专利名称：制备具有改善的骨水泥粘合力的植入物的方法和装置的制作方法
技术领域：
本专利申请的技术领域大体涉及制造的基材，具体涉及对所述基材进行改性以改 善其用作医学植入物的组成部分的特性。
背景技术：
作为患者体内替代结构使用的医学植入物已得到广泛应用。具体地讲，用于代替 关节或其他结构的整形外科植入物已经在商业上和科技上受到了高度关注。整形外科植入 物常利用骨水泥组合物(例如聚甲基丙烯酸甲酯骨水泥)将植入物粘附到骨骼上。骨骼/ 骨水泥界面和骨水泥/植入物界面形成两个机械联锁界面，用于植入物固定。本领域通常认为，当使用骨水泥将粗糙表面粘附到骨骼上时，增加植入物表面的 粗糙度(即表面轮廓的算术平均偏差Ra)可导致更高强度的接合。因此，增强的骨水泥/植 入物拉伸强度接合通常用诸如喷砂法和/或玻璃珠喷丸法之类的方法实现，以制造渐进粗 糙的植入物表面。通常，递增的民与递增的接合强度之间呈线性关系。然而，粗糙的植入 物表面在磨损过程中可产生不利因素。如果植入物与骨水泥(例如硬化的聚甲基丙烯酸甲 酯(“PMMA”)组合物)的机械联锁不够完美或随时间降解，则骨水泥和植入物之间的相对 运动(例如微动)可导致PMMA碎片产生。虽然一些人认为一定程度的微动是容许的，但已 发现PMMA碎片转移到相邻骨组织而引起异常的组织反应。临床上已发现，PMMA颗粒与骨 水泥粘结的髋关节泥柄植入物周围的骨质溶解直接相关。这危及到中/长期植入物固定。 通常，越粗糙的植入物表面趋于导致越多的碎片产生(例如骨水泥残留物)以及在PMMA骨 水泥与植入物之间形成越多的截获空隙，这些情形可降低粘合的终极断裂韧度。因此，医师 在决定是否增加植入物表面的Ra以改善植入物固定时需权衡利弊。因此，持续地需要一些植入物以及处理此类植入物的方法，以使骨水泥结合强度 维持在高水平，最好不会因与磨损有关的过程而加剧恶化。
发明内容
本发明的一些实施例涉及用于制备生物医学植入物的方法。可制备植入物的第一 粗糙表面，其中该表面表现出的第一民值的范围可从约0. 1微米至约100微米。第一粗糙 表面可暴露于处理制剂(例如可任选地包括氢卤酸的酸制剂)而形成第二粗糙表面，第二 粗糙表面在与骨水泥接触时表现出增强的骨水泥/植入物机械联锁。例如，当骨水泥与第 二粗糙表面间形成骨水泥结合时，可表现出相对于骨水泥结合而言改善的拉伸断裂强度、 改善的剪切断裂强度或两者兼具。这种改善可以与在骨水泥和该植入物的第一粗糙表面间 形成的骨水泥结合有关。又如，当在骨骼和该植入物的第二粗糙表面间形成骨水泥结合时， 例如关于在骨水泥和该植入物的第一粗糙表面之间形成的骨水泥结合，可表现出在拉伸负 荷下改善的拉伸疲劳强度，在剪切负荷下改善的剪切疲劳强度或两者兼具。再如，关于在骨 骼和该植入物的第一粗糙表面之间形成的骨水泥结合，可表现出在骨骼和该植入物的第二 粗糙表面之间形成的骨水泥结合的磨损减小。可通过使用喷砂、磨削、喷涂、铸造成型和机械变形中的至少一种方法使基材表面 粗糙来制备第一粗糙表面。例如，可采用颗粒喷砂法，其中颗粒可任选地包含无机材料和玻 璃中的至少一种。在某些情况下，喷砂过程产生的一个或多个颗粒可能嵌入第一粗糙表面。 在此类情况下，使第一粗糙表面暴露于处理制剂可从第一粗糙表面去除一个或多个颗粒。第二粗糙表面可呈现本文所公开的一种或多种特征。例如，第一和第二粗糙表面 各自的民值可基本上类似(例如，Ra值可相差小于约20% )。