平面或非平面图形，基体上的形貌特征布局用作修改基体表面形貌或轮廓，在基体上形成基体表面形状或轮廓。基体表面形貌特征包括一个或多个不同类型的形貌特征，例如凸出、凹下或轮廓特征，以增大表面，增强金刚石骨板与基体间的固定，防止裂纹生成，或防止裂纹扩展。
基体表面形貌特征或基体表面的修饰有多种有用的功能。基体表面形貌增大基体与金刚石骨板接触的总基体表面积。与没有基体表面形貌特征相比，基体与金刚石骨板间接触面积的增大使金刚石骨板与基体间的化学键结合总数量增大，从而得到强度更高的多晶金刚石紧密件。
基体表面形貌特征也能起到基体与金刚石骨板之间的机械夹持作用。基体表面形貌特征既能起到机械夹持作用，也能增强多晶金刚石紧密件的强度。
基体表面形貌特征还可以将多晶金刚石紧密件中的残余应力场分布在更大的表面上以及更多数量的金刚石和基体材料中。这种金刚石和基体内残余应力分布的扩展能保持应力低于金刚石骨板/基体界面上裂纹萌生和/或裂纹扩展的临界应力。
基体表面形貌特征增大金刚石与基体间梯度界面或过渡区的厚度，将残余应力场分布在更长节段的复合片结构上并得到强度更高的部件。
基体表面修饰也用于制作具有残余应力场的烧结多晶金刚石紧密件，与不使用表面形貌特征相比，能提高金刚石层的强度并得到更强的、对损坏有更大抵抗力的多晶金刚石紧密件。这是因为为了破坏金刚石层，就需要首先克服部件中的残余应力，再克服金刚石骨板的强度。
基体表面形貌特征将金刚石骨板的受力重新分布。基体表面形貌特征使通过金刚石层传递的力从单个力矢量沿多个力矢量重新传递。这种将穿过基体的力重新分布避免了基体材料以高于金刚石骨板的速率发生形变，因为这种形变的差异能导致金刚石骨板的开裂和失效。
基体表面形貌特征还用于缓和金刚石和基体间的应力场强度，得到强度更高的部件。
基体表面形貌特征还用于将残余应力场分布于整个多晶金刚石紧密件结构中，减小单位体积结构内的应力。
通过在制造过程中将基体压在金刚石骨板的边缘上，基体表面形貌特征还用于将金刚石骨板机械夹持在基体上。在冷却过程中随着基体径向散热，燕尾槽、半球形等形貌特征可以提供作用力压迫和增强金刚石骨板与基体间的界面。
基体表面形貌特征也可用于达到可以制造的程度。如上所述，金刚石与选择的基体间存在热膨胀系数和模量的差异，这将导致制造过程中金刚石骨板的损坏。对于某些部件，使用基体表面形貌特征得到较高强度的基体与金刚石骨板间的界面，从而使多晶金刚石紧密件能成功制造。但是，如果使用简单形状表面的基体制造相同尺寸的相似部件，而不使用特殊的基体表面形貌特征，由于金刚石与基体间热膨胀系数和模量的差异，金刚石骨板将开裂或从基体上剥离。
有用的基体表面形貌特征的例子包括波浪线、槽、脊、其它经线方向表面特征(任何能以经线方向、纬线方向、以所需角度相互交叉、随机花样和几何图案)、三维花样、球截形凹坑、球截形凸起、三角凹坑、三角凸起、弓形凹坑、弓形凸起、部分球凹坑、部分球凸起、圆柱形凹坑、圆柱形凸起、矩形凹坑、矩形凸起、n边多边形凹坑(n为整数)、n边多边形凸起、奶蛋饼图案的脊、奶蛋饼铁模图案的凸起结构、酒窝状、乳头状、突起、加强筋、开孔、构槽、截面形状是圆形、三角形、弓形、方形、多边形、曲线或其它形状的槽和脊，以及其它形状。可以使用机加工、压制、挤压、冲压、注射成形和其它制作工艺得到这些形状，从而得到所需的基体形貌。尽管为了图解的目的，图中基体形貌或其它结构中表示的一些尖角，实际上所有角都有小的半径过渡，以使部件具有高的持久性。
图3A-3U表示几个可能的基体表面修饰。参考图3A，图中的股骨头具有凹和凸的基体表面形貌特征。图中的股骨头380具有烧结在基体383上的金刚石骨板382。基体383的表面形貌包括凹的弓形槽384和凸的弓形脊385，以基体上一个点为中心呈辐射状。金刚石382覆盖在基体表面形貌特征上，与简单圆形的基体相比，金刚石骨板与基体之间的接触面积增大。
图3B表示施加在图3A股骨头380上的力的重新分布。当力F1施加到头380上时，力F1沿力矢量F2和F3重新分布，如图所示。因此，尽管金刚石骨板382受到是单一矢量的力，但是这个矢量的力分解成小的力并穿过基体383。力的重新分布减小了金刚石骨板与基体之间形变速率的差异，因此减小了金刚石骨板开裂和损坏的机会。
图3C表示在人工关节的股骨头上使用基体表面形貌特征。关节杯386装在骨盆骨387中。杯386具有固定在基体389上的多晶金刚石骨板388。股骨头390包括基体392上的多晶金刚石骨板391。
基体392具有包括槽393的表面形貌特征，当关节处于病人站立位置时槽的方向基本是垂直的。初始力的矢量F1基本平行于站立位置的槽393。行走时力的作用区在杯上方的骨骼中。使用基体表面形貌特征，包括病人站立时基本垂直的槽，能达到较宽的力的重新分布。
图3D表示合适基体材料的凸球350。球350有极轴351和赤道352。球350的表面上有多个表面修饰353。表面修饰的排列是一个偏置结构。表面修饰是直径从小于0.001英寸到大于0.750英寸的圆柱凹坑，其深度从不到0.001英寸到0.750英寸以上，或者是其它所需尺寸。非常小的表面形貌特征可以使用激光加工。在多数本发明的实施例中，基体表面形貌特征覆盖1％到99％的金刚石骨板下面的基体表面。基体表面形貌特征的深度从部件半径的1％到部件半径的50％。离散的基体表面形貌特征的尺寸沿基体表面的切线测量为部件半径的1％到50％。
图3E表示使用具有修饰基体表面(例如图3A所示)的球形基体制作的多晶金刚石紧密件。复合片360具有烧结在基体362上的金刚石骨板361。基体362具有表面修饰363，在上面形成金刚石361。表面修饰363附近的基体沿力作用线F1和F2夹持住金刚石，这样在化学键结合的多晶金刚石紧密件上增加了机械夹持的优点，从而得到强度非常高的部件。
图3F表示基体378的基体表面凸圆形凸起或乳头。图中所示的乳头或凸起是圆形的或弓形的。图3G表示基体375的基体表面突出脊377和槽376。图3H表示基体374具有突出脊273及脊之间的圆形或弓形槽273。这些基体表面结构可以通过在球形表面上机加工截面是圆形的槽获得。脊377是机加工后槽之间留下的基体材料。
图3I表示凸球形基体320。没有特殊基体表面形貌特征时，基体320的形状是简单的球形，如图中所示的圆323。基体320包括在其外表面上的圆形或弓形波浪状结构，从而形成突出脊322和凹槽321。
图3J表示凸球形基体324。基体324包括突出的矩形结构325，在基体324表面形成奶蛋饼状的图案。在突出结构325之间是缝隙、槽、沟或通道326。
图3K表示基体327。这种基体可以是简单的凸球形，如图中虚线圆328所示，但机加工后形成现在的结构。基体327在其表面上是多边形329，形成特殊的形貌特征，作为与金刚石骨板间的界面。
图3L表示基本球形的基体330，它的表面上有多个凹坑331。基体球330的表面334除去凹坑331外是球形。凹坑有圆形的上边缘335、圆形的底332和所需深度的侧壁333。根据需要，凹坑边缘335的最大直径等于或大于同一凹坑底332的直径。如果两个直径相同，则凹坑是圆柱形。如果边缘335的直径大于底333，则凹坑是截头圆锥形。结合在如图3L所示的基体上的金刚石骨板，其厚度应完全覆盖基体的外表面。在这种情况下，金刚石骨板在凹坑上方区域的厚度比其它区域的厚。如果使用这种金刚石骨板，那么从外表看，基体表面形貌特征无法辨认。另外，金刚石也可仅处于凹坑中，留下凹坑之间的基体暴露着。这种结构将参考图3Q详细讨论。
图3M表示基本为球形的基体336，它的表面上有多个凸起337。基体球336的表面338除去凸起337外是球形的。凸起有圆形的下边缘339、圆形的上边缘340和所需高度的侧壁341。凸起的顶342可以是任意所需的形状，如平的、拱形、部分球形、弓形或其它形状。根据需要，下边缘339和上边缘340的最大直径不同。如果两个直径相同，侧壁341是直的，则凸起是圆柱形。如果边缘339的直径大于边缘340，凸起是截头圆锥形。金刚石骨板固定在图3M的基体上，金刚石骨板完全覆盖基体表面修饰以及它们之间的区域。在这种结构中，从外观看，基体表面修饰无法辨认。另外，金刚石可仅固定于基体表面修饰之间的基体上，形成网络状裸露的金刚石以及不连续区域的裸露基体材料。
图3N表示球形多晶金刚石紧密件342，它包括金刚石骨板343和基体344。基体344包括表面形貌修饰。表面修饰包括基体上的燕尾形凹坑345。多晶金刚石形成在燕尾形凹坑中，使金刚石骨板与基体间产生紧密的机械夹持。这种结构可以通过在基体表面上形成没有燕尾形的凹坑得到。在烧结过程中，就能形成金刚石骨板与基体间的燕尾形夹持，因为金刚石与基体材料间存在热膨胀系数与模量的差别。
图3O表示部分球形多晶金刚石紧密件345，它包括金刚石骨板346和基体347。金刚石骨板346是连续的金刚石承重和接合面。基体347表面具有形貌特征，以起到增强金刚石骨板结合的作用。基体347包括在基体外表面上的半球形或透镜状修饰348。图中的修饰是凹下的部分球形凹坑。在凹坑349中形成多晶金刚石。在烧结过程中，随着多晶金刚石紧密件的冷却，基体趋于径向膨胀。半球形凹坑表面修饰提供压缩力并增强金刚石骨板与基体间的界面，达到金刚石骨板与基体间的高强度结合。这样，在金刚石骨板与基体间产生机械夹持，这既是金刚石与基体间CTE差别的结果，也是基体形貌特征的结果。
图3P表示部分球形多晶金刚石紧密件320。复合片320包括金刚石骨板321和基体322。基体322具有表面形貌特征，包括截面为三角形的脊323和槽324。使用这样的基体形貌特征在金刚石与基体间产生一个过渡界面或过渡区，如同这里的其它描述。具有基体形貌特征的多晶金刚石紧密件中存在的梯度界面I的深度通常大于基体表面是简单表面的多晶金刚石紧密件的界面。因此，具有基体形貌特征的多晶金刚石紧密件中的残余应力场分布在复合片结构中较长的区域内，并且分布的区域包括更多数量的金刚石和基体材料。结果，与不使用基体形貌特征相比，可以得到强度更高和更稳定的多晶金刚石紧密件。
图3Q表示部分球形的多晶金刚石紧密件。复合片包括具有金刚石插孔、凹坑或缺口351的基体348。在烧结过程中，在凹坑351中形成多晶金刚石349，形成包括不连续或节段区金刚石的承重和接合面。在金刚石区349之间，有基体材料350暴露在承重和接合面上。在最终抛光时，与金刚石相比基体材料硬度较低，容易将暴露的基体350磨掉，使承重和接合面的最初接触和关节连接由金刚石349片提供。如果需要，可以将暴露的基体350机加工或抛光，以产生足够的去除量形成通道，使润滑流体流到承重和接合面。
图3R表示球形的球352，它具有基体353和金刚石骨板354。基体353包括插孔355，用于容纳连接机构。金刚石骨板354没有完全覆盖基体353的整个表面。如图所示，金刚石骨板354是半球形结构。基体353在其赤道上有一条环形槽或环356。金刚石骨板354在环形槽356中较厚并占据环形槽356，以在金刚石骨板354的边缘产生更强的结合。
图3S表示杯357，包括基体358和金刚石骨板承重和接合面359。基体358包括口缘360，将金刚石骨板359夹持在杯357中。尽管口缘360的结构可以在烧结多晶金刚石紧密件之前在基体358上制作，但口缘360的结构也可在烧结过程中由基体材料的膨胀形成或增强。口缘减小或消除了金刚石骨板359与基体358的径向界面末端的边缘效应，从而得到更强和更耐用的部件。
图3T表示基本为球形的基体362，其表面上具有多个截头金字塔形或多边形凸起363。基体球362的表面364除去凸起363外基本是球形。凸起有方形或矩形的下周边365、方形或矩形的上周边366和所需高度的侧壁367。凸起顶部366可以是不同的，从而在下和上周边之间形成多个不同的角度。如果两个周边尺寸相同并且侧壁367是直的，则凸起是方形的或矩形的。如果上周边366的尺寸小于下周边，则凸起为截头金字塔形。如果上周边366大于下周边365，则凸起为倒置的截头金字塔形。金刚石骨板固定在图3T的基体上，使金刚石骨板完全覆盖基体表面修饰及它们之间的区域。在这种结构中，从外观看，基体表面修饰无法辨认。另外，金刚石可以仅覆盖基体上基体表面修饰间的区域，形成网络结构的暴露金刚石以及不连续区域的暴露基体材料。
图3U表示基本球形基体368，其表面上具有多个凹坑369。基体球368的表面370除去凹坑369外是球形的。凹坑有方形或矩形的上周边37、方形或矩形的底372和所需高度的侧壁373。根据需要，凹坑的最大上周边371的尺寸与同一凹坑底周边372的尺寸相同。如果周边是相同的，则凹坑是方形的或矩形的。如果上周边371的尺寸大于底周边352，则凹坑为倒置的截头金字塔形。金刚石结合在如图3U所示的基体上，其厚度完全覆盖基体的外表面。在这种情况下，金刚石骨板在凹坑上方区域的厚度比其它区域的厚。在这种金刚石骨板中，从外观看，基体表面形貌特征无法辨认。另外，金刚石可以仅处于凹坑中，留下凹坑之间的基体暴露着。
尽管描述了凸球形基体中的很多基体表面形貌特征，但这些表面形貌特征可以应用到凸球形基体表面，其它非平面基体表面和平面基体表面。也可以使用对图中所示的基体表面形貌变化和修改的基体表面形貌，以及其它增大部件强度或持久性的表面形貌。
c.金刚石原料的选择通常使用的金刚石颗粒在不到1微米到100微米以上的范围内。但在本发明的一些实施例中，使用1纳米的金刚石颗粒。对于光滑的支承表面，优选的使用较小的金刚石颗粒。一般地，金刚石颗粒尺寸在0.5到2.0微米或0.1到10微米的范围内。下面的表中给出了优选的金刚石原料。表3双峰分布金刚石原料的例子
这个配方混入了一些较小和一些较大的金刚石晶体，在烧结过程中，小晶体溶解然后再结晶，形成较大金刚石晶体的点阵结构。碳氮化钛粉可以选择性地用于金刚石原料中，以防止烧结过程中金刚石晶体的过度长大，从而使生产的最终制品具有较小的金刚石晶体。
下面表中给出了另一种金刚石原料的例子。表4三峰分布金刚石原料的例子
可以在任何具有第一尺寸或直径“x”、第二尺寸0.1x和第三尺寸0.01x的金刚石原料中使用上面金刚石原料的三峰分布。这个金刚石晶体的比例使原料的堆积达到理论密度的约89％，使大多数间隙填满并使最终的多晶金刚石紧密件中金刚石骨板达到最致密。
下面表中给出了另一种金刚石原料的例子。表5三峰分布金刚石原料的例子
下面表中给出了另一种金刚石原料的例子。表6三峰分布金刚石原料的例子
下面表中给出了另一种金刚石原料的例子。表7三峰分布金刚石原料的例子