在另一种情况下，该第二粗 糙表面可基本上不含来自颗粒喷砂的颗粒。还在另一种情况下，如由能量色散X射线光谱 法所测定的，第二粗糙表面表现出来自颗粒喷砂的非原生材料的表面覆盖百分比小于约 30%。在某些情况下，第二粗糙表面表现出的Rsk值低于第一粗糙表面表现出的Rsk值。在某些情况下，作为制造方法的一部分，可提供关于植入物使用的说明，例如将骨 水泥制剂施加到植入物表面(例如第二粗糙表面)或使骨水泥制剂与植入物表面接触而将 植入物附着在受试者体内的说明。本发明的其他实施例涉及整形外科植入物，其可任选地使用本文所公开的一种或 多种方法制造。植入物可包括经改性以增强骨水泥固定的表面。植入物表面(可为金属表 面，例如包含钴铬合金的表面)可基本上不含非原生材料。该表面还可接触骨水泥制剂(例 如聚甲基丙烯酸甲酯型骨水泥)。植入物表面可呈现多种特征。例如，植入物表面的Ra值 可介于约0.1微米和约100微米之间。在另一种情况下，植入物表面可呈现负Rsk值。在另 一种情况下，如由能量色散X射线光谱法所测定的，植入物表面可具有小于约30%的、与基 材材料不同的材料的表面覆盖百分比。在其他情况下，植入物表面可呈现平均压痕直径为 约0. 1微米至20微米；在一些实施例中，压痕直径可一定程度地互连或重叠。本发明其他实施例可涉及使用整形外科植入物的方法。此类植入物可包括本文所 公开的任何植入物，其可使用所述的任何制造方法制造。在某些情况下，提供的植入物具有 经改性以增强骨水泥固定的表面，并且可插入受试者体内。例如，可使用骨水泥(例如聚甲 基丙烯酸甲酯型骨水泥)将植入物附接到受试者的骨骼。在另一种情况下，可将植入物插 入套管，其中套管和植入物的组合可作为受试者体内的可移除假体。植入物表面可基本上 不含非原生材料(例如颗粒)，可表现出介于约0. 1微米和约100微米之间的Ra值、和/或 负Rsk值，和/或表现出约0. 1微米至20微米的平均压痕直径，其中这些压痕可任选地以一定程度重叠。
由下文的“具体实施方式
”结合附图(未必按比例绘制)可以更全面地理解本发 明的各个方面，附图中图IA为表现出正Rsk值的粗糙表面的示意性侧视图；图IB为表现出负Rsk值的粗糙表面的示意性侧视图；图2示出了符合本发明一些实施例的植入物的制造方法的流程图；图3A示出了显示铸造钴铬钼合金基材的锆喷砂(二氧化锆颗粒)表面的二次电 子显微图，该基材具有平滑表面，其上有散布的几微米大小的压痕，该基材用于拉伸粘合力 测试，实现了本发明实施例的一部分；图:3B示出了按图3A说明文字所述制备并随后用盐酸溶液处理的表面的二次电 子显微图，该表面互连了覆盖整个表面的几百纳米大小的蚀坑以及散布的几微米大小的压 痕；图4A示出了铸造钴铬钼剪切销(0.25”直径和4”长)对照样品的背散射电子图 像，该剪切销用于环剪切粘合力测试，该剪切销表面具有平滑区域，偶尔有微米大小级别的 表面缺陷/压痕；图4B示出了最初按图4A说明文字所述制备并随后用盐酸溶液处理的表面的背散 射电子图像，经处理的剪切销的表面显示出互连的一至几微米的酸蚀坑；图5示出的柱状图描绘了图4A和4B中所示的对照物和处理样品的环剪切粘合强 度，宽柱形的高度指示相应样品类型的平均剪切强度，窄柱形的位置对应于各个样品的值 的分布；图6A示出了环剪切实验后对照样品表面的背散射电子图像；图6B示出了环剪切实验后经处理的样品的背散射电子图像，较暗的颗粒指示 