在本发明的一些实施例中，所用的金刚石原料是最大尺寸约100纳米或较小的金刚石粉。在本发明的一些实施例中，尽管在很多应用中存在相当多溶剂触媒金属在烧结过程中从基体中扫越，但优选的在金刚石原料中包括有益于烧结过程的溶剂触媒金属，d.溶剂金属的选择上面已经提到过，在烧结过程中，溶剂金属将从基体中扫越到金刚石原料，溶解一些金刚石原料，随后产生再结晶，形成具有多晶金刚石特征的金刚石-金刚石键结合的点阵网络。但是，优选的是，仅仅当需要补充从基体扫越的溶剂触媒金属时，在金刚石原料中包括一些溶剂触媒金属。
传统上，使用钴、镍和铁作为溶剂金属应用在多晶金刚石制造。但是在人工关节中，溶剂金属必须是生物相容的。本发明者优选使用的溶剂金属如CoCrMo或CoCrW。铂或其它材料也可作为粘结相。
重要的不仅是在金刚石原料中加入溶剂金属，而且包括溶剂金属的合适比例和与金刚石原料的混合均匀。本发明者优选使用约86％(重量百分数)的金刚石原料和15％的溶剂金属，但可以使用的金刚石原料与溶剂金属的比例包括5∶95、10∶90、20∶80、30∶70、40∶60、50∶50、60∶40、65∶35、75∶25、80∶20、90∶10、95∶5、97∶3、98∶2、99∶1、99.5∶0.5、99.7∶0.3、99.8∶0.2、99.9∶0.1及其它。
为了将金刚石原料与溶剂触媒金属混合，首先将一定数量的待混合的金刚石和溶剂金属放在一个混合桶中，例如混合桶是由所需的溶剂触媒金属制作的。接着在合适的速度(如200rpm)下用甲醇和研磨球将金刚石和溶剂金属混合合适的时间，例如30分钟。研磨球、混合夹具和混合桶优选的是由溶剂触媒金属制作的。接着倒出甲醇，将金刚石原料与研磨球分开。接着通过在氢气炉中在约1000℃下加热约1小时，将原料干燥并清洁。接着原料准备好用于装料和烧结。另外，原料也可以在保持其清洁的条件下储存。用于加热的合适的氢气炉包括氢气等离子炉和真空炉。
e.装入金刚石原料金刚石原料的装料技术对于成功制作最终产品非常关键。如上所述，为了生产出不变形的部件，金刚石原料必须以均匀的密度装入。
参考图7，表示完成优选的装料技术的装置。装置包括具有纵轴702的旋转棒701，旋转棒能绕其纵轴旋转。旋转棒701的末端703与所制造的部件的尺寸和形状相符。例如，如果所制造的部件是股骨头或关节杯，旋转棒末端703是半球形。
加压环704具有孔705，旋转棒701能穿过孔705。模具706或罐中有空腔707，也与所制作的部件的尺寸和形状相配。
为了装入金刚石原料，旋转棒放入钻孔机卡盘中，并与模具的中心点对齐。旋转棒在模具空腔内的停止深度用一套螺杆控制并用一个刻度盘指示器监测。
模具中装入已知数量的金刚石原料。接着旋转棒绕其纵轴旋转，并下降到模具空腔内达到预定的深度。在此工作中，旋转棒接触金刚石原料并将其重新排列。接着停止旋转棒并固定在此位置处。
接着加压环在旋转棒的外侧下降，达到与模具空腔内的金刚石原料接触的位置。与金刚石原料接触的加压环是环形的。加压环上下捣打压紧金刚石。这种类型的压制用于将整个空腔内的金刚石原料分布成相同的密度，并可以分阶段进行以防止桥接现象。使用加压环压紧金刚石使样品赤道周围的金刚石密度非常均匀并且与空腔极点区的密度相同。在这种结构中，金刚石烧结成真正的球形，并使部件的球形度保持在很小的公差内。
另一种可以使金刚石原料密度均匀的方法是使用粘结剂。在金刚石原料中加入适当数量的粘结剂，接着在罐中压制。可以使用的粘结剂包括聚乙烯基醇缩丁醛、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇缩甲醛、聚氯乙烯-乙酸乙烯酯、聚乙烯、乙基纤维素、松香酸甲酯、石蜡、聚碳酸丙烯和聚甲基丙烯酸乙酯。
在本发明的优选实施例中，粘结金刚石原料的过程包括四个步骤。第一步，制备粘结剂溶液。粘结剂溶液的制备是将约5％到25％的增塑剂加入到聚合物(碳酸丙烯酯)中并将此混合物溶解在溶剂如2-丁酮中，得到重量约为20％的溶液。
可用的增塑剂一般包括非水溶液粘结剂、乙二醇、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸丁苄酯、邻苯二甲酸烷基苄基酯、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二异癸酯、邻苯二甲酸二异壬酯、邻苯二甲酸二甲酯、二丙二醇二苯甲酸酯、混合二醇二苯甲酸酯、2-乙基己基二苯基二苯甲酸酯、混合二醇二苯甲酸酯、2-乙基己基二苯基磷酸酯、异癸基二苯基磷酸酯、isodecyldiphenl phosphate、三甲苯基磷酸酯、三丁氧基乙基磷酸酯、己二酸二己酯、偏苯三酸三异辛酯、邻苯二甲酸二辛酯、环氧化亚麻子油、环氧化豆油、柠檬酸乙酰基三乙基酯、丙烯碳酸酯、各种邻苯二甲酸酯、硬脂酸丁酯、甘油、聚烷基二醇衍生物、草酸二乙酯、石蜡和三甘醇。也可以使用其它合适的增塑剂。
可用的溶剂包括2-丁酮、二氯甲烷、氯仿、1，2-二氯乙烷、三氯乙烯、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸乙烯酯、丙烯碳酸酯、乙酸正丙酯、乙腈、二甲基甲酰胺、丙腈、n-methyl-2-pyrrolidene、冰醋酸、二甲基亚砜、丙酮、甲乙酮、环己酮、oxysolve 80a、caprotactone、丁内酯、四氢呋喃、1，4-二氧六环、环氧丙烷、乙酸酯溶纤剂(cellosolve acetate)、2-甲氧基乙基醚、苯、苯乙烯、二甲苯、乙醇、甲醇、甲苯、环己烷、氯代烃类、酯类、酮类、醚类、乙苯和各种烃类。也可以使用其它合适的溶剂。
第二步，将金刚石与粘结剂溶液混合。金刚石加入到粘结剂溶液中达到约2-25％粘结剂溶液(计算百分数时不考虑2-丁酮)。
第三步，将金刚石与粘结剂溶液的混合物干燥。这一步的完成是通过将金刚石与粘结剂溶液的混合物放入真空炉中在50℃约24小时，去除所有的溶剂2-丁酮。第四步，将金刚石和溶剂压制成形。当金刚石和粘结剂从炉中取出时，它呈团块状，将其破碎后再用压机压制成所需的形状。将所需形状的压制芯杆与粘结的金刚石接触，使其形成所需形状。当金刚石和粘结剂压制后取出芯杆。压制后金刚石和粘结剂的优选的最终密度至少为每立方厘米2.6克。
如果使用挥发性粘结剂，在烧结之前它就从成形的金刚石中挥发掉了。将成形的金刚石放入炉中，粘结剂在足够的时间内或者气化或者热分解，因此没有粘结剂的残留。金刚石或基体的外界污染造成多晶金刚石紧密件的质量降低，因此必须重视保证在加热循环中去除污染和粘结剂。时间和温度对于粘结剂的有效热分解是关键的。对于上述例子的粘结剂，优选的脱除粘结剂的脱脂过程如下。阅读下面描述的同时参看图7是有帮助的。
首先，将成形的金刚石和粘结剂从室温加热到500℃。优选的升温速度为每分钟2℃，直到500℃。第二，粘结和成形的金刚石在500℃保温2小时。第三，再次升高金刚石的温度。优选的，温度从500℃开始以每分钟4℃的速度升高到950℃。第四，金刚石在950℃保温6小时。第五，以每分钟2℃的速度将金刚石的温度降低到室温。