PMMA骨水泥附着到经处理的表面的量相对于附着到图6A中描绘的对照样品的量有所增 加，这是由于经处理的样品/PMMA骨水泥界面比对照物具有更好的机械联锁；图7A示出了钴铬钼合金基材表面的背散射电子显微图，该表面经过P喷砂(60砂 粒型氧化铝颗粒与玻璃珠的50/50混合物)处理，图中显示出不规则变形表面图案，实现了 本发明实施例的一部分；图7B示出了按图7A说明文字所述制备并随后用盐酸溶液处理的表面的背散射电 子显微图，该表面显示连续的微米和亚微米圆形蚀坑/压痕；图8示出的曲线图描绘了图7A和7B说明文字中所述氧化铝/玻璃喷砂基材的拉 伸强度疲劳测试结果，箭头指示在选定数目的测试周期后，达到通过条件而没有失效的样
品；图9A示出了钴铬钼合金股骨膝关节植入物表面的背散射电子显微图，该植入物 表面与PMMA骨水泥接触，氧化铝喷砂表面显示具有喷砂残留物(暗斑)的不规则变形表面 图案，实现了本发明实施例的一部分；图9B示出了最初按图9A说明文字所述制备并随后用盐酸溶液处理的植入物表面 的背散射电子显微图；该表面显示连续的微米和亚微米圆形蚀坑/压痕；并且
图10示出的柱状图描绘了区域表面砂残留，其通过图9A和9B中所示的对照物和 经处理的样品的X射线光电子能谱测定，宽柱形的高度指示相应样品类型的平均表面砂残 留百分比，窄柱形的位置对应于各个样品的值的分布。
具体实施例方式现在描述某些示例性实施例，以得到对本文所公开的装置和方法的结构、功能、制 造和使用的原理的全面理解。这些实施例的一个或多个实例在附图中示出。本领域技术人 员将会理解，本文具体描述并在附图中示出的装置和方法是非限制性示例性实施例，并且 本发明的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施例示出或描述的特征可以与其他 实施例的特征组合。这些修改形式和变型形式旨在包含于本发明的范围内。本发明实施例可涉及植入物、包括植入物的套件、以及形成植入物的方法，该植入 物可插入受试者体内以充当结构替代物(例如关节替代物)。此类植入物可具有增大骨水 泥结合(例如包括聚甲基丙烯酸甲酯(“PMMA”)的骨水泥)强度的表面，该表面可用于将植 入物固定在受试者身体的某部位(例如受试者的骨骼)。植入物与受试者间的骨水泥结合 强度可通过以下任何一种或多种表征拉伸强度、剪切强度、扭转强度、拉伸疲劳特性(例 如失效强度和/或失效周期数)、剪切疲劳特性、以及扭转疲劳特性。相比于与用现有技术 方法制备的植入物表面(例如，用氧化铝、二氧化硅、氧化锆和/或其他颗粒喷砂的表面) 相关的骨水泥结合强度而言，该植入物的骨水泥结合强度可增大。此类植入物的表面可通 过多种物理、化学或源自工艺的特性来表征，例如具有可通过具体范围的Ιζ值(例如，从约 0. 1微米至约100微米)来表征的粗糙度，和/或显示出平均直径为约0. 1微米至约20微 米的多个压痕(例如重叠)，和/或Rsk(例如具有负值)。文中描述的一些特定实施例涉及用某种方法来制备此类植入物，所用方法中提供 的第一粗糙表面呈现初始Ra值(例如从约0. 1微米至约100微米)。第一表面可用常规的 表面粗糙化方法达成，例如喷砂法或其他类型的机械粗糙方法。第一粗糙表面可暴露于处 理制剂(例如酸制剂)以提供第二粗糙表面，该表面相比于第一粗糙表面表现出增强的骨 水泥固定性质。第二粗糙表面可表现出多种化学和/或物理特性。