在本发明的一些实施例中，需要使用合适的工艺将粘结的金刚石原料成形，例如注射成形。金刚石原料中包括一种或多种尺寸的金刚石晶体、溶剂触媒金属和其它控制金刚石再结晶和溶剂触媒金属分布的成分。当所需的最终部件形状是平的、凸圆顶形或圆锥形时，金刚石原料的处理并不难。但是，当所需的最终部件形状具有复杂的轮廓时，例如这里附图所示的，使用粉末金刚石原料使多晶金刚石紧密件达到均匀厚度和精确轮廓比较困难。在这些情况下，需要在烧结前处理金刚石原料。
如果需要在装入罐中进行烧结之前处理金刚石原料，而不将粉末金刚石原料装入罐中，所述的步骤及其变化如下所述。首先，如上所述，将合适的粘结剂加入到金刚石原料中。可以选择将粉末状溶剂触媒金属和其它成分也加入到原料中。通常所选的粘结剂是具有某些特性的聚合物，例如熔点、在不同溶剂的溶解度和CTE。粘结剂可以包括一种或多种聚合物。根据需要，粘结剂还可包括合成橡胶和/或溶剂，以得到所需的粘结性、流体流动性和注射成形的特性。加入原料中的粘结剂所占的体积优选的等于或略大于轻压粉末中空隙的测量体积。由于粘结剂通常包括较高CTE的有机聚合物材料，需要计算注射成形温度下粘结剂占据的体积。粘结剂和原料应充分混合，以保证成分的均匀性。当加热时，粘结剂和原料在高压注射成形过程中应具有足够的流动特性。接着将加热的原料和粘结剂混合物在压力作用下注射到所需形状的模具中。接着在模具中冷却注射成形的部件直到设定的温度，然后打开模具取出部件。根据所需的最终多晶金刚石紧密件的形状，一种或多种注射成形的金刚石原料部件可以放在一个罐中进行多晶金刚石紧密件的烧结。并且，使用这种方法可以在进行烧结过程之前将金刚石原料注射成形为所需的形状并储存一段较长时间，从而简化制造工艺并达到高生产效率。
根据需要，从注射成形金刚石原料成形件中脱除粘结剂。有多种方法可以达到这一目的。例如，通过简单的真空或氢气炉处理，从金刚石原料成形件中脱除粘结剂。以这种方法，在真空或很低压力的氢气(还原)气氛中将成形件升高到所需温度。接着，粘结剂将随温度的升高而挥发并从成形件中脱除。然后从炉中取出成形件。当使用氢气时，有助于保持金刚石原料成形件中金刚石晶体的非常清洁和化学活化的表面。
另一种从成形件中脱除粘结剂的方法包括使用两种不同分子量的聚合物(例如聚丙烯)。最初的注射成形完成后，将金刚石原料成形件放入溶剂池中脱除低分子量的聚合物，留下高分子量的聚合物保持金刚石原料成形件的形状。接着将金刚石原料成形件放入炉中进行真空或很低压力的氢气气氛处理脱除高分子量聚合物。
从金刚石原料成形件中脱除部分或全部粘结剂是在将成形件放入压制组件中进行多晶金刚石紧密件烧结之前完成。可供选择的是，将包括金刚石原料成形件的压制组件放入炉中进行真空或很低压力的氢气气氛处理并脱除粘结剂。
为了在金刚石骨板中得到不同类型的梯度，可以选择并装入金刚石原料。这包括界面梯度金刚石骨板、递增梯度金刚石骨板和连续梯度金刚石骨板。
如果在基体上装入单一类型或混合的金刚石原料，如其它地方的描述，溶剂触媒金属扫越到金刚石中将在金刚石骨板的梯度过渡区形成界面梯度。
递增梯度金刚石骨板的形成是通过在烧结之前将不同特性(金刚石粒度、金刚石粒度分布、金属含量等等)的金刚石原料装入不同层中。例如，选择基体，并将含有60％(重量百分数)溶剂触媒金属的第一金刚石原料装在基体上的第一层中。接着，将含有40％(重量百分数)溶剂触媒金属的第二金刚石原料装在第一层上面的第二层中。可以选择使用额外的金刚石原料层。例如，将含有20％(重量百分数)溶剂触媒金属的第三金刚石原料装在第二层上面。
连续梯度金刚石骨板的形成是通过装入金刚石原料时使一个或多个金刚石原料特性从金刚石骨板厚度的一侧到另一侧连续变化。例如，金刚石粒度从靠近基体的较大值(为了在金刚石中形成较大空隙用于溶剂触媒金属的进入)变化到金刚石支承表面的较小值，从而得到的部件与基体有强的结合，但也具有摩擦非常低的支承表面。
不同层的金刚石原料可以是相同或不同的金刚石粒度和粒度分布。不同层的金刚石原料中包含的溶剂触媒金属的重量百分数从0到大于80％。在一些实施例中，所装入的金刚石原料中没有溶剂触媒金属，依靠溶剂触媒金属从基体的扫越达到烧结。使用多个金刚石原料层，金刚石原料层中具有不同的金刚石粒度和粒度分布，或不同重量百分数的溶剂触媒金属，或者二者都有，使制造的金刚石骨板在与基体的界面处和在支承表面和接合面处具有不同的物理特性。这使所制造的金刚石复合片的金刚石骨板与基体的结合非常牢固，在承重和接合面有非常好的特性，达到低摩擦的关节连接、高的耐冲击性和持久性。
f.减少金刚石原料中的自由体积如上所述，需要在烧结过程之前去除金刚石原料中的自由体积。本发明者发现，当生产凸或凹球形部件时这是一个有用的过程。但是，如果使用具有足够压头行程的压机进行高压和高温烧结，就不需要这一过程。优选的，减少金刚石原料中的自由体积，使金刚石原料达到至少95％的理论密度，更优选的接近97％的理论密度。
参考图8和8A，表示用于预压制金刚石去除自由体积的组件。在图中，金刚石原料用于制作一个凸球形多晶金刚石部件。这个组件适合于预压制用于制作其它复杂形状多晶金刚石紧密件的金刚石原料。
图中所示的组件包括压力传递介质立方体801。立方体由叶蜡石或其它适合于传递压力的材料制成，如合成压力介质，并且承受的压力来自六面顶压机的顶锤，从立方体六个面同时加压。如果这个步骤中使用两面顶压机，则使用圆柱形压力传递介质，而不是立方体。
立方体801有一个贯通的圆柱形空腔802或通道。空腔802的中心容纳球形难熔金属罐810，其中装有预压制的金刚石原料806。金刚石原料806与基体在一起。
罐810由两个等分的半球形罐810a和810b组成，其中一个与另一个重叠形成轻微的口缘812。优选的适合于罐的难熔金属如镍、钽、钼等等。罐是两个半球，其中一个略大，可以使另一个插入其中，从而完全封住金刚石原料。在较大的罐上有口缘，使较小的罐能很好地与之配合。罐的接缝用合适的密封剂密封，例如干的六方氮化硼或人造耐压介质。密封剂形成一个阻挡，防止传压介质渗透到罐中。罐的密封也可以用等离子、激光或电子束工艺焊接。
一对形状合适的圆顶804和807围绕着含有金刚石原料806的罐810。在图示的例子中，每个圆顶分别有半球形空腔805和808，用于容纳含有球形金刚石原料806的罐810。圆顶和罐及金刚石原料组装在一起，圆顶包住金刚石原料。一对圆柱形的盘803和809分别装在圆顶804和807的外侧。所有上述的部件都装在传压介质801的孔802中。
整个加热立方体组件放在压机中在合适的压力(例如40-68千巴)以及合适的虽然是短暂的时间下压制，从而预压制金刚石，准备用于烧结。这个步骤中不需要热量。
g.准备加热器组件为了将上述组装和装入的金刚石原料烧结成多晶金刚石，同时需要压力和温度。当部件在压机中经受加压过程时进行电加热。先前工艺的加热器组件用于提供所需的热量。
将含有装入和预压制金刚石原料的难熔金属罐放入加热器组件中。使用盐顶封闭罐，所用的盐顶优选的是白盐(NaCl)，预压制到至少90-95％理论密度。为了烧结系统的高压力和维持所制作部件的形状稳定性，盐的这个密度是需要的。将盐顶和罐放入石墨加热管组件中。优选地，将盐和加热器组件的石墨元件在真空炉中烘烤，温度大于100℃，真空度至少23乇，时间约1小时，以去除在装入加热器组件之前吸收的水分。其它能用于加热器组件结构中的材料包括实体或薄片的石墨、无定形碳、热解碳、难熔金属和高电阻金属。
一旦给加热管通电，它将在高压/高温压制操作过程中产生形成多晶金刚石需要的热量。
h.准备压力组件用于烧结一旦加热器组件准备完，就将其放入压力组件中，在压机中在高压和高温条件下烧结。六面顶压机或两面顶压机可用于此，但根据所用压机的类型，压力组件有些不同。压力组件用于从压机上接受压力并将压力传递到金刚石原料，使金刚石的烧结在等静压条件下进行。
如果使用六面顶压机，则合适压力传递介质的立方块例如叶蜡石将容纳加热器组件。如果使用两面顶压机进行烧结，则使用杯形加压介质。盐可以作为压力传递介质用在立方块和加热器组件之间。热电偶放在立方块上，在烧结过程中检测温度。内部具有加热器组件的立方块称为压力组件，放在压机中进行烧结。
i.将原料烧结成多晶金刚石将上述包含难熔金属罐的压力组件放入合适的压机中，难熔金属罐中装有预压制的金刚石原料。本发明此时优选的压机类型为六面顶压机(即压机具有六个顶锤面)，将高压力沿3个轴从六个不同方向传递到压力组件。另外，使用两面顶压机和圆柱形容器也能得到相似的结果。参考图8B，表示了六面顶压机820的六个顶锤，顶锤821、822、823、824、825和826包围着压力组件830。
为了准备烧结，将整个压力组件装入六面顶压机，初始压力为40-68千巴。所用的压力是根据所制造的产品并且必须根据经验确定。接着，给压力组件通电，使压力组件的温度优选的达到从不到1145℃或1200℃到1500℃以上之间的范围。优选地，在两个相对的顶锤面之间需要5800瓦特的电源，以产生所需的电流流过加热器组件，使其产生所需的热量。一旦达到所需的温度，压力组件就在顶锤面上受到约每平方英寸1百万磅的压力。压力组件的构件将压力传递到金刚石原料。这些条件优选的保持约3-12分钟，但可以从不到1分钟到30分钟以上。多晶金刚石紧密件的烧结在等静压的条件下进行，此时仅允许压力传递部件产生体积变化，而不能有其它变形。一旦烧结循环结束，则进行90秒的冷却期，接着去除压力，取出多晶金刚石紧密件进行最终加工。
从压力组件中取出具有弯曲、复合或复杂形状的烧结多晶金刚石是简单的，因为本发明优选实施例中金刚石和其周围的材料之间存在材料性质的差异。一般地，这在本发明中称为模具释放系统。
一个或多个下面的过程用于模具释放系统中在多晶金刚石紧密件部件和模具之间放一层中间层材料，防止多晶金刚石紧密件与模具表面的粘结。
使用在合成条件下不与多晶金刚石紧密件粘结的模具材料。
使用的模具材料，在多晶金刚石紧密件合成循环的最后阶段或结束，如果是纯凹形的多晶金刚石紧密件则收缩后从多晶金刚石紧密件中掉出；或者如果是纯凸形的多晶金刚石紧密件则膨胀后从多晶金刚石紧密件中掉出。
成形的模具也同时作为多晶金刚石紧密件合成过程中用到的扫越金属的来源。
作为一例子，下面讨论在制造多晶金刚石紧密件时模具释放系统的使用，其中通过使用与所需形状相反的形状制作半球形杯。模具表面从最终纯凹形状收缩出来，模具表面作为溶剂触媒金属的来源用于多晶金刚石紧密件合成过程，并且模具表面与多晶金刚石紧密件间的粘结性很差。
当形成凹半球形杯时，如球和窝关节中接合面所用的，使用了两种不同方法。在第一种方法中，由钴铬合金(ASTM F-799)形成的模具用作基体，其周围放置一层多晶金刚石紧密件原料，这些都装在外罐中。一个单独的环，由像云母或压制的六方氮化硼(HBN)之类的材料构成，位于模具球的半球处，使两个凹半球形多晶金刚石紧密件部件在合成过程结束时分离。在多晶金刚石紧密件合成过程中，由于过程固有的温度升高，钴铬合金球尺寸膨胀。这也能为多晶金刚石紧密件合成过程提供溶剂触媒扫越金属。
当在模具球周围形成多晶金刚石紧密件壳后，随着冷却和压力降低模具球收缩，模具球与两个半球形多晶金刚石紧密件杯分离。CoCr球的收缩力超过金刚石与CoCr的粘结力，得到相当彻底的分离并且与分离的球形CoCr球接触的多晶金刚石杯表面光滑。
作为另一种选择，可以在多晶金刚石紧密件与模具表面之间使用一层中间层材料。中间层材料应当能从最终的纯凹形多晶金刚石紧密件中收缩出来，使模具与多晶金刚石紧密件分离。
第二种在制作半球形杯时使用的模具释放方法与第一种方法类似。但是，在第二种方法中，模具是钴粘结的碳化钨球，表面涂覆一薄层六方氮化硼。在多晶金刚石紧密件合成过程中，由于过程固有的温度升高，碳化钨球尺寸膨胀。当在模具球周围形成多晶金刚石紧密件壳后，随着冷却模具球收缩，模具球与两个半球表多晶金刚石紧密件杯分离。六方氮化硼防止多晶金刚石紧密件和碳化钨球之间的粘结，使二者达到彻底分离。
j.从PCD中去除溶剂触媒金属如果需要，可以去除保留在烧结多晶金刚石间隙中的溶剂触媒金属。这种去除的完成是通过化学浸出的方法，这是本领域公知的。当溶剂触媒金属从金刚石骨板中的间隙去除后，金刚石骨板在高温下具有更高的稳定性。这是因为没有触媒与金刚石反应并使之破坏。如果溶剂触媒材料不是生物相容的，也需要去除金刚石间隙中的溶剂触媒金属。
溶剂触媒金属从金刚石骨板中浸出后，为了得到比浸出后多晶金刚石强度更高的热稳定的金刚石，需要用另一种金属或合金替代。如果将人造金刚石或多晶金刚石紧密件焊接到基体或其它表面，例如通过惰性焊接，就需要使用热稳定的金刚石，因为它能抵抗焊接过程产生的热量。
3.加工方法和设备一旦多晶金刚石紧密件烧结完，优选的使用机加工工艺制备最终产品。下面所要解释的优选的加工步骤以加工多晶金刚石紧密件为例描述，但它们也可以用于加工任何其它的支承表面或任何其它类型的部件。
在本发明之前，人造金刚石工业面临的问题是金刚石复合片的平表面和薄刃边。从球形表面去除大量金刚石或者将这些表面加工到高精度的球形度、尺寸和表面光洁度的方法尚未在先前工艺中开发出来。
a.抛光超硬圆柱形和平面形状为了更好理解最优选的曲面和球形超硬表面的抛光技术，下面先描述其它的抛光技术。
1)研磨在铸铁或铜旋转盘上使用金刚石粉湿浆去除较大平面上的物质(例如直径高达70mm)。尺寸约从3mm到70mm的端面涂层的圆柱体也可研磨得到平面。尽管平面度和表面光洁度能达到非常小的公差，但研磨一般较慢，不能对深度和层厚度进行尺寸控制。
2)磨削使用金刚石磨轮成形圆柱形的和平的表面。磨轮通常是树脂粘结的，根据需要的材料去除类型(如外圆无心磨或边磨)，具有各种不同形状。多晶金刚石紧密件难以磨削，并且大的多晶金刚石紧密件表面几乎不可能磨削。因此，为了磨削需要保持一个最小尺寸，磨削通常限制在窄的刃边或周边，或者为尺寸定型的端面涂覆PDC的圆柱体或机加工工具开刃。
3)电火花放电磨削(EDG)电火花放电磨削(EDG)能对大直径(如高达70mm)平面的多晶金刚石紧密件进行粗加工。此技术通常包括使用正电极的旋转碳轮在负电极的多晶金刚石紧密件平面上旋转。通过控制变量，如火花频率、电压及其它，EDG机的自动控制使多晶金刚石紧密件的物质得到恰当的电腐蚀。与研磨和磨削相比，在去除较多的金刚石方面，EDG通常是更有效的方法。EDG之后，表面必须精研磨或磨削，去除EDG造成的所谓的热影响区或重熔层。
4)放电线切割(WEDM)WEDM用于从较大的圆柱体或平板上切割出各种形状和尺寸的超硬部件。通常，机加工工具的切削刀片和刀头以及油孔钻头的整形刀具是WEDM在PDC加工中最典型的应用。