例如，第二粗糙表面可 具有与第一粗糙表面基本上类似的Ra值，第二粗糙表面的I^sk值可小于第一粗糙表面的Rsk 值，和/或第二粗糙表面的I^sk值可为负值。符合本文所述的一些实施例的植入物相比于先前制造的植入物可具有一些有利 的性质。例如，当用常规的喷砂法或其他粗糙化技术提供植入物的初始粗糙表面时，经处理 的粗糙表面可提供更强的骨水泥结合而基本不改变表面的扎值。这可有助于减小磨损增大 和/或疲劳损耗的影响，这通常与增加表面粗糙度来提供更好的骨水泥结合相关。同样地， 接合强度可显著增大；第一和第二粗糙表面间的拉伸强度、剪切强度、扭转强度或一些疲劳 特性中的任何增强可大于约 10%,20%,30%,40%,50%,60%,80% ,100% ,120% ,140%, 160%,180%,200%,220%,240%,260%,280%,^； 300%、或更大、更小、或取这些值的中 间百分比。因此，这些实施例可表现出骨水泥结合强度的意想不到的改变，这些改变相对于 表面植入物的Ra呈高度非线性，与通常所理解的不一致。植入物性质和表面特性符合本专利申请实施例的植入物可由具有如下表面的基材形成该表面按照某些方式改性，以呈现增大的骨水泥结合强度。基材和/或基材表面的组成可为适当地符合本 文所述实施例的任何组成。可以利用诸如金属、陶瓷、聚合物和其他材料(包括材料的复合 物)之类的材料。在一些实施例中，基材的表面可为金属。一般来讲，术语“金属”用于描 述具有块体金属的至少一些属性的物体。因此，金属表面和金属性基材具有至少一种与块 体金属特性类似的特性。例如，可将具有痕量金属杂质污染物的非金属材料排除在对金属 表面和金属性基材的描述之外。用于植入物的金属材料实例可包括那些适合在医学上植入 受试者体内的金属材料，例如不锈钢(例如316L)、钛基材料、钛基合金(例如Ti6A14V)和 铬基合金(例如钴铬合金或钴铬钼合金)。钴铬合金的实例包括符合ASTM标准F 1537-00 和F 75-01的合金，以及具有大体上高于约25%的铬(例如在约至约30%范围内的 铬)和高于约3%的钼(例如在约5%至约7%范围内的钼)的钴铬钼合金。本文所公开的植入物可利用骨水泥制剂固定，该骨水泥制剂与植入物表面和受试 者的某个部分(例如受试者的骨骼)接触。因此，本发明的很多实施例涉及使用在植入物 与受试者骨骼之间形成接合的骨水泥。虽然任何合适的骨水泥都可用于固定植入物，但本 发明的一些实施例使用丙烯酸基骨水泥，例如含有聚甲基丙烯酸甲酯类树脂(“PMMA”)的 骨水泥制剂。骨水泥可通过将液体单体组分与固体聚合物组分混合而形成(例如PMMA骨 水泥通常由PMMA颗粒与液体单体混合而成)。可任选地包括其他组分，例如聚合反应引发 剂、射线遮光剂(例如氧化锆和/或硫酸钡)、和/或生物活性组分(例如抗生素)。如本文所讨论的，植入物和制备此类植入物的方法可涉及可表现出增大的骨水泥 结合强度的植入物表面。因此，植入物表面可具有一种或多种化学、物理和/或源自工艺的 特性，这些特性可有助于增大骨水泥结合强度。虽然本文所述的一些实施例涉及可与增大 的骨水泥结合强度相关的具体表面特性，但应当理解的是并非所有实施例都限于具有此类 特性的植入物。例如，在一些实施例中，所制造的植入物的特性可归因于制造工艺，并且不 一定与本文明确讨论的植入物特性的一种或多种相关联。在一些实施例中，与植入物表面相关的增大的骨水泥结合强度可至少部分归因于 植入物表面的粗糙度。在一些实施例中，植入物表面的粗糙度可通过本文定义的一个或多 个粗糙度值表征。本文使用的粗糙度值(例如Ra)和其他具有长度尺度的粗糙度测量值均 以微米为单位表征，除非另有明确规定。在一个例子中，表面粗糙度可用Ra值表征，其中Ra在数学上定义为