5)抛光将超硬表面抛光到非常高的精度可以用包含金刚石的高速抛光机完成。高速和高摩擦温度的综合作用将使这种方法加工的PDC表面抛光，并同时保持高的平面度，从而得到像镜面一样的外观并具有精确的尺寸。
b.加工球形形状加工球形表面(凹球形或凸球形)比加工平表面或圆柱体的圆形端面问题更大。球体所要加工的总表面积是相同直径圆柱体圆形端面总表面积的4倍，因此就需要去除4倍的多晶金刚石紧密件物质。球形表面的性质使传统加工技术例如研磨、磨削和其它不能应用于此，因为它们适于加工平表面和圆柱表面。球的接触点是与球的边缘相切的点接触，因此单位时间内去除的物质数量很少，相应地增大了所需的加工时间。并且，用于加工球形物体的加工设备和工具的设计和类型必须比用于其它形状的更加精确并达到更加严格的公差。球形加工设备也需要对工件的定位和工具的进退有更大的调整限度。
为了加工球形、圆形或弧形的表面，可以执行以下步骤。
1)粗加工优选地使用特殊的放电加工设备首先粗加工出表面的尺寸。参看图9，表示粗加工多晶金刚石紧密件球903。旋转器902绕其纵轴(图中的Z轴)连续旋转。待粗加工的球903固定在旋转器902的轴上。电极901的接触端901A的形状与待粗加工的部件相符合。在这种情况下，接触端901A是部分球形。电极901绕其纵轴(图中的Y轴)连续旋转。电极901的纵轴Y相对于旋转器902的纵轴Z的夹角是所需的角度β，根据需要，调节这个角度可使电极901去除球903的整个球表面的物质。
这样，电极901和球903绕不同轴旋转，调节轴能达到待加工部件的接近完美的球形运动。因此，这种工艺能得到接近完美的球形部件。这种方法得到的多晶金刚石紧密件的球形表面具有高的球形度和非常严格的公差。
通过控制腐蚀过程电流的大小，可以使热影响区的深度和数量达到最小程度。对于多晶金刚石紧密件，热影响区能保持在3到5微米的深度，很容易使用金刚石磨轮和抛光轮通过磨削和抛光去除。
参看图10，表示粗加工一个凸球形多晶金刚石紧密件1003，如关节杯。旋转器1002绕其纵轴(图中的Z轴)连续旋转，待粗加工的部件1003固定在旋转器1002的轴上。电级1001的接触端1001A的形状与待粗加工的部件相符合。电极1001绕其纵轴(图中的Y轴)连续旋转。电极1001的纵轴Y相对于旋转器1002的纵轴Z的夹角是所需的角度β，根据需要，调节这个角度可使电极1001去除杯1003的整个球表面的物质。
在本发明的一些实施例中，为了加工一个部件，也连续使用多个放电加工电极。在一条装配线上，可以使用一组放电加工机完成此加工任务。
2)精磨削和抛光一旦按照上述方法或其它方法将球形表面(凹的或凸的)粗加工后，就进行部件的精磨削和抛光。磨削用于去除多晶金刚石紧密件中放电加工留下的热影响区物质。使用与图9和图10相同的旋转形状能保持部件的球形度，同时提高其表面的精加工特征。
参看图11，可以看出旋转器1101使用轴夹持住待加工的部件1103，在这种情况下是凸的球。旋转器1101绕其纵轴(图中的Z轴)连续旋转，磨削和抛光轮1102绕其纵轴(图中的X轴)连续旋转。运动的部件1103与运动的磨削或抛光轮1102接触。旋转器1101相对于磨削或抛光轮1102的取向角度β可以调节并来回摆动，影响部件(球或窝)在其整个表面上的磨削或抛光并保持球形度。
参看图12，可以看出旋转器1201使用轴夹持住待加工的部件1203，在这种情况下是凸球形杯。旋转器1201绕其纵轴(图中的Z轴)连续旋转，磨削和抛光轮1202绕其纵轴(图中的X轴)连续旋转。运动的部件1203与运动的磨削或抛光轮1202接触。旋转器1201相对于磨削或抛光轮1202的取向角度β可以调节并且如果需要可来回摆动，影响部件在其表面的球表部分上的磨削或抛光。
在本发明优选的实施例中，磨削使用的颗粒尺寸，按照标准ANSIB74.16-1971，其范围从100到150，抛光使用的颗粒尺寸范围从240到1500，但是颗粒尺寸可以根据使用者的要求进行选择。使用者可以根据颗粒尺寸和被磨削的材料调节磨削轮的速度，以达到令人满意的物质去除速度。少量的实验能用于确定磨削轮的速度。
根据本发明的需要，可以使用金刚石空心钻抛光金刚石或超硬的支承表面。金刚石空心钻包括金刚石金属基体的空心管，其中也有陶瓷和树脂(聚合物)。
如果抛光的是金刚石表面，优选地，抛光轮的速度是可以调节的，以使金刚石表面的温度升高或热量积累。这种热量积累将导致金刚石晶体的抛光，得到非常光滑和镜面一样的低摩擦表面。在金刚石的抛光过程中，与通过金刚石颗粒相互磨擦的高温抛光作用去除亚微尺寸的表面粗糙相比，实际物质的去除显得并不重要。一般需要最小每分钟6000英尺的表面速度以及很大的压力才能达到抛光作用。每分钟4000到10000英尺的表面速度是最佳的范围。根据施加在被抛光的金刚石上的压力，抛光可以在每分钟500直线英尺到每分钟20000直线英尺的范围内进行。
为了升高被抛光部件的温度，从而达到最需要的镜面一样的抛光，必须在工件上施加压力，但是温度不能超过导致将金刚石抛光轮基体粘结在一起的树脂的完全分解温度，否则树脂将沉积在金刚石上。过量的热量也会产生不需要的金刚石表面的损坏。
保持被抛光金刚石表面上冷却剂的稳定流速，保持合适的轮速如每分钟6000英尺，对金刚石施加足够的压力使热量积累但不造成轮的分解或金刚石的破坏，抛光合适的时间，这些都是重要的，都必须根据所用的具体设备和所抛光的具体部件确定和调节。一般地，被抛光的金刚石表面的温度不允许升高到800℃以上，否则将产生金刚石的分解。所需的金刚石表面的最终加工，即抛光，一般出现在650到750℃。
在抛光过程中，重要的是表面精加工达到最低可能达到的摩擦系数，从而产生低的摩擦力，并使接合面使用时间长。优选地，一旦在人工关节中形成金刚石或其它超硬表面，接着将表面抛光到Ra值0.3～0.005μm。可以接受的抛光包括Ra值在0.5～0.005μm范围内或更低。关节的部件在装配之前单独抛光，组装后成为一个单元。其它抛光多晶金刚石紧密件和其它超硬材料的方法也可用于抛光本发明关节的关节连接表面，其目标是达到光滑的表面，优选的Ra值为0.01～0.005μm。
为了选择两个匹配的半人工关节用于出售和植入病人体内，优选的在98.6华氏度(正常人体温度)精确测量相互配对的支承表面，以配对合适尺寸的半个关节。
根据本发明上述原理制造的结构将提供更强的和耐用的低摩擦支承表面，应用于多种用途包括人工关节。
虽然结合很多具体实施例对本发明进行了描述和说明，但本领域的熟知人员应该意识到，在不偏离如上所述和如权利要求所限定的本发明原理的条件下能对本发明做出变化和修改。在不偏离本发明的精神或本质特征的条件下，本发明可以以其它具体形式实施。从所有方面考虑，上述的实施例仅作为例证，并不具有限制性。因此，本发明的范围由所附的权利要求指出，而不是上述的描述。所有在与权利要求等价的意思和范围内的变化都在权利要求限定的范围内。
权利要求
1.一种人工关节部件，包括包括溶剂触媒金属的基体；烧结在所述基体上的金刚石层；在所述基体和所述金刚石层之间的区域，穿过所述的区域具有溶剂触媒金属含量减少的成分梯度；在所述区域中的化学键，所述化学键包括在所述金刚石骨板中的金刚石-金刚石键、在所述梯度过渡区域内的金刚石-金属键以及在所述溶剂触媒金属中的金属-金属键；所述金刚石层与所述基体之间的机械夹持，用于将所述金刚石层固定在所述基体上；在所述金刚石层中的间隙；存在于所述间隙中的溶剂触媒金属；和由所述金刚石层形成的非平面的承重和接合面。
2.如权利要求1所述的部件，其中在所述金刚石层中的烧结金刚石具有热膨胀系数CTECd，所述基体具有热膨胀系数CTEsub，CTECd不等于CTEsub。
3.如权利要求1所述的部件，其中在所述金刚石层中的烧结金刚石具有模量MCd，所述基体具有模量Msub，MCd不等于Msub。
4.如权利要求1所述的部件，还包括残余应力场，用于增强所述金刚石层固定到所述基体上的强度。
5.如权利要求1所述的部件，还包括在所述基体上的基体表面形貌特征。
6.如权利要求1所述的部件，其中所述基体包括金属合金，其中所述金属合金的至少一种成分选自由钛、铝、钒、钼、铪、镍钛合金、钴、铬、钼、钨、碳化钨硬质合金、碳化铬硬质合金、熔融碳化硅、镍、钽和不锈钢所组成的组中。
7.如权利要求1所述的部件，其中金刚石层包括金刚石原料，该原料的金刚石颗粒尺寸在小于约1纳米到大于约100微米的范围内。
8.如权利要求1所述的部件，其中所述金刚石承重和接合面是连续的金刚石表面。
9.如权利要求1所述的部件，其中所述金刚石承重和接合面是不连续的金刚石表面。
10.如权利要求1所述的部件，其中所述金刚石承重和接合面是节段式的金刚石表面。
11.如权利要求1所述的部件，其中在所述基体上存在口缘，以便将所述金刚石层锁定在所述基体上。
12.如权利要求1所述的部件，还包括在所述金刚石骨板间隙中的CoCr溶剂触媒金属。
13.如权利要求1所述的部件，还包括在所述金刚石层中的连续梯度。
14.如权利要求1所述的部件，还包括在所述金刚石层中的递增梯度。
15.如权利要求14所述的部件，其中所述递增梯度包括在所述金刚石层中的多个片，所述多个片中的第一片具有不同于第二片的特性。
16.如权利要求15所述的部件，其中所述片的所述不同特性选自由金刚石的粒度、金刚石的粒度分布和溶剂触媒金属的含量所组成的组中。
17.如权利要求1所述的部件，还包括界面梯度。
18.如权利要求1所述的部件，其中所述金刚石层具有从小于约1微米到大于约3000微米的厚度。
19.一种人工关节的部件，包括基体；烧结在所述基体上的金刚石层；位于所述金刚石层中的间隙；位于所述间隙中的溶剂触媒金属；同时包括烧结金刚石和基体的区域，所述区域具有从溶剂触媒金属含量到金刚石含量的成分梯度，所述梯度选自由界面梯度、连续梯度和递增梯度所组成的组中；在所述部件中的化学键，所述化学键包括所述金刚石层中的金刚石-金刚石键、在所述区域内的金刚石-金属键以及在所述溶剂触媒金属中的金属-金属键；所述金刚石层与所述基体之间的机械夹持，用于将所述金刚石层固定在所述基体上；和由所述金刚石层形成的非平面的承重和接合面。
20.如权利要求19所述的部件，还包括基体材料的口缘，用于将所述金刚石层夹持在邻近所述基体的位置上。
21.如权利要求19所述的部件，还包括所述金刚石骨板与所述基体之间的燕尾接合。
22.如权利要求19所述的部件，还包括所述基体上的口缘，用于将所述基体与所述金刚石骨板锁定在一起。
23.如权利要求19所述的部件，其中至少部分所述键是sp3碳键。
24.如权利要求19所述的部件，其中所述金刚石骨板包括多个片，所述多个片中的第一片具有与第二片的不同的特性。
25.如权利要求24所述的部件，其中所述不同特性选自由金刚石的粒度、金刚石的粒度分布和溶剂触媒金属的含量所组成的组中。
26.如权利要求19所述的部件，其中使用CoCr作为溶剂触媒金属制作所述金刚石骨板。
27.如权利要求19所述的部件，还包括在所述区域中的多个金刚石片。
28.如权利要求19所述的部件，其中所述金刚石骨板具有非平面金刚石承重和接合面。
29.如权利要求19所述的部件，其中所述间隙用金属充满。
30.如权利要求19所述的部件，其中所述间隙用溶剂触媒金属充满。
31.如权利要求19所述的部件，还包括在所述基体中的过渡区域。
32.一种在人工关节中使用的部件，其中的接合面包括承重和接合部分；位于所述承重和接合部分上的超硬材料；和由至少一部分所述超硬材料形成的超硬接合面，所述接合面在关节中形成低摩擦的接合，所述超硬接合面形成至少一部分的所述承重和接合面。
33.如权利要求32所述的部件，其中所述超硬材料选自由金刚石、立方氮化硼和密排六方氮化硼所组成的组中。
34.如权利要求32所述的部件，其中所述超硬材料的努氏硬度至少为约4000。
35.一种人工关节部件，包括关节构件；关节构件的承重和接合面；基本为纯质的多晶金刚石部件，所述纯质的多晶金刚石部件形成至少一部分的所述承重和接合面；位于所述多晶金刚石部件中的金刚石晶体；在所述多晶金刚石部件中的金刚石晶体之间的化学键；和在所述多晶金刚石部件中的晶态金刚石结构；其中所述承重和接合面的所述多晶金刚石部分具有用于人工关节中的接合部的光滑和耐用的表面。
36.如权利要求35所述的关节部件，还包括在所述基本为纯质的多晶金刚石部件中的间隙。
37.如权利要求36所述的关节部件，还包括在至少一部分所述间隙中的溶剂触媒金属。
38.如权利要求36所述的关节部件，其中从所述间隙中去除任何的溶剂触媒金属并用其它材料代替。
39.如权利要求37所述的关节部件，还包括在所述基本为纯质的多晶金刚石部件中的梯度过渡区域，所述梯度过渡区域中金刚石含量与溶剂触媒金属含量之比从梯度过渡区域的一个位置到另一个位置是过渡的。
40.如权利要求35所述的关节部件，其中将所述承重和接合面的所述基本为纯质的多晶金刚石部件部分抛光到Ra值在约0.5到约0.005微米之间。
41.如权利要求35所述的关节部件，其中所述承重和接合面的所述基本为纯质的多晶金刚石部件部分是被磨光的。
42.如权利要求35所述的关节部件，其中所述基本为纯质的多晶金刚石部件包括至少两种不同尺寸的金刚石晶体。
43.如权利要求35所述的关节部件，还包括用于将所述关节构件固定到骨骼上的骨固定部分。
44.如权利要求43所述的关节部件，还包括在所述骨固定部分上的骨配合表面。
45.如权利要求44所述的关节部件，其中所述骨配合表面包括选自由金属网、多孔金属、多孔金刚石、烧结金属小珠和等离子喷涂金属所组成的组中的结构。
46.如权利要求44所述的关节部件，还包括在所述骨配合表面上的涂层，所述涂层用于促进骨骼生长。
47.如权利要求46所述的关节部件，其中所述涂层是羟基磷灰石。
49.如权利要求43所述的关节部件，其中将所述骨固定部分成形以放入骨骼中形成的插孔中。
50.如权利要求43所述的关节部件，其中将所述骨固定部分成形，通过选自机械紧固件和粘结剂的紧固装置固定到骨骼上。
51.如权利要求35所述的关节部件，还包括在所述基本为纯质的多晶金刚石部件中的孔，所说孔具有可使骨在其中长入的尺寸。
52.如权利要求35所述的关节部件，还包括第二关节构件；和第二关节构件的承重和接合面。
53.如权利要求52所述的关节部件，还包括在至少一部分所述第二关节构件的承重和接合面上的配对支承材料。
54.如权利要求53所述的关节部件，其中所述配对支承材料具有允许多晶金刚石的接合部与之配合的特性。