权利要求
1.一种制备生物医学植入物的方法，包括制备具有第一粗糙表面的植入物，所述第一粗糙表面表现出介于约0.1微米和约100 微米之间的第一 Ra值；以及将所述植入物的所述第一粗糙表面暴露于处理制剂，以形成第二粗糙表面，所述第二 粗糙表面表现出与所述第一民值基本上类似的第二民值，其中所述植入物的所述第二粗糙 表面在与骨水泥接触时表现出增强的骨水泥/植入物机械联锁。
2.根据权利要求1所述的方法，其中制备具有所述第一粗糙表面的所述植入物包括使 用下述的至少一种方法使基材表面粗糙化喷砂、磨削、喷涂、铸造成型和机械变形。
3.根据权利要求1所述的方法，其中使所述第一粗糙表面暴露包括用酸制剂处理所述 第一粗糙表面。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述酸制剂包括氢卤酸。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二Ra值与所述第一 Ra值相差小于约20%。
6.根据权利要求1所述的方法，其中将所述第一粗糙表面暴露于处理制剂包括形成所 述第二粗糙表面，所述第二粗糙表面具有的1^值比所述第一粗糙表面表现出的Rsk值更低。
7.一种整形外科植入物，包括经改性以增强与骨水泥的机械联锁的植入物表面，所述植入物表面基本上不含非原生 材料，所述植入物表面与骨水泥接触，所述植入物表面表现出⑴介于约100微米和约0. 1微米之间的Ra值，和(ii)平均压痕直径为约IOOnm至约20微米的多个互连的表面压痕。
8.根据权利要求7所述的植入物，其中所述植入物表面包括金属表面。
9.根据权利要求7所述的植入物，其中所述植入物由基材材料形成，所述植入物表面 表现出与所述基材材料不同的材料的表面覆盖百分比小于约30%，如能量色散X射线光谱 法所测定。
10.根据权利要求7所述的植入物，其中所述植入物表面表现出负的Rsk值。
全文摘要
本发明公开了具有改性表面的生物医学植入物(例如，整形外科植入物)以及制造和使用此类植入物的方法，所述改性表面可增强骨水泥结合的强度(例如，拉伸强度、剪切强度和/或疲劳强度)。所述植入物可表现出多种物理、化学或工艺衍生特征，所述特征可增强骨水泥结合。例如，所述植入物表面可呈现具体的粗糙度值，和/或基本上不含非原生材料。制备此类植入物的方法可包括提供第一粗糙植入物表面，所述第一粗糙植入物表面可通过例如颗粒喷砂制备。可将处理制剂施加到所述第一粗糙表面以生成第二粗糙表面，所述第二粗糙表面相对所述第一粗糙表面而言表现出增强的骨水泥结合性质。在某些情况下，所述第一粗糙表面和所述第二粗糙表面可呈现基本上类似的Ra值。所述第二粗糙表面可呈现负的Rsk值。
文档编号A61F2/02GK102138835SQ20111003726
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月28日 优先权日2010年1月29日
发明者J·博尼塔蒂, L·萨尔瓦蒂, S·莱辛格, W·童 申请人:德普伊产品公司