55.如权利要求54所述的关节部件，其中所述配对支承材料包括从下面的组中选择的配对支承材料单晶金刚石、天然金刚石、多晶金刚石、CVD金刚石、PVD金刚石、立方氮化硼、密排六方氮化硼、陶瓷、钴铬合金、钛合金、镍、钒、钽、铪、钼、碳化钨硬质合金、铌、氧化锆陶瓷、氧化铝陶瓷、聚合物、超高分子量聚乙烯、聚醚醚酮、交联聚合物和蓝宝石。
56.如权利要求54所述的关节部件，其中所述配对支承材料没有所述多晶金刚石硬。
57.如权利要求54所述的关节部件，还包括形成至少一部分所述第二关节构件的多晶金刚石紧密件，所述多晶金刚石紧密件包括基体，所述基体包括金属；和烧结在所述基体上的金刚石骨板。
58.如权利要求57所述的关节部件，还包括在所述基体和所述金刚石骨板之间的梯度过渡区域；在所述金刚石骨板和所述基体之间的化学键；在所述金刚石骨板中的间隙；和位于所述金刚石骨板间隙中的基体金属。
59.如权利要求58所述的关节部件，还包括在所述金刚石骨板和所述基体间的机械夹持。
60.如权利要求59所述的关节部件，还包括所述基体上的形貌特征，用于加强所述的机械夹持。
61.如权利要求58所述的关节部件，还包括在所述多晶金刚石紧密件中的残余应力场，用于增强所述多晶金刚石紧密件的强度。
62.如权利要求58所述的关节部件，其中所述梯度过渡区域中同时具有基体金属和金刚石，并且所述梯度过渡区域中基体金属与金刚石的百分含量之比从所述梯度过渡区域的一侧到另一侧是过渡的，这样，在所述梯度过渡区域的靠近所述基体的第一点上，与所述梯度过渡区域中比所述第一点更靠近所述金刚石骨板的第二点相比，基体金属与金刚石的百分含量之比更大。
63.如权利要求57所述的关节部件，其中所述多晶金刚石紧密件中的金刚石具有热膨胀系数CTECd，所述多晶金刚石紧密件中的所述基体具有热膨胀系数CTEsub，CTECd不等于CTEsub。
64.如权利要求57所述的关节部件，其中所述多晶金刚石紧密件中的金刚石具有模量MCd，所述多晶金刚石紧密件中的所述基体具有模量Msub，MCd不等于Msub。
65.一种人工关节部件，包括基本为球形且基本为纯质的多晶金刚石组成件；关节构件的承重和接合面，所述关节构件的承重和接合面由所述多晶金刚石组成件的多晶金刚石形成；位于所述多晶金刚石中的金刚石晶体；在所述多晶金刚石中的金刚石晶体之间的化学键；和位于所述多晶金刚石中的晶态金刚石结构；其中所述承重和接合面的所述多晶金刚石部分具有用于人工关节中的接合部的光滑和耐用的表面。
66.如权利要求65所述的关节部件，还包括所述多晶金刚石中的间隙。
67.如权利要求66所述的关节部件，还包括在至少一部分所述间隙中的溶剂触媒金属。
68.如权利要求66所述的关节部件，其中从所述间隙中去除任何的溶剂触媒金属并用其它材料代替。
69.如权利要求68所述的关节部件，还包括在所述多晶金刚石中的梯度过渡区域，所述梯度过渡区域中金刚石含量与溶剂触媒金属含量之比从梯度过渡区域的一个位置到另一个位置是过渡的。
70.如权利要求65所述的关节部件，其中将所述承重和接合面抛光到Ra值在约0.5到约0.005微米之间。
71.如权利要求65所述的关节部件，其中所述承重和接合面的所述多晶金刚石部分是被磨光的。
72.如权利要求65所述的关节部件，其中所述多晶金刚石包括至少两种不同尺寸的金刚石晶体。
73.一种关节，包括第一关节部件；第二关节部件；包括溶剂触媒金属的基体；烧结在所述基体上的金刚石层；在所述基体和所述金刚石层之间的区域，穿过所述的区域具有溶剂触媒金属含量减少的成分梯度；在所述区域中的化学键，所述化学键包括在所述金刚石骨板中的金刚石-金刚石键、在所述梯度过渡区域内的金刚石-金属键以及在所述溶剂触媒金属中的金属-金属键；所述金刚石层与所述基体之间的机械夹持，用于将所述金刚石层固定在所述基体上；在所述金刚石层中的间隙；在所述间隙中的溶剂触媒金属；和由所述金刚石层形成的非平面的承重和接合面。
74.如权利要求73所述的关节，其中在所述金刚石层中的烧结金刚石具有热膨胀系数CTECd，所述基体具有热膨胀系数CTEsub，CTECd不等于CTEsub。
75.如权利要求73所述的关节，其中在所述金刚石层中的烧结金刚石具有模量MCd，所述基体具有模量Msub，MCd不等于Msub。
76.如权利要求75所述的关节，还包括残余应力场，用于增强所述金刚石层固定到所述基体上的强度。
77.如权利要求75所述的关节，还包括在所述基体上的基体表面形貌特征。
78.如权利要求75所述的关节，其中所述基体包括金属合金，其中至少一个关节的所述金属合金选自下面的组中钛、铝、钒、钼、铪、镍钛合金、钴、铬、钼、钨、碳化钨硬质合金、碳化铬硬质合金、熔融碳化硅、镍、钽和不锈钢。
79.如权利要求75所述的关节，其中金刚石层包括金刚石原料，该原料中的金刚石颗粒尺寸在小于约1纳米到大于约100微米的范围内。
80.如权利要求75所述的关节，其中所述金刚石承重和接合面是连续的金刚石表面。
81.如权利要求75所述的关节，其中所述金刚石承重和接合面是不连续的金刚石表面。
82.如权利要求75所述的关节，其中所述金刚石承重和接合面是节段式的金刚石表面。
83.如权利要求75所述的关节，其中在所述基体上存在口缘，以便将所述金刚石层锁定在所述基体上。
84.如权利要求75所述的关节，还包括在所述金刚石骨板间隙中的CoCr溶剂触媒金属。
85.如权利要求75所述的关节，还包括在所述金刚石层中的连续梯度。
86.如权利要求75所述的关节，还包括在所述金刚石层中的递增梯度。
87.如权利要求86所述的关节，其中所述递增梯度包括在所述金刚石层中的多个片，所述多个片中的第一片的特性与第二片的不同。
88.如权利要求87所述的关节，其中所述多个片的所述不同特性选自由金刚石的粒度、金刚石的粒度分布和溶剂触媒金属的含量所组成的组中。
89.如权利要求75所述的关节，还包括界面梯度。
90.如权利要求75所述的关节，其中所述金刚石层具有从小于约1微米到大于约3000微米的厚度。
91.一种人工关节，包括第一关节构件；所述第一关节构件的承重和接合部分；所述承重和接合部分的纯质的多晶金刚石部件；在所述金刚石部件中的间隙；在所述间隙中的溶剂触媒金属；在所述金刚石部件中的化学键，所述化学键包括金刚石-金刚石键、金刚石-金属键和金属-金属键；由所述金刚石部件形成的非平面的承重和接合面。
92.如权利要求91所述的关节，其中至少部分所述键是sp3碳键。
93.如权利要求91所述的关节，其中所述金刚石部件包括多个片，所述多个片中的第一片的特性与第二片的不同。
94.如权利要求93所述的关节，其中所述不同特性选自由金刚石的粒度、金刚石的粒度分布和溶剂触媒金属的含量所组成的组中。
95.如权利要求93所述的关节，其中使用CoCr作为溶剂触媒金属制作所述金刚石部件。
96.如权利要求93所述的关节，其中所述间隙用金属充满。
全文摘要
一种具有金刚石承重和接合面的人工关节部件。该部件可以包括基体，其上通过烧结结合有金刚石，形成烧结的多晶金刚石紧密件。
文档编号A61B17/86GK1416330SQ01806427
公开日2003年5月7日 申请日期2001年1月29日 优先权日2000年1月30日
发明者B·J·坡普, J·K·泰勒, R·H·狄克逊, C·F·加迪尼耶, L·M·坡普, D·C·布莱克本, M·A·韦尔, K·M·詹森 申请人:岱密克龙有